Marko Pavlin, Darko Belavič, Stojan Šoba, HIPOT, Šentjernej, Slovenija Slavko Amon, Uroš Aljančič Univerza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko, Ljubljana, Slovenija Ključne besede: senzorji tlaka, napajanje s tokom konstantnim, senzorji tlaka piezoupornostni,Wheatstonemostički, kompenzacije temperaturne, napajalniki tokovni, viri toka konstantnega, diode referenčne, reference napetostne precizne, offset napetost, izničenje offset-a, kompenzacija drift-a, odvisnost temperaturna občutljivosti tlačne, razpon delovanja, kompenzacija temperaturna razpona delovanja Povzetek: Senzorji tlaka so v današnjih dneh nepogrešljiv segment senzorike in predstavljajo velik del svetovnega trga senzorjev. Osnovna zgradba vsakega analognega senzorskega modula vsebuje napajanje senzorja, temperaturno kompenzacijo in izhodno stopnjo z ojačevalnikom, V prvem delu je opisan tokovni napajalni vir s konstantnim izhodnim tokom. Sledi primer izračuna tolerance in temperaturnih premikov toka. V drugem delu je opisan in s primerom podkrepljen izračun temperaturne kompenzacije tlačnega senzorja. Izračun upošteva, da ima mostična upornost večji temperaturni koeficient upornosti od absolutne vrednosti temperaturnega koeficienta tlačne občutljivosti. Pressure Sensors with Constant Current Excitation Key words: pressure sensors, constant current supply, piezoresistive pressure sensors, Wheatstone bridges, temperature compensations, current supplies, constant current sources, reference diodes, precise voltage references, offset voltage, offset nullifying, drift compensation, temperature dependence of pressure sensitivity, operating span, temperature compensation of operating span Abstract: Pressure sensors estimated a significant part of the world sensor market. Basic analog sensor structure consist of at least pressure sensor and basic temperature compensation, which is described in the present paper. The constant current excitation is described followed by a tolerance analysis. Finally, a calculation for temperature compensation is defined. 1. Uvod Osnovni element obravnavanega senzorja tlaka je silicijev senzorski element (tabletka), ki je običajno sestavljen iz tanke silicijeve membrane pravokotne ali kvadratne oblike. Na membrani so s polprevodniškimi postopki izdelani štirje upori, ki imajo piezoupornostno lastnost in so tako izdelani, da se pri pojavu mehanskih sil, ki nastanejo zaradi delovanja tlaka na membrano dvema poveča upornost, dvema pa zmanjša. Upori so vezani v wheatstonov mostiček, ki je ponavadi na eni strani razklenjen, tako da ima vezje pet priključnih sponk. Tabletka je pritrjena na keramični substrat, za električno povezavo pa skrbijo zlate žičke, ki so pribon-dirane na obeh straneh. Piezoupornostni efekt ima temperaturno odvisnost, ki se pozna pri temperaturni spremembi tlačne obučutljivosti. Potek odvisnosti je negativen, v nasprotju s temperaturno odvisnostjo same upornosti, ki je pozitivna. Idealna situacija bi bila, če bi bila oba poteka enaka, le nasprotnih predznakov. Pri napajanju senzorskega elementa s konstantnim tokom bi se zaradi spremembe temperature zmanjšala tlačna občutljivost, ki je sicer proporcionalna napajalni napetosti mostiča. Istočasno bi se povečala mostična upornost za enak delež, kar bi pri konstantnem napajalnem toku pomenilo tudi enak delež povečanja napajalne napetosti. Zaradi tega bi se sicer zvišala tlačna občutljivost, vendar se oba vpliva ravno kompenzirata in posredno ostane tlačna občutljivost nespremenjena. V resnici imajo mostički temperaturni koeficient mo-stične upornosti malo večji od absolutne vrednosti temperaturnega koeficienta tlačne občutljivosti. Zaradi tega dodamo vzporedni upor mostičku, ki omogoči pravo temperaturno kompenzacijo. 