ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ ТЕНЗОРЕЗИСТИВНОГО ТИПА С ТОНКОПЛЕНОЧНОЙ НАНО- И МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМОЙ Российский патент 2013 года по МПК G01L9/04 B82B1/00 

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике, в частности к датчикам, предназначенным для использования в различных областях науки и техники, связанных с измерением давления в условиях воздействия нестационарных температур и повышенных виброускорений.

Известна конструкция датчика давления тензорезистивного типа с тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системой (НиМЭМС) [1], который предназначен для измерения давления в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды, содержащая корпус, тонкопленочную нано- и микроэлектромеханическую систему, состоящую из упругого элемента в виде круглой жесткозащемленной мембраны, выполненной за одно целое с периферийным основанием, на которой расположены соединенные в мостовую схему окружные и радиальные тензорезисторы, выполненные в виде соединенных тонкопленочными перемычками одинакового количества, имеющих одинаковую форму тензоэлементов, расположенных по окружности на периферии мембраны.

Недостатком известной конструкции является сравнительно большая погрешность при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды. Одной из причин является взаимодействие множества последовательно и встречно включенных термоЭДС, возникающих на границах разделов тензоэлементов и перемычек вследствие случайным образом распределенных по поверхности чувствительного элемента неоднородностей структуры и неидентичности физических характеристик тензоэлементов и перемычек, находящихся в нестационарном температурном поле. Недостатком известной конструкции является сравнительно большая погрешность при воздействии повышенных (более 10000 мс^-2) виброускорений, которые вызывают несимметричное и неравномерное нестационарное температурное поле и, соответственно, аналогичные явления, описанные при воздействии нестационарных температур.

Известен датчик давления тензорезистивного типа с тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системой (НиМЭМС) [2], выбранный в качестве прототипа, содержащий корпус, установленную в нем НиМЭМС, состоящую из упругого элемента - круглой мембраны, выполненной за одно целое с периферийным основанием, сформированной на ней гетерогенной структуры из тонких пленок материалов, в которой образованы включенные соответственно в противоположные плечи измерительного моста воспринимающие деформацию разного знака от измеряемого давления тензорезисторы, выполненные в виде соединенных тонкопленочными перемычками одинакового количества одинаковых квадратных тензоэлементов, расположенных по окружности на периферии мембраны, а характеристики элементов конструкции датчика связаны соотношением.

Недостатком известной конструкции является сравнительно большая погрешность при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды и повышенных (более 10000 мс^-2) виброускорений, а также иногда неудовлетворительная долговременная стабильность и нелинейность из-за несимметричности расположения тензоэлементов относительно нестационарных полей температур, деформаций, а также относительно деформаций от измеряемого давления вследствие отклонения размеров тензоэлементов в слоях, несовмещения слоев, конечного значения радиуса скругления между приемной поверхностью мембраны и внутренней поверхностью опорного основания.

Целью предлагаемого изобретения является уменьшение погрешности измерения датчиков давления тензорезистивного типа с тонкопленочными НиМЭМС при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды и повышенных виброускорений, а также повышение долговременной стабильности и уменьшение нелинейности градуировочной характеристики за счет уменьшения несимметрии расположения тензоэлементов относительно нестационарных полей температур и деформаций, в том числе от измеряемого давления вследствие учета отклонения размеров тензоэлементов в слоях, несовмещения слоев, конечного значения радиуса скругления между приемной поверхностью мембраны и внутренней поверхностью периферийного основания.

Поставленная цель достигается тем, что в датчике давления тензорезистивного типа с тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системой (НиМЭМС), содержащем корпус, установленную в нем НиМЭМС, состоящую из упругого элемента - круглой мембраны, выполненной за одно целое с периферийным основанием, сформированной на ней гетерогенной структуры из тонких пленок материалов, в которой образованы включенные соответственно в противоположные плечи измерительного моста тензорезисторы, выполненные в виде соединенных тонкопленочными перемычками одинакового количества одинаковых квадратных тензоэлементов, расположенных по окружности на периферии мембраны, в соответствии с предлагаемым изобретением тензоэлементы первой пары тензорезисторов, включенных в противоположные плечи измерительного моста, выполнены симметричными между собой относительно взаимно перпендикулярных осей мембраны, проходящих через центры тензорезисторов, и симметричными соответствующим тензоэлементам второй пары тензорезисторов, включенных в противоположные плечи измерительного моста, относительно взаимно перпендикулярных осей мембраны, проходящих через центры контактных площадок, размещенных симметрично относительно взаимно перпендикулярных осей мембраны, проходящих через центры тензорезисторов, а расстояния между тензоэлементами первой пары тензорезисторов равны между собой и равны расстояниям между тензоэлементами второй пары тензорезисторов, при этом центры всех тензоэлементов размещены по окружности, радиус которой r₀ определен по соотношению

где r_м - радиус мембраны; r_с - максимальное значение радиуса скругления между приемной поверхностью мембраны и внутренней поверхностью периферийного основания; X - предельное отклонение размеров по оси X в слоях; Y - предельное отклонение размеров по оси Y в слоях; S - максимально допустимое несовмещение слоев; Т - технологический запас, зависящий от характеристик применяемого оборудования; a - размер стороны квадратного тензоэлемента.

