При измерении низких давлений или когда для повышения динамического диапазона применяются толстые мембраны, для получения заданных значений разрешения и точности величина перемещения диафрагмы может оказаться недостаточной. В дополнение к этому рабочие характеристики большинства пьезорезистивных и некоторых емкостных датчиков довольно сильно зависят от температуры, что требует использования дополнительных цепей температурной компенсации. Оптические методы измерений обладают рядом преимуществ над остальными способами детектирования давления: простотой, низкой температурной чувствительностью, высокой разрешающей способностью и высокой точностью. Особенно перспективными являются оптоэлектронные датчики, реализованные на основе явления интерференции света [11]. Такие преобразователи используют принцип измерения малых перемещений Фабри-Перо, детально рассмотренный в разделе 7.5 главы 7. На рис. 10.13 показана упрощенная схема одного из таких датчиков.
фотодиоды
кристалл детектора
СИД
встроенные фильтрь
Фабри-Перо
интерферометр Фабри-Перо
стекло
диафрагма
Рис. 10.13. Схема оптоэлектронного датчика давления, использующего принцип интерференции света [12]
В состав датчика входят следующие компоненты: пассивный кристалл оптического преобразователя давления с диафрагмой, вытравленной в кремниевой подложке; светоизлучающий диод (СИД) и кристалл детектора [12]. Детектор состоит из трех р-n фотодиодов, к двум из которых пристроены оптические фильтры Фабри-Перо, имеющие небольшую разницу по толщине. Эти фильтры представляют собой кремниевые зеркала с отражением от передней поверхности, покрытые слоем из Si02, на поверхность которых нанесен тонкий слой А1. Оптический преобразователь похож на емкостной датчик давления, описанный в разделе 10.2, за исключением того, что в нем конденсатор заменен на интерферометр Фабри-Перо[13], используемый для измерения отклонения диафрагмы. Диафрагма, сформированная методом травления в подложке из монокристаллического кремния, покрыта тонким слоем металла. На нижнюю сторону стеклянной пластины также нанесено металлическое покрытие. Между стеклянной пластиной и кремниевой подложкой существует зазор шириной w, получаемый при помощи двух прокладок. Два слоя металла формируют интерферометр Фабри-Перо с переменным воздушным зазором w, в состав которого входят: подвижное зеркало, расположенное на мембране, меняющее свое положение при изменении давления, и параллельное ему стационарное полупрозрачное зеркало на стеклянной пластине. Поскольку величина w связана с внешним давлением линейной зависимостью, длина волны отраженного излучения меняется при изменении давления. Принцип действия датчика основан на измерении модуляции длины волны, получаемой от сложения падающих и отраженных излучений. Частота периодического интерференционного сигнала определяется шириной рабочей полости интерферометра w, а его период равен l/2w.
Детектор работает как демодулятор, электрический выходной сигнал которого пропорционален приложенному давлению. Он является оптическим компаратором, сравнивающим высоту рабочей камеры датчика давления и толщину виртуальной камеры, сформированной за счет разности высот двух фильтров Фабри-Перо. Когда размеры этих камер равны, ток фотодетектора будет максимальным. При изменении давления происходит косинусная модуляция фототока с периодом, соответствующим половине средней длины волны источника излучения. Фотодиод без фильтра используется в качестве эталонного диода, отслеживающего полную интенсивность света, поступающего на детектор. Его выходное напряжение применяется при последующей обработке сигналов для получения нормированных результатов измерений. Поскольку рассматриваемый датчик давления является нелинейным, он обычно встраивается в микропроцессорную систему, на которую, в частности, возложены функции его линеаризации. Аналогичные оптические
датчики давления реализуются на основе оптоволоконных световодов. Такие датчики незаменимы при проведении измерений в труднодоступных зонах, где использование ВЧ интерферометров невозможно [14].
Вакуумные датчики
При производстве подложек для микроэлектронных устройств, оптических компонентов, а также в ходе проведения химических и других технологических процессов бывает необходимо измерять очень низкие давления. Без таких измерений не обходятся и при проведении некоторых научных экспериментов, например, в космических исследованиях. Термин вакуум означает давление ниже атмосферного, но, как правило, он употребляется в случаях практического полного отсутствия давления газов. Абсолютный вакуум получить невозможно, даже в космическом пространстве нет ни одной зоны, где бы полностью отсутствовала материя.
Вакуум можно измерять и традиционными датчиками, при этом будут регистрироваться отрицательные значения давления по отношению к атмосферному, но это очень неэффективный подход. Обычные датчики давления не могут определять очень низкие концентрации газов из-за низкого отношения сигнал/шум. В отличие от традиционных датчиков давления измерители вакуума работают на совершенно других принципах, которые основываются на некоторых физических свойствах молекул газов и заключаются в определении числа молекул в заданном объеме. К таким физическим свойствам относится теплопроводность, вязкость, ионизация и другие. В этом разделе будут даны краткие описания самых популярных датчиков давления, используемых для измерения вакуума.
