ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G01L9/04 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к датчикам, предназначенным для использования в различных областях науки и техники, связанных с измерением давления.

Известна конструкция датчика давления, содержащая корпус, мембрану с утолщенным периферийным основанием, закрепленные на планарной стороне мембраны пары окружных и радиальных тензорезисторов, включенных соответственно в противоположные плечи мостовой измерительной схемы, при этом тензорезисторы каждой пары расположены симметрично относительно взаимо-перпендикулярных осей мембраны, а соответственно каждый окружной тензорезистор и радиальный тензорезистор выполнен в виде нескольких тензоэлементов, соединенных соответствующими низкоомными перемычками, причем каждый тензоэлемент выполнен в форме квадрата и расположен одной своей частью на мембране, а другой на периферийном основании [1]
Недостатком известной конструкции является низкая технологичность. Это связано с тем, что при выполнении фотооригиналов точность задания координат тензоэлементов, стороны которых расположены под углом к осям координат, существенно ниже точности задания координат тензоэлементов, стороны которых параллельны осям координат. В связи с тем, что в известной конструкции преобладающее количество тензоэлементов расположены под различными углами к осям координат, точность задания координат радиальных и окружных тензоэлементов определяется точностью задания координат тензоэлементов, стороны которых расположены под углом к осям координат. Различная точность выполнения размеров тензоэлементов приводит к разбросу сопротивлений тензорезисторов, а следовательно, и разработку начального выходного сигнала мостовой схемы датчика и необходимости дополнительной подгонки площади тензоэлементов или дополнительной настройке датчика, что ухудшает технологичность.

Аналогичным образом к ухудшению технологичности известной конструкции приводит наличие расположенных под различными углами к осям координат низкоомных перемычек и контактных площадок. Кроме того, наличие множества низкоомных перемычек существенно снижает надежность конструкции вследствие пониженной надежности и большого количества зон сопряжения тензорезисторов и низкоомных перемычек, а также вследствие большой поверхности соприкосновения низкоомных перемычек и диэлектрического слоя, приводящей к повышенной вероятности повреждения диэлектрика и снижению сопротивления изоляции.

Наличие большого количества сравнительно тонких низкоомных перемычек приводит также к повышенному сопротивлению этих перемычек и, учитывая значительный их ТКС к существенной температурной флуктуации сопротивлений перемычек, а, следовательно, к необходимости более тщательной температурной настройки датчика, т.е. к ухудшению технологичности. Кроме того, повышение сопротивления перемычек, обладающих значительным ТКС, приводит к большой инерционности при прогреве током питания вследствие повышенного времени переходных процессов.

Известна конструкция датчика давления, выбранная в качестве прототипа, содержащая корпус, мембрану с утолщенным периферийным основанием, закрепленные на планарной стороне мембраны первую пару радиальных и вторую пару окружных тензорезисторов, включенных соответственно в противоположные плечи мостовой измерительной схемы, при этом одна из сторон каждого тензорезистора параллельна одной из взаимоперпендикулярных осей мембраны [2]
Недостатком известной конструкции является низкая технологичность. Это связано с тем, что выполнение тензорезисторов в виде отдельных тензоэлементов со сравнительно небольшими размерами приводит к пониженной точности сопротивлений тензоэлементов, а, следовательно, и тензорезисторов в целом. А пониженная точность формирования тензорезисторов приводит к необходимости тщательной настройки датчиков.