Заявляемая конструкция датчика давления тензорезистивного типа с тонкопленочной НиМЭМС представлена на фиг.1-3. Она содержит корпус 1, установленную в нем НиМЭМС, состоящую из упругого элемента - круглой мембраны 2, выполненной за одно целое с периферийным основанием 3, сформированной на ней гетерогенной структуры 4 из тонких пленок материалов, в которой образованы включенные соответственно в противоположные плечи измерительного моста тензорезисторы R1, R3 и R2, R4, выполненные в виде соединенных тонкопленочными перемычками 5 одинакового количества одинаковых квадратных тензоэлементов 6, расположенных по окружности на периферии мембраны. Тензоэлементы 6 первой пары тензорезисторов R1, R3, включенных в противоположные плечи измерительного моста, выполнены симметричными между собой относительно взаимно перпендикулярных осей 7 и 8 мембраны, проходящих через центры тензорезисторов R1, R3 и R2, R4 и симметричными соответствующим тензоэлементам 6 второй пары тензорезисторов R2, R4, включенных в противоположные плечи измерительного моста, относительно взаимно перпендикулярных осей мембраны 9 и 10, проходящих через центры контактных площадок 11, 12, 13, 14, размещенных симметрично относительно взаимно перпендикулярных осей мембраны 7 и 8, проходящих через центры тензорезисторов R1, R3 и R2, R4. Расстояния между тензоэлементами 6 первой пары тензорезисторов R1 и R3 равны между собой и равны расстояниям между тензоэлементами 6 второй пары тензорезисторов R2 и R4. Таким образом, тензоэлементы находятся на удалении от границы 15 мембраны. Центры 16 всех тензоэлементов 6 размещены по окружности 17, радиус которой r_о определен по заявляемому соотношению.

Датчик давления работает следующим образом. Измеряемое давление воздействует на приемную поверхность мембраны 2. В результате этого на планарной поверхности мембраны 2 возникают радиальные и тангенциальные деформации, которые приводят к изменению сопротивлений, включенных соответственно в противоположные плечи измерительного моста тензорезисторов R1, R3 и R2, R4, выполненных в виде соединенных тонкопленочными перемычками 5 одинакового количества одинаковых квадратных тензоэлементов 6, расположенных по окружности на периферии мембраны. Так как тензоэлементы 6 первой пары тензорезисторов R1, R3, включенных в противоположные плечи измерительного моста, выполнены симметричными между собой относительно взаимно перпендикулярных осей 7 и 8 мембраны, проходящих через центры тензорезисторов R1, R3 и R2, R4, и симметричными соответствующим тензоэлементам 6 второй пары тензорезисторов R2, R4 относительно взаимно перпендикулярных осей мембраны 9 и 10, проходящих через центры контактных площадок 11, 12, 13, 14, размещенных симметрично относительно взаимно перпендикулярных осей мембраны 7 и 8, проходящих через центры тензорезисторов R1, R3 и R2, R4, то тензоэлементы 6 первой пары тензорезисторов R1, R3 и тензоэлементы 6 второй пары тензорезисторов R2, R4 будут подвергаться одинаковым деформациям от измеряемого давления. Кроме того, вследствие вышеуказанного симметричного размещения тензоэлементов 6 первой пары тензорезисторов R1, R3 и тензоэлементов 6 второй пары тензорезисторов R2, R4 они при воздействии нестационарных температур и повышенных виброускорений будут находиться в зонах одинаковых температур и температурных деформаций. Таким образом, вышеуказанное симметричное размещение тензоэлементов первой и второй пары тензорезисторов приводит к одинаковому воздействию на тензоэлементы первой и второй пары тензорезисторов одинаковых деформаций, температур и температурных деформаций в течение всего назначенного срока службы датчика давления, например 20 и более лет, что позволяет уменьшить погрешность от нестационарных температур и повышенных виброускорений, а также обеспечить повышение долговременной стабильности и уменьшение нелинейности градуировочной характеристики НиМЭМС и датчика давления на ее основе.