Вакууметры Пирани
Вакууметры Пирани — это датчики, измеряющие давление по теплопроводности газа. Этот тип измерителей вакуума был разработан первым. В конструкцию самого простого датчика Пирани входит нагреваемая пластина. Измерение вакуума заключается в определении количества тепла, теряемого этой пластиной, которое зависит от давления газа. В основу принципа действия вакууметра Пирани положено открытие Мариана Ван Смолючовски [15], который установил, что при нагревании объекта его тепловые потери формируются из следующих составляющих:
(10.16)
где Gs — теплоотдача в твердые окружающие предметы, Gr— радиационная теплопередача, а — площадь нагреваемой пластины, к — коэффициент, характеризующий свойства газа, а РT— максимальное давление, которое можно измерить данным датчиком. Первые два члена представляют собой паразитную теплопроводность G0, а третий член соответствует передаче тепла газу Gg. На рис. 10.14А показано влияние различных факторов на тепловые потери нагреваемой пластины. При отсутствии паразитных теплопотерь теплопроводность газа линейно снижается вплоть до абсолютного вакуума. Поэтому при разработке таких устройств всегда стремятся минимизировать факторы, составляющие G0. Для этого
либо используют конструкцию с подвешенной нагреваемой пластиной для уменьшения теплового контакта с корпусом датчика, либо применяют дифференциальный метод снижения влияния G0.
давление, Торр
(А)
давление, Торр
(Б)
Рис. 10.14. А — тепловые потери нагреваемой пластины, Б — передаточная функция вакууметра Пирани
Рис. 10.15. Вакууметр Пирани с термисторами с ОТК, работающими в режиме саморазогрева
Существует несколько конструкций датчиков Пирани, используемых в вакуумной технике. В состав некоторых из них входят две пластины, находящиеся при разных температурах. В таких датчиках давление газа определяется по количеству энергии, затраченной на нагрев пластин. Другие датчики используют только одну пластину, при этом теплопроводность газа измеряется по величине теплопотерь в окружающие стенки. Для измерения температуры в состав датчиков обычно входят либо термопары, либо платиновые терморезисторы. На рис. 10.15 показан дифференциальный вакууметр Пирани. Камера датчика разделена на две идентичные секции. В одной из секций газ находится при эталонном давлении (например, при 1 атм =760 торр), а вторая расположена в вакуумной камере, давление в которой необходимо измерить. В каждой камере есть нагреваемая пластина, которая для уменьшения кондук-тивной теплопередачи через окружающие твердые предметы подвешена на очень тонких соединительных элементах. Желательно, чтобы обе камеры имели одинаковые форму, конструкцию и размеры, для того чтобы кондуктивные и радиационные потери тепла в них были идентичными. Чем симметричнее конструкция камер, тем лучше компенсируются паразитные теплопо-тери G0. Пластины нагреваются при помощи электрических нагревателей. В рассматриваемом датчике нагревательным элементом является термистор с отрицательным температурным коэффициентом (ОТК) (см. главу 16). Сопротивления термисторов равны и имеют сравнительно низкий номинал, поэтому в них возможно протекание процесса саморазогрева Джоуля (см. рис. 16.11 главы 16).
Эталонный термистор Srвключен в схему самобалансирующегося моста, в состав которого входят также резисторы: Rr,R1,R2 и ОУ. Мостовая схема автоматически выводит температуру термистора Srна постоянный уровень Г, определяемый сопротивлениями резисторов моста, на который окружающая температура не оказывает никакого влияния. Отметим, что уравновешивание мостовой схемы осуществляется при помощи цепей как положительной, так и отрицательной ОС, включенных относительно ее плечей. Конденсатор С не допускает возникновения в схеме колебательных режимов. То же самое напряжение Е, которое используется для нагрева эталонной пластины, подается на термистор Sv, расположенный на чувствительной пластине, через резистор Rv, равный резистору Rr. Выходное напряжение снимается относительно чувствительного термистора и моста. Передаточная функция такого датчика показана на рис. 10.14Б. Вакуу-метрам иногда приходится работать с газами, которые могут загрязнить их чувствительную пластину, поэтому в их состав также должны входить соответствующие фильтры.
Ионизационные датчики
Такие датчики напоминают вакуумные лампы, используемые в качестве усилителей в старых радиоприемниках. Ток ионов между пластиной и нитью накаливания почти линейно зависит от плотности молекул (давления) [16,17]. Лампы вакуумных датчиков имеют обратное включение: на сетку подается высокое положительное напряжение, а пластина подсоединяется к низкому отрицательному напряжению. Выходным сигналом ионизационного датчика является ток ионов ip, снимаемый с пластины, пропорциональный давлению и току электронов ig на сетке. В настоящее время используется усовершенствованная модель этого датчика, называемая измерителем Баярда-Алперта [18]. Он обладает большей чувствительностью и стабильностью и может измерять более низкие давления. Его принцип действия аналогичен предыдущему датчику, но измеритель Баярда-Алперта имеет другую конструкцию, в нем пластина заменена на провод, окруженный сеткой, а нить накаливания катода вынесена наружу (рис. 10.16Б).