Выполнение в известной конструкции низкоомных перемычек различной конфигурации и площади увеличивает разброс сопротивлений перемычек, включенных в различные плечи мостовой схемы, что также усиливает необходимость дополнительной настройки датчика и снижает технологичность. Кроме того, наличие множества низкоомных перемычек существенно снижает надежность конструкции вследствие пониженной надежности и большого количества зон сопряжения тензорезисторов и низкоомных перемычек, а также вследствие большой поверхности соприкосновения низкоомных перемычек и диэлектрического слоя, на котором они находятся, приводящей к повышенной вероятности повреждения диэлектрика и снижению сопротивления изоляции. Наличие большого количества сравнительно тонких низкоомных перемычек приводит также к повышению сопротивления этих перемычек, а учитывая значительный их ТКС и временную нестабильность, к существенной температурной и временной флуктуации сопротивлений перемычек, а, следовательно, к снижению надежности датчика и к необходимости более тщательной температурной настройки датчика, т.е. ухудшению технологичности.

Согласно изобретению в датчике давления, содержащем корпус, мембрану с утолщенным периферийным основанием, закрепленные на планерной стороне мембраны первую пару радиальных и вторую пару окружных тензорезисторов, включенных соответственно в противоположные плечи мостовой измерительной схемы, при этом одна из сторон каждого тензорезистора параллельна одной из взаимоперпендикулярных осей мембраны, тензорезисторы выполнены в виде идентичных прямоугольных полос, причем тензорезисторы первой пары расположены на минимальном расстоянии от центра, а тензорезисторы второй пары расположены симметрично тензорезисторам первой пары на удалении от тензорезисторов первой пары. Кроме того, согласно изобретению контактные площадки тензорезисторов соединены между собой выводимыми проводниками. Кроме того, согласно изобретению один из тензорезисторов первой пары и наиболее удаленный от него тензорезистор второй пары размещены со сдвигом вдоль их длины на одинаковую величину относительно другого тензорезистора первой пары и наиболее удаленного от него тензорезистора второй пары. Кроме того, согласно изобретению величина сдвига одного из тензорезисторов первой пары и наиболее удаленного от него тензорезистора второй пары относительно другого тензорезистора первой пары и наиболее удаленного от него тензорезистора второй пары равна

где L длина тензорезистора;
a расстояние между тензорезисторами первой пары;
b расстояние между тензорезистором первой пары и ближайшим к нему тензорезистором второй пары.

Для обоснования наличия причинно-следственной связи между совокупностью признаков и достигаемым техническим эффектом рассмотрим более подробно конструкцию предлагаемого датчика давления. Тензорезисторы выполнены в виде идентичных прямоугольных полос для обеспечения идентичности значений их сопротивлений, что повышает технологичность, т.к. упрощает настройку и для минимизации количества сопряжений тензорезистор-перемычка, что повышает надежность вследствие исключения промежуточных сопряжений с пониженной надежностью и повышает технологичность вследствие существенного упрощения настройки за счет исключения элементов с большим и нестабильным ТКС. Расположение тензорезисторов первой пары на минимальном расстоянии от центра, а тензорезисторов второй пары симметрично тензорезисторам первой пары на удалении от тензорезисторов первой пары позволяет повысить технологичность вследствие упрощения настройки за счет обеспечения достаточной чувствительности тензорезисторной мостовой схемы. Соединение контактных площадок между собой выводимыми проводниками позволяет повысить технологичность вследствие упрощения настройки за счет существенного уменьшения величины сопротивлений перемычек, а, следовательно и уменьшения их разброса. Показать уменьшение сопротивлений перемычки можно при сравнении поперечного сечения перемычки в виде тонкопленочного и выводного проводников, выполненных в типичных размерах. Например, обычно толщина тонкопленочной перемычки не превышает 1 мкм, ширина редко превышает 100 мкм. Тогда поперечное сечение тонкопленочной перемычки равно 100 мкм². Поперечное сечение выводного проводника диаметром 50 мкм (наиболее широко используемого при изготовлении тонкопленочных датчиков) составляет 1962 мкм². Таким образом, площадь выводного проводника почти в 20 раз больше тонкопленочного проводника. Учитывая, что вследствие более рыхлой структуры проводимость тонкопленочного проводника значительно хуже проводимости выводного проводника, можно сделать вывод о значительном уменьшении сопротивления выводного проводника по сравнению с сопротивлением тонкопленочного проводника. Более низкое сопротивление выводного проводника обеспечивает, кроме того, повышенную временную и температурную стабильность их значений сопротивлений, что еще более повышает технологичность и надежность. В заявляемой конструкции надежность повышается также вследствие уменьшения площади поверхности сопряжения выводных проводников и диэлектрической пленки, на которой они расположены, что приводит к существенному уменьшению вероятности повреждения диэлектрика и повышению сопротивления изоляции. Первая контактная площадка каждого тензорезистора первой пары соединена с ближайшей контактной площадкой наиболее удаленного тензорезистора второй пары, а вторая контактная площадка каждого тензорезистора первой пары соединена с наиболее удаленной контактной площадкой ближайшего тензорезистора второй пары для обеспечения близости величин сопротивлений всех перемычек, а, следовательно, для дальнейшего повышения технологичности вследствие упрощения настройки и надежности вследствие уменьшения влияния различных сопротивлений перемычек, включенных в различные плечи мостовой схемы. Один из тензорезисторов первой пары и наиболее удаленный от него тензорезистор второй пары размещены со сдвигом вдоль их длины на одинаковую величину относительно другого тензорезистора первой пары и наиболее удаленного от него тензорезистора второй пары для обеспечения, при прочих равных условиях, более одинаковой величины сопротивлений перемычек, включенных в различные плечи мостовой схемы, а, следовательно, для повышения технологичности вследствие упрощения настройки и надежности, вследствие уменьшения влияний различных сопротивлений перемычек на временную и температурную стабильность датчика.