2. Napajanje senzorja Kot je že v uvodu omenjeno, je senzorski mostič napajan s konstantnim tokovnim virom, ki je prikazan na sliki 1. Izhodni tok določa upor Rs. Če zanemarimo ofsetno napetost operacijskega ojačevalnika, je izhodni tok enak: U. (1) Pri tem velja, daje Uz»U'z. Pri napajalnih napetostih od 5V naprej moramo paziti, da operacijski ojačevalnik ne pride v nasičenje. Zaradi tega je priporočljivo uporabiti čim nižjo referenčno napetost Uz. Na uporu R2 je napetost U 'z, k tej napetosti se prišteva še napetost Rvh-Iizh. Vendar skupna napetost ne sme presegati najvišje izhodne napetosti operacijskega Ucc Uz R1 ZD Temperaturna kompenzacija Senzorski ^ element ^ las- v.Dj Qv'. O'- „SJ3 Uz' R2 Slika 1 Shema tokovnega napajalnika za senzor tlaka ojačevalnika pri danem napajanju: l|ZH ■ (^VHMAX + R2) < Ui2HMAx('-'cc) = U,(T,U cc (3) (2) Vhodna upornost senzorja Rvhmax je najvišja vhodna upornost, ki jo kompenziran senzor doseže znotraj delovnega temperaturnega področja. Najvišja izhodna napetost operacijskega ojačevalnika je odvisna od napajalne napetosti in od njegove vrste. Najvišja je, kadar uporabimo t.im. rail-to-rail operacijski ojačevalnik. Izhod takega ojačevalnika gre zelo blizu napajalne napetosti, v področje nekaj deset mV od napajalne napetosti. Tipičen primer: Uporabimo referenčno diodo AD1580 z izhodno napetostjo 1,225 V. Senzor tlaka je SM5102, z ustrezno kompenzacijo. Najvišja vhodna upornost kompenzira-nega senzorja je 3,5 kQ. Napajalni tok naj bo 1 mA. Zanima nas vplivtemperaturnih sprememb na napajalni tok. Operacijski ojačevalnik je OP279. Sprememba upora Ri zanemarljivo vpliva na referenčno napetost. Na sliki 2 je prikazana sprememba izhodne napetosti v mV glede na spremembo napajalnega toka. Sprememba upora Ri je v razredu 0,1%. Napajalni tok referenčne diode je enak Ucc/Ri. Vpliv spreminjajoče napajalne napetosti je veliko večji, saj sprememba Ucc iz 5V na 12V pomeni spremembo referenčne napetosti pri napajalnem toku 1 mA za približno 0,2 mV. Iz zgornje slike vidimo, da so spremembe manjše, kadar uporabimo večji upor Ri (manjši napajalni tok). Optimalna vrednost upora Ri = 10 kO, kar pomeni razpon napajalnih tokov referenčne diode od 0,5 mA do 1,2 mA. Upor R2 ima vrednost 1,225 kfi. Izhodni tok je proporcionalen temu uporu. Zaradi tega mora biti stabilen, ker vsaka sprememba upora R2 pomeni enak delež (v %) spremembe toka. Podobno je s temperaturnim driftom operacijskega ojačevalnika. Absolutna vrednost ofseta je tipično 4 mV, drift pa znaša 4 mV/°C. Izračunajmo sedaj skupno napako tokovnega vira. Najprej definirajmo izhodni tok. -1 ] T A =12 5=C 1 / A / p ribi, 0, ,2n iiV \ J \ v ^ ■tf i : T; 10°C > - 0.01 0.1 Napajaljii tok v zaporni smeri (niA) 10 Opazujmo največje spremembe. Uz ima začetno toleranco ±10 mV. Zaradi napajalne napetosti se lahko spremeni za 0,2 mV, zaradi temperature pa ±50 ppm/°C, oz ±60 mVAC. Ktemu prištejmo še 4 mVofseta in 4 mV/°C njegovega drifta. Prišteti moramo še ±100 ppm/°C zaradi upora R2. Skupno odstopanje izhodnega toka znaša tako ±1,16%. To odstopanje ne upošteva tolerance upora R2. Temperaturni drift toka znaša 152 ppm/°C. Prvi podatek ni kritičen za senzorske aplikacije, ker tudi 5% fiksno odstopanje pomeni le spremembo napajalnega toka od enega do drugega senzorja, ki se da tudi nastavit z aktivnim doravnavanjem upora R2. Drift pa je lahko bolj kritičen, posebno kadar želimo dobiti boljše rezultate pri temperaturni kompenzaciji. Idealno je, kadar lahko senzor med meritvami za izračun kompenzacije napajamo kar z istim tokovnim virom kot se kasneje uporabi v končnem izdelku. Morebitni drifti toka se tako upoštevajo v izračunu, celoten senzor pa ima na koncu manjši drift. 