ТОНКОПЛЕНОЧНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК G01L9/04 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к тонкопленочным датчикам давления, предназначенным для измерения давления агрегатов ЖРД в условиях воздействия нестационарной и повышенной температуры измеряемой среды.

Известен тонкопленочный датчик давления, содержащий вакуумированный корпус, в котором установлен металлический упругий элемент в виде колпачковой мембраны со слоями диэлектрика с тензорезисторами и теплоизолирующего покрытия, толщина которого выбирается в зависимости от соотношения толщин цилиндрической части и мембраны [1]
Недостатком известной конструкции является сложность формирования теплоизолирующего покрытия. Кроме того, довольно трудно подобрать теплоизоли- рующее покрытие с требуемыми теплофизическими свойствами и необходимой стойкостью к воздействию агрессивных компонентов ракетного топлива или окислителя. Недостатком известной конструкции является также значительный перегрев тензорезисторов от тока питания особенно при воздействии повышенной температуры вследствие недостаточного теплоотвода от центральных тензорезисторов из-за большого термического сопротивления тонкой металлической мембраны.

Наиболее близкими по технической сущности и достигаемому положительному эффекту к предлагаемому является тонкопленочный датчик давления, содержащий металлический упругий элемент в виде выполненной за одно целое с опорным основанием круглой жесткозащемленной мембраны с диэлектриком, на поверхности которого расположены симметрично одной из осей мембраны центральные резисторы и периферийные резисторы, выполненные в виде участков, симметрично расположенных относительно этой же оси, а также дополнительные центральные и периферийные термокомпенсационные резисторы, расположенные на расстоянии от тензорезисторов, определенном расстоянием от центра мембраны до наиболее и наименее удаленной от центра мембраны точки центрального тензорезистора [2]
Недостатком известного тонкопленочного датчика давления является значительный перегрев тензорезисторов от тока питания особенно при воздействии повышенной температуры вследствие недостаточного теплоотвода от центральных резисторов из-за большого термического сопротивления тонкой металлической мембраны. Другим недостатком известного технического решения является недостаточная чувствительность, обусловленная неоптимальной конфигурацией и неоптимальным местоположением тензорезисторов. Кроме того, аддитивная температурная погрешность при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды также весьма существенна из-за расположения центральных резисторов в зоне максимального изменения температурного поля и поля температурных деформаций на мембране.

Целью изобретения является повышение точности измерения за счет уменьшения аддитивной температурной погрешности при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды путем расположения тензорезисторов в зоне минимального изменения температурного поля и поля температурных деформаций на мембране и сосредоточения большего сопротивления тензорезисторов в этой зоне, а также повышение чувствительности за счет расположения периферийных тензорезисторов в зоне максимальных радиальных деформаций и за счет расположения центральных тензорезисторов в зоне суммарного действия радиальных и тангенциальных деформаций.

Для достижения этой цели усовершенствуется известный тонкопленочный датчик давления, содержащий металлический упругий элемент в виде выполненной за одно целое с опорным основанием круглой жесткозаземленной мембраны с диэлектриком, на поверхности которого расположены симметрично относительно одной из осей мембраны центральные тензорезисторы в виде части круговых колец и периферийные тензорезисторы, выполненные в виде участков, симметрично расположенных относительно этой же оси.

Отличительными признаками предлагаемого тонкоплечного датчика давления является то, что в нем периферийные тензорезисторы выполнены в виде равнобедренных трапеций, расположенных вдоль радиусов мембраны, с основаниями в виде частей окружностей, центры которых совпадают с центром мембраны, и малыми основаниями, совпадающими с контуром мембраны.

Отличительными признаками предлагаемого тонкопленочного датчика давления является также то, что ширина С периферийных тензорезисторов удовлетворяет соотношению
C C1 + K ·(R-R_i) (1) где С_о минимальная ширина периферийного тензорезистора;
Н толщина опорного основания;
R радиус мембраны;
h толщина мембраны;
R_i расстояние от центра мембраны до наибольшего основания периферийного резистора;
К коэффициент пропорциональности, зависящий от геометрических размеров, электрических и теплофизических характеристик мембраны, определяемый экспериментальным путем, причем ширина центральных тензорезисторов равна ширине периферийных тензорезисторов в месте расположения средней линии центральных тензорезисторов, расстояние от которой до центра мембраны удовлетворяет соотношению
R_сл= R (R-R_i)· (2)
На фиг.1 и 2 изображен предлагаемый тонкопленочный датчик давления.