На фиг.1, 2 показана конструкция датчика давления.

Соотношения между размерами элементов конструкции для наглядности изменены. Датчик давления содержит корпус 1, мембрану 2 с утолщенным периферийным основанием 3, закрепленные на планарной стороне мембраны пару радиальных 4, 5 и пару окружных 6, 7 резисторов, включенных соответственно в противоположные плечи мостовой измерительной схемы. При этом одна из сторон каждого тензорезистора параллельна одной из взаимно перпендикулярных осей 8 и 9 мембраны. Тензорезисторы выполнены в виде идентичных прямоугольных полос, причем тензорезисторы первой пары 4 и 5 расположены на минимальном расстоянии от центра мембраны, а тензорезисторы второй пары 6 и 7 расположены симметрично тензорезисторам первой пары на удалении от тензорезисторов первой пары. Контактные площадки 10-17 тензорезисторов соединены между собой выводными проводниками 18. Первая контактная площадка каждого тензорезистора первой пары (контактная площадка 13 тензорезистора 4 и контактная площадка 17 тензорезистора 5) соединены с ближайшей контактной площадкой наиболее удаленного тензорезистора второй пары (контактная площадка 13 тензорезистора 4 соединена с контактной площадкой 14 тензорезистора 7 и контактная площадка 17 тензорезистора 5 соединена с контактной площадкой 10 тензорезистора 6). Вторые контактные площадки 16 и 12 тензорезисторов 4 и 5 соединены с наиболее удаленными контактными площадками 15 и 11 ближайших тензорезисторов второй пары 7 и 6. Один из тензорезисторов первой пары 4 и наиболее удаленный от него тензорезистор 7 второй пары размещены со сдвигом вдоль их длины на одинаковую величину относительно другого тензорезистора первой пары и наиболее удаленного от него тензорезистора второй пары. Например, при L 2 мм, a 0,6 мм, b 2 мм величина сдвига в соответствии с заявляемым соотношением h 0,78 мм.

Датчик давления работает следующим образом.

На контактные площадки 10, 14 при помощи выводных проводников 18 подается напряжение питания.