3. Temperaturna kompenzacija Sprememba temperature okolice spremeni štiri parametre senzorja: " ničelno napetost (ofset), - tlačno občutljivost (G), - razpon (S) in mostično upornost (Rb). Ničelna napetost predstavlja izhodno napetost senzorja kadar na senzor ni obremenjen (ni priključen tlak). Tlačna občutljivost je normaliziran razpon izražen v mV razpona na volt mostične napetosti na enoto priključenega tlaka. Tipična vrednost je okrog 30 mVA/ na poln obseg pri senzorjih za srednje tlake od nekaj lOOmbar do nekaj barov. Razpon predstavlja razmerje izhodne napetosti mostiča proti spremembi tlaka. Za nek senzor je razpon S enak produktu tlačne občutljivosti G in mostične napetosti Ub. S=GUb (4) Temperaturna sprememba razpona je odvisna od načina napajanja senzorja. Kadar mostič napajamo s konstantno napetostjo je temperaturni koeficient razpona TKs negativen, razpon pa je proporcionalen tlačni občutljivosti. Tipična vrednost temperaturni koeficient razpona v tem primeru je okrog -0,22%/°C, Razmere se spremenijo kadar senzor napajamo s konstantnim tokom in je napajalna napetost odvisna od mostične upornosti Rb. S=GRbI (5) Slika 2 Vpliv napajalnega toka na spremembo zaporne napetosti Mostična upornost ima pozitivni temperaturni koeficient. Tipična vrednost temperaturnega koeficienta mostične upornosti TKrb je -t-0,28%/°C. Za uspešno temperaturno kompenzacijo razpona mora biti izpolnjen pogoj: (6) TKrb Ž TK, Oba temperaturna vpliva se superponirata, tako da je pri napajanju s konstantnim tokom preostali temperaturni koeficient razpona približno 0,06%/°C. Tako je temperaturna odvisnost mostične upornosti ključnega pomena pri temperaturni kompenzaciji tlačnega senzorja. 3.1. Kompenzacija ničelne napetosti Kot smo že omenili, je ničelna napetost ali ofset enak izhodni napetosti, kadar na senzor ni priključen tlak. Poseben primer so absolutni senzorji, pri katerih moramo upoštevati, da tudi kadar niso priključeni, so izpostavljeni zračnemu tlaku. Torej jih moramo postaviti v vakuum, da bi izmerili ničelno izhodno napetost. V praksi tega ne počnemo, ampak izmerimo izhodno napetost pri dveh tlakih (od katerih je eden ponavadi zračni) in izračunamo ofset. Seveda pri tem naredimo nekaj napak. Imamo štiri merilne rezultate (dve napetosti in dva tlaka), ki imajo vsi svojo netočnost. Grobo lahko ocenimo, da ima izračunani ofset absolutnega senzorja štirikrat večji pogrešek od izmerjenega pri relativnih senzorjih tlaka. Poleg omenjenih pogreškov moramo upoštevati še nelinearnost senzorja, ki vpliva na končni rezultat izračuna. Za bolj točne meritve lahko izmerimo senzor v treh ali več točkah in njegov odziv interpoliramo z nelinearno interpolacijo. Dokaj enostavna je polinomska interpolacija s kvadratično funkcijo skozi tri točke. Na sliki 3 je prikazana električna shema temperaturne kompenzacije mostiča. Za izničenje ofseta skrbita upora Rs in R4. Kadar je ofset pozitiven je točka 5 na višjem potencialu kot točka 2. V tem primeru moramo dodati (ali povečati) upornost v vejo med točkama 2 in 3. Kadar je ofset negativen je točka 2 na višjem potencialu od točke 5 zato moramo povečati