Он содержит металлический упругий элемент 1, из сплава 70НХБМЮ в виде выполненной за одно целое с опорным основанием круглой жесткозамещенной мембраны 2 с диэлектриком 3 толщиной 0,7-1 мкм, на поверхности котоpого расположены симметрично относительно одной из осей мембраны центральные тензорезисторы 4 и периферийные тензорезисторы 5 в виде участков, симметрично расположенных относительно этой же оси. Центральные тензорезисторы выполнены в виде части круговых колец, равноудаленных от края мембраны. Периферийные тензорезисторы выполнены в виде равнобедренных трапеций, расположенных вдоль радиусов мембраны, с основаниями в виде частей окружностей, центры которых совпадают с центром мембраны, и малыми основаниями, примыкающими к краю мембраны.

Ширина периферийных тензорезистров удовлетворяет заявляемому соотношению. Ширина центральных тензорезисторов равна ширине периферийных тензорезисторов в месте расположения средней линии центральных тензорезисторов. Расстояние от средней линии центральных тензорезисторов выбрано в соотношении с заявляемым соотношением. Контактные площадки 6 выполнены из материала с малым поверхностным сопротивлением, например золота или молибдена, и предназначены для подачи на тензорезисторы напряжения питания и съема с них выходного сигнала. Перемычки 7 выполнены также из золота или молибдена и предназначены для получения замкнутой мостовой схемы. Тензорезисторы выполнены из высокостабильного материала П65ХС.

Тонкопленочный датчик давления работает следующим образом.

Измеряемое давление воздействует на мембрану со стороны, противоположной расположению тензосхемы. В мембране возникают напряжения и деформации, изображенные на фиг.3. Различают радиальные ε_r т.е. направленные вдоль радиуса, и тангенциальные ε_τ т.е. направленные перпендикулярно радиусу мембраны. Так как периферийные тензорезисторы расположены по радиусу мембраны и находятся на периферии, то их сопротивления под воздействием радиальных деформаций, направленных вдоль тензорезисторов будут уменьшаться. Растягивающие тангенциальные деформации, направленные перпендикулярно периферийным тензорезисторам, приводят к дальнейшему уменьшению сопротивления. Так как центральные тензорезисторы выполнены в виде части круговых колец, равноудаленных от края мембраны, то под воздействием растягивающих тангенциальных деформаций, направленных вдоль тензорезисторов, и сжимающих радиальных деформаций, направленных перпендикулярно центральным тензорезисторам, их сопротивление увеличивается. Изменения сопротивлений преобразуются мостовой схемой в выходной сигнал, который при помощи выводных проводников, присоединенных к контактным площадкам, подается на выход датчика. При воздействии на приемную полость датчика нестационарной температуры измеряемой среды, например, термоудара от нормальной температуры до температуры порядка -200^оС наиболее характерном режиме работы датчиков в агрегатах ЖРД на мембране вследствие разной толщины мембраны и опорного основания возникают неравномерное поле температур и неравномерное поле температурных деформаций.

На фиг. 4 приведены зависимости среднеинтегральных температур t_ci и среднеинтегральных температурных деформаций ε_ti в зависимости от отношения расстояния от центра мембраны к ее радиусу в первый момент времени при воздействии жидкого азота с температурой -196^оС. На фиг.4 Т_c -200^оС. Вследствие того, что тензорезисторы расположены таким образом, что воспринимают только минимальные измерения температурного поля и поля температурных деформаций, то реакция датчика давления на воздействие термоудара будет пониженной.

Центральные тензорезисторы выполнены в виде части круговых колец, равноудаленных от края мембраны, так как, во-первых, в этом случае, как было показано ранее, их сопротивление при воздействии измеряемого давления увеличится за счет суммарного воздействия тангенциальных и радиальных деформаций, во-вторых, только в этом случае все части центральных резисторов будут в одинаковых условиях теплоотдачи выделяемой мощности от разогрева питающим током, а в-третьих, только в этом случае все части центральных тензорезисторов будут находиться в условиях воздействия минимальных и одинаковых изменений температурного поля и поля температурных деформаций.