Измеряемое давление воздействует на мембрану 2. В результате этого мембрана 2 деформируется. Деформация мембраны воспринимается размещенными на мембране тензоэлементами 4-7. Изменения сопротивлений тензоэлементов, вызванные деформацией мембраны, преобразуются мостовой схемой, в которую включены тензорезисторы, в выходное напряжение, снимается с контактных площадок 11, 15 при помощи выводных проводников 18. В связи с повышенной точностью выполнения тензорезисторов в заявляемой конструкции существенно уменьшается трудоемкость настройки, а, следовательно, повышается технологичность. Вследствие выполнения перемычек в виде выводных проводников, имеющих значительно меньшее и, кроме того, одинаковые сопротивления, также упрощена настройка датчика (т. е. повышается технологичность) и уменьшается площадь поверхности соприкосновения перемычек и диэлектрической пленки, что уменьшает вероятность ее повреждения, а, следовательно, повышает надежность. Кроме того, вследствие уменьшенных значений сопротивлений перемычек по сравнению с прототипом и принципиально меньших значений ТКС и временных флуктуаций выводных проводников по сравнению с тонкопленочными перемычками, выполненными из такого же материала, комплексно повышается надежность и технологичность заявляемой конструкции.

Использование: изобретение относится к датчикам давления и может быть использовано в различных отраслях науки и техники для измерения давления. Сущность изобретения: датчик давления содержит мембрану 2 с первой парой радиальных резисторов 4, 5 и второй парой окружных резисторов 6, 7, включенных в измерительную мостовую схему. Резисторы выполнены в виде идентичных прямоугольных полос, резисторы 6, 7 второй пары расположены симметрично резисторам 4, 5 первой пары на удалении. Первая контактная площадка 13, 17 каждого тензорезистора первой пары соединена проводником 18 с ближайшей контактной площадкой 14, 10 наиболее удаленного тензорезистора второй пары. Вторые контактные площадки 16 и 12 тензорезисторов первой пары соединены с наиболее удаленными контактными площадками 15 и 11 ближайшего тензорезистора второй пары. Тензорезистор 4 и тензорезистор 7 размещены со сдвигом h вдоль их длины на одинаковую величину относительно тензорезисторов 5 и 6. Величина h сдвига определяется по определенной зависимости. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Датчик давления, содержащий корпус, мембрану с утолщенным периферийным основанием, закрепленные на планарной стороне мембраны первую пару радиальных и вторую пару окружных тензорезисторов с контактными площадками, включенные соответственно в противоположные плечи мостовой измерительной схемы, при этом одна из сторон каждого тензорезистора параллельна одной из взаимоперпендикулярных осей мембраны, отличающийся тем, что тензорезисторы выполнены в виде идентичных прямоугольных полос, причем тензорезисторы первой пары расположены на минимальном расстоянии от центра, а тензорезисторы второй пары симметрично тензорезисторам первой пары на удалении от них. 2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что контактные площадки тензорезисторов соединены между собой выводными проводниками. 3. Датчик по пп.1 и 2, отличающийся тем, что первая контактная площадка каждого тензорезистора первой пары соединена с ближайшей контактной площадкой наиболее удаленного тензорезистора второй пары, а вторая контактная площадка каждого тензорезистора первой пары соединена с наиболее удаленной контактной площадкой ближайшего тензорезистора второй пары. 4. Датчик по пп.1 3, отличающийся тем, что один из тензорезисторов первой пары и наиболее удаленный от него тензорезистор второй пары размещены с продольным сдвигом на одинаковую величину относительно другого тензорезистора первой пары и наиболее удаленного от него тензорезистора второй пары. 5. Датчик по пп.1 4, отличающийся тем, что величина сдвига h одного из тензорезисторов первой пары и наиболее удаленного от него тензорезистора второй пары относительно другого тензорезистора первой пары и наиболее удаленного от него тензорезистора второй пары равна

где L длина тензорезистора;
а расстояние между тензорезисторами первой пары;
b расстояние между тензорезисторами первой пары и ближайшим к нему тензорезистором второй пары.