upornost med točkama 4 in 5. +VH -IZH R1 V+ J 1 r 2I T is-i 1 T 1___ L ri, SENZORSKI ELEMENT I S+T +IZH I y-4 -VH R2 R4 R3 R5 Slika 3 Kompenzacija tokovno napajanega senzorskega mostiča Ničelna napetost ima neko vrednost pri konstantni temperaturi. Poleg tega ima tudi nek temperaturni potek, ki je ponavadi linearen. Izničenje teh temperaturnih odvisnosti dosežemo z uporoma Ri in R2. Kadar je temperaturni koeficient ofseta pozitiven, narašča napetost v točki 5 hitreje kot v točki 2. Ta temperaturni vpliv zmanjšamo, če dodamo upor Ri. Zaradi tega upora bo potencial v točki 2 počasneje naraščal s temperaturo. V primeru negativne temperaturne spremembe ofseta moramo dodati upor R2. Vedno uporabimo le enega od obeh uporov. Na hibridnem debeloplastnem vezju to dosežemo s prerezom tistega upora, ki ga ne rabimo. Podobno je z uporoma Rs in R4. Eden je vedno kratko sklenjen, drug pa ima neko upornost. Dodajanje uporov Ri in Ra spremeni začetni ofset. To spremembo moramo upoštevati v izračunu. Sam izračun je precej obsežen, zato si oglejmo le končni rezultat. Senzor izmerimo pri dveh tlakih in dveh temperaturah. Izmerimo izhodne napetosti (štiri spremenljivke) in pri obeh temperaturah še mostično napetost. Skupaj imamo torej šest vhodnih spremenljivk: Tabeia 1 Izmerjene vrednosti T=Ti T=T2 ; P=P1 UII,UBI UI2,UB2 P = P2 U21 U22 1 V tabeli 1 so prikazane izmerjene vrednosti. Izhodna napetost mostiča je Uy. Indeks i predstavlja tlak, indeks j pa temperaturo. Merimo tudi mostično napetost Dej. Mostič je napajan s konstantnim tokom Ib. Zaradi preglednejšega zapisa si pri izračunu uporov pomagamo s pomožnimi spremenljivkami. a: Uii+Ue X = 5 = %- iB(UB2+2U,2) (7) (8) (9) (10) Sedaj določimo serijsko upornost, ki jo moramo dodati v eno od vej senzorja in ki že vključuje tudi korekcijo zaradi spremembe ofseta zaradi dodanega paralelnega upora. « + %-,(a + x) -4 «ß(5-x)-x5(ß-«) 5-ß Od predznaka izračunane vrednosti upora Rs je odvisno kateri upor bomo dodali: Tabela 2 Določanje serijskih kompenzacijskih uporov za ofset Predznak Vrednosti uporov Rs>0 R4=Rs, R3=on. (12) Rs<0 R3=Rs, R4=0Q. (13) R Ir (20) Vrednost kompenzacijskega upora R5 določa enačba 21. (21) Paralelni kompenzacijski upor izračunamo iz enačbe 14. Rp = «ß-ßRs ß-a + R. (14) Podobno kot pri serijskem uporu tudi pri paralelnem predznak določa njegovo lego. V tabeli 3 je postopek določanja lege upora za kompenzacijo temperaturnega koeficienta ničelne napetosti. Tabela 3 Določanje lege paralelnega upora Predznak Vrednosti uporov Rs>0 R2=Rp, Ri= ooQ. (15) Rs<0 Ri = Rp, R2= 00Q.. (16) 3.2. Temperaturna kompenzacija razpona Za uspešno temperaturno kompenzacijo mora biti izpolnjen pogoj (6). Idealno bi bilo, če bi veljal enačaj, ko se oba temperaturna koeficienta ravno ujameta. V resnici je TKrb vedno malo večji. Zaradi tega moramo zmanjšati izhodno upornost tokovnega generatorja z uporom R5 (glej sliko 3). Pri tej kompenzaciji se pokaže glavna prednost tokovnega napajanja. Upor R5 je tipično okrog šestkrat večji od mostične upornosti. Ker je upor vezan vzporedno z mostičem pride do zmanjšanja razpona na približno 83%. Če bi želeli isti učinek pri napajanju s konstantno napetostjo, bi morali upor R5 vezati zaporedno. Razpon bi se tako zmanjšal na približno 16%. Slabost, ki se pojavi pri konstantnem toku pa je temperaturna nelinearnost razpona, ki je veliko večja kot pri napajanju s konstantno napetostjo. Za izračun upora R5 moramo poznati razpona in mo-stični upornosti pri obeh temperaturah. Iz izmerjenih vrednosti določimo