Периферийные тензорезисторы выполнены в виде равнобедренных трапеций, расположенных вдоль радиусов мембраны с основаниями в виде частей окружностей, центры которых совпадают с центром мембраны для улучшения условий теплоотдачи.

В связи с тем, что толщина мембраны существенно меньше опорного основания (в реальных конструкциях не менее чем в 5-10 раз) тензорезисторы и их части, расположенные дальше от края мембраны, будут иметь худшие условия охлаждения, по сравнению с тензорезисторами и их частями, расположенными ближе к краю мембраны.

Поэтому для выравнивания температуры отдельных частей тензорезисторов необходимо изменить выделяемую мощность в зависимости от расстояния участка периферийного резистора от края мембраны. Так как выделяемая мощность при одинаковом токе через резистор пропорциональна его сопротивлению, то изменяя сопротивление периферийного тензорезистора в зависимости от расстояния от края мембраны, можно добиться такого состояния, чтобы температура отдельных участков периферийных тензорезисторов при питании их одинаковым током была примерно одинакова.

Таким образом, изменяя ширину периферийных тензорезисторов, можно изменять сопротивление отдельных участков. Так как большая часть сопротивления периферийных тензорезисторов сосредоточена на краю мембраны, то условия теплоотдачи периферийных тензорезисторов улучшатся. Кроме того, сосредоточение большей части периферийных тензорезисторов на краю мембраны позволяет увеличить чувствительность к измеряемому давлению за счет того, что на краю мембраны радиальные деформации максимальны. Сосредоточение большей части периферийных тензорезисторов на краю мембраны также позволяет уменьшить аддитивную температурную погрешность датчика при воздействии термоудара, так как большая часть сопротивления периферийных тензорезисторов сосредоточена в области наименьших изменений температурного поля и поля температурных деформаций. Экспериментально обнаружено, что чем больше отношение толщины опорного основания и толщины мембраны и чем больше отношение разницы между радиусом мембраны и расстоянием от центра мембраны до наибольшего основания периферийного резистора к радиусу мембраны, тем больше отношение максимальной и минимальной ширины периферийного тензорезистора, необходимое для сохранения равномерности распределения температуры перегрева тензорезистора по его длине. Причем это соотношение зависит также от геометрических размеров, теплофизических характеристик применяемых материалов и некоторых других факторов, которые довольно трудно учесть аналитически. В связи с этим коэффициент пропорциональности необходимо определить экспериментальным путем для конкретного датчика давления. Ширина центральных тензорезисторов выбрана равной ширине периферийных тензорезисторов в месте расположения средней линии центральных тензорезисторов для обеспечения одинаковой выделяемой мощности и теплоотдачи центральных и периферийных тензорезисторов. Расстояние от средней линии центральных резисторов до центра мембраны выбрано исходя из следующих соображений. С целью обеспечения одинаковой теплоотдачи центральных и периферийных тензорезисторов необходимо, чтобы центр мощности, выделяемой в центральном тензорезисторе (аналогичный центру тяжести для плоской фигуры), находился на одинаковом расстоянии от центра, по сравнению с центром мощности, выделяемой на периферийном тензорезисторе. Известно, что центр тяжести равнобедренной трапеции отстоит от большего основания на величину, определяемую соотношением
h_a= h (3) где h высота пирамиды;
а размер большего основания;
b размер меньшего основания.

Учитывая, что сопротивление тензорезисторов обратно пропорционально их ширине, получим
a b (4) где K_R коэффициент пропорциональности.

После подстановки получим
h_a= h (5)
После элементарных преобразований получим
h_a= (6)
Учитывая соотношения размеров, указанные на фиг. 1 и 9, получим требуемое соотношение (2).

Для экспериментальной проверки заявляемого решения была изготовлена партия тонкопленочных датчиков давления со следующими параметрами: толщина опорного основания 1,5 мм, толщина мембраны 0,3 мм, радиус мембраны R 2,5 мм, длина участка периферийного тензорезистора R R_i 1 мм, минимальная ширина периферийных тензорезисторов С_о 0,180 мм. Максимальная ширина периферийных тензорезисторов С₁ 0,24 мм, С₂ 0,28 мм, С₃ 0,32 мм, С₄ 0,36 мм, С₅ 0,40 мм, С₆ 0,44 мм. Соответствующие им коэффициенты равны 0,2666; 0,3111; 0,3555; 0,4; 0,4444; 0,4888.