vse štiri veličine. Usi = U21 -U11 Us2 = U22 - U12 Up Rbi - L (17) (18) (19) 4. ZAKLJUČEK Prikazan je bil primer izračuna kompenzacije, ki mu sicer manjka še analiza točnosti in temperaturne linearnosti. V praksi se je izkazalo, da so tokovno napajani, temperaturno kompenzirani senzorji tlaka, temperaturno bolj nelinearni od napetostno napajanih. Na prvi pogled bi lahko preko dualnega vezja ugotovili, da bi morale biti razmere iste za obe vrsti senzorjev, vendar je razmerje oz. razlika temperaturnih koeficientov upornosti in tlačne občutljivosti pri eni in drugi vrsti različna. Teoretične vrednosti, pod katere se v komercialnem 50°C temperaturnem obsegu ne da priti so okrog 0,4% FSO. Praktična meja pa je malo slabša, nekje okrog 0,75%. Pri proizvodnji senzorjev tlaka, ki je eden od proizvodnih programov podjetja HIPOT-HYB d.o.o. Šentjernej, uporabljamo omenjeno metodo pri nekaterih izdelkih. Eden takih izdelkov je senzor tlaka za merjenje absolutnega tlaka v področju od O do 1 bar. Senzor je izdelan na keramičnem sustratu velikosti 25,4 x 25,4 x 1 mm^ v hibridni debeloplastni tehnologiji s silicijevim senzorskim elementom. Posebnost omenjenega izdelka z oznako EST2139 je tudi ta, da senzor ne potrebuje posebnega ohišja, s priključkom za tlak. Senzor, ki je prikazan na sliki 4 ima tri zunanje priključke, za napajanje, GND in napetostni izhod. Senzorju sta dodana še napajalno vezje in ojačevalnik, tako da dobimo ob napajalni napetosti 5 V standardno izhodno napetost od 0,5 V do 4,5 V. 25,4+0.3-0.0 4.5+0.3-0,1 0,25+0,1 1.9 max M=2.54+0.15 Slika 4 Senzor tlaka EST2139 s tokovnim napajanjem in napetostnim izhodom 0,5 V do 4,5 V Poleg omenjenega izdelka podjetje HIPOT-HYB, d.o.o. Šentjernej izdeluje tudi ostale senzorje, nekatere iz standardnega programa, večino pa po naročilu kupca. Za vse ostale informacije v zvezi s senzorji tlaka in nekaterih ostalih veličin ter debeloplastnimi hibridnimi vezji se obrnite na naše podjetje in z veseljem vam bomo pomagali pri izvedbi. 5. ZAHVALA Zahvaljujemo se Ministrstvu za znanost in tehnologijo Republike Slovenije za podporo raziskovalnim institucijam, ki so sodelovale pri raziskovalnem delu. 6. VIRI /1/ M. Pavlin, "Temperaturne lastnosti piezouporovnih silicijevih senzorjev tlaka", Diplomska naloga. Fakulteta za elektrotehniko, Univerza v Ljubljani, 1995 /2/ U. Aljančič et al., "Temperature Dependencies of Silicone Pressure Sensor", MIEL-SD94 Proceedings, MIDEM, 1994, pp 157-162 /3/ J. Bryzek, "Compensating Temperature Errors in Integrated Circuit Pressure Sensors", Chicago 1992 /4/ Hipot-Hyb d,o.o. - interna dokumentacija /5/ Sensortechnic GmbH, "Pressure Sensors, Transducers and Transmitters", Handbook of integrated circuits pressure sensors from SenSym, 1997 /6/ Analog devices Designer's CD Reference Manual, CD ROM, 1996 /7/ M. Pavlin et al, Thick film sensor evaluation module, Proc. MIEL-97, Gozd Martuljek, 1997, 365-370 /8/ D. Belavič et.al. Design of thick film hybrid circuits for sensor applications, Proc. MIEL-96, Nova Gorica, 1996, 237-242 Marko Pßviin, dipl.ing Stojan Šoba, dipl. ing. HI POT, d. o. o. Trubarjeva 7, 8310 Šentjernej, Slovenia Tel.: +386 681 81 220 Fax: +386 681 81 370 E-mail: marko.paviin@guest.arnes.si Darko Belavič, dipl.ing. HIPOT, d.o.o. C/o Institut Jožef Stefan Jamova 39, 1001 Ljubljana, Slovenia prof. dr. Slavko Amon mag. Uroš Aljančič Univerza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko Tržaška 25, 1000 Ljubljana, Slovenia Prispelo (Arrived): 25.2.1998 Sprejeto (Accepted):17.4.1998