Аддитивная температурная погрешность этих датчиков при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды от 25 ± 10^оС до -196^оС на приемные полости приведена в таблице. В таблице приведена также чувствительность этих датчиков в нормальных условиях. Напряжение питания датчиков 12 В.

Из таблицы видно, что для данной конструкции оптимальным является значение между К=0,4 и К=0,4444.

У тонкопленочного датчика давления Bm 212 А, разработанном в соответствии с прототипом, аддитивная температурная погрешность при тех же режимах испытаний составляет 4-6% а чувствительность при напряжении питания 6 В составляет 0,15 мВ/В х МПа. Кроме того, напряжение питания датчика Вm 212 А не превышает 6 В, а заявляемый датчик работает без ухудшения характеристик при напряжении питания 12 В.

При напряжении питания 6 В предлагаемый датчик давления работает при температуре окружающей среды до 400^оС, а известный не более чем при 300^оС.

Таким образом, технико-экономическим преимуществом заявляемого решения является уменьшение аддитивной температурной погрешности при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды в 2-3 раза за счет расположения тензорезисторов в зоне примерно одинакового изменения температурного поля и поля температурных деформаций на мембране и сосредоточения большей части сопротивления периферийных тензорезисторов в зоне минимального изменения температурного поли и поля температурных деформаций. Преимуществом заявляемой конструкции является также повышение чувствительности в 1,25-1,5 раза за счет расположения периферийных и центральных тензорезисторов в зоне суммарного воздействия радиальных и тангенциальных деформаций и за счет расположения большей части сопротивления периферийных тензорезисторов в зоне максимального изменения радиальных деформаций.

Преимуществом заявляемой конструкции является также возможность эксплуатации при повышенном в два раза напряжении питания или повышенной на 100^оС температуры измеряемой среды за счет улучшения и выравнивания теплоотдачи от центральных и периферийных резисторов и за счет сосредоточения большей части сопротивления периферийных тензорезисторов непосредственно у заделки.

Использование: в измерительной технике, в частности для измерения давления с помощью тензорезисторного датчика в условиях воздействия на датчик нестационарной температуры измеряемой среды. Сущность изобретения: в датчике давления, содержащем мембрану 2 с диэлектриком 3, на котором расположены центральные тензорезисторы 4 в виде части колец, равноудаленных от контура мембраны, и периферийные тензорезисторы. Последние выполнены в виде равнобедренных трапеций, продольные оси которых расположены по радиусу мембраны с основаниями, выполненными по дуге соответствующей окружности, а малое основание совпадает с контуром мембраны, при этом ширина периферийных тензорезисторов определяется из определенного соотношения. 1 з.п. ф-лы, 4 ил. 1 табл.

1. ТОНКОПЛЕНОЧНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ, содержащий металлический упругий элемент в виде выполненной за одно целое с опорным основанием круглой жесткозащемленной мембраны с диэлектриком, на котором расположены симметрично относительно одной из осей мембраны центральные тензорезисторы в виде части круговых колец, равноудаленных от контура мембраны, и периферийные тензорезисторы в виде участков, симметрично расположенных относительно этой же оси, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и точности измерения, периферийные тензорезисторы выполнены в виде равнобедренных трапеций, продольные оси которых расположены по радиусу мембраны, с основаниями, выполненными по дуге соответствующей окружности, а малое основание совпадает с контуром мембраны. 2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что ширина с периферийных тензорезисторов удовлетворяет соотношению

где C₀ минимальная ширина периферийного тензорезистора;
H толщина опорного основания;
R, h радиус и толщина мембраны;
R_i расстояние от центра мембраны до наибольшего основания периферийного резистора;
K коэффициент пропорциональности;
причем ширина центральных тензорезисторов равна ширине периферийных тензорезисторов в месте расположения средней линии центральных тензорезисторов, расстояние R_сл от которой до центра мембраны удовлетворяет соотношению:

Примечание: корректировка формулы носит характер редактирования и не затрачивает существа изобретения.