Дополнительное повышение долговременной стабильности заявляемой конструкции обеспечивается тем, что расстояния между тензоэлементами 6 первой пары тензорезисторов R1 и R3 равны между собой и равны расстояниям между тензоэлементами 6 второй пары тензорезисторов R2 и R4. В этом случае повышение долговременной стабильности датчика достигается за счет идентичности температур всех тензоэлементов от нагрева током питания в течение всего назначенного срока службы датчика давления. Все вышеуказанные соображения справедливы только при осесимметричном распределении деформаций и температур на планарной поверхности мембраны. При реальном изготовлении упругих элементов тонкопленочных НиМЭМС между приемной поверхностью мембраны и внутренней поверхностью периферийного основания образуется радиус скругления, величина которого общем случае определяется конечным радиусом применяемого инструмента. Величина вышеуказанного радиуса часто сравнима с толщиной мембраны и поэтому приводит к существенному искажению распределения деформаций и температур на планарной стороне мембраны. Проведенные экспериментальные исследования показали, что наиболее сильно искажаются распределения деформаций и температур на планарной стороне мембраны в области, находящейся над радиусом скругления и ограниченной половиной радиуса скругления. Поэтому для достижения заявляемого технического результата необходимо, чтобы при всех неблагоприятных сочетаниях тензоэлементы даже частично не находились в области существенного искажения распределения деформаций и температур. С другой стороны тензоэлементы нецелесообразно размещать слишком далеко от границы мембраны и периферийного основания из-за уменьшения в этом случае деформаций от измеряемого давления и увеличения неравномерности термодеформаций. Для определения оптимального местоположения тензоэлементов обратимся к фиг.3. Непосредственно из предыдущих выводов и фиг.3 следует, что оптимальное размещение тензоэлементов достигается при выполнении следующего условия размещения центров тензоэлементов

где r_р - результирующий размер вдоль радиуса мембраны, на котором не должны находиться тензоэлементы;

h - высота сегмента окружности, образованного стороной тензоэлемента и окружностью, проходящей через две вершины тензоэлемента.

В заявляемом решении для исключения нахождения тензоэлементов в области искажения распределения деформаций и температур в результирующий размер необходимо включить предельное отклонение размеров по оси X в слоях, предельное отклонение размеров по оси Y в слоях, максимально допустимое несовмещение слоев, технологический запас, зависящий от характеристик применяемого оборудования. Тогда можно записать

Высоту сегмента окружности, образованного стороной тензоэлемента и окружностью, проходящей через две вершины тензоэлемента, определим в соответствии с [3] по формуле

Подставляя выражения (3) и (4) в соотношение (2) и проведя необходимые преобразования, получим заявляемое соотношение. Полученное соотношение размеров элементов конструкции обеспечивает оптимальное размещение тензоэлементов на планарной поверхности мембраны при всех неблагоприятных сочетаниях технологических отклонений. При этом с одной стороны тензоэлементы даже частично не находятся в области существенного искажения распределения деформаций и температур, а с другой стороны тензоэлементы размещены не слишком далеко от границы мембраны и периферийного основания вне зоны существенного уменьшения деформаций от измеряемого давления и увеличения неравномерности термодеформаций

Таким образом, техническим результатом заявляемого решения является уменьшение погрешности измерения датчиков давления тензорезистивного типа с тонкопленочными НиМЭМС при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды и повышенных виброускорений, а также повышение долговременной стабильности и уменьшение нелинейности за счет уменьшения несимметрии расположения тензоэлементов относительно нестационарных полей температур и деформаций, в том числе от измеряемого давления вследствие учета отклонения размеров тензоэлементов в слоях, несовмещения слоев, конечного значения радиуса скругления между приемной поверхностью мембраны и внутренней поверхностью периферийного основания.

Источники информации:

1. Патент RU №2312319, МПК G01L 9/04. Бюл. №34, 10.12.2007.

2. Патент RU №2391641 МПК G01L 9/04. Бюл. №16, 10.06.2010.

3. Бронштейн И.Н., Семендиев К.А. Справочник по математике. М.: Наука, 1980, 976 с.

Датчик давления с тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системой (НиМЭМС) предназначен для использования при воздействии нестационарных температур и повышенных виброускорений. Датчик давления тензорезистивного типа с тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системой (НиМЭМС) содержит корпус, установленную в нем НиМЭМС, состоящую из круглой мембраны, выполненной за одно целое с периферийным основанием, сформированную на ней гетерогенную структуру из тонких пленок материалов, в которой образованы тензорезисторы, выполненные в виде соединенных тонкопленочными перемычками одинакового количества одинаковых квадратных тензоэлементов. Тензоэлементы первой пары тензорезисторов, выполнены симметричными между собой относительно взаимно перпендикулярных осей мембраны, проходящих через центры тензорезисторов, и симметричными соответствующим тензоэлементам второй пары тензорезисторов, относительно взаимно перпендикулярных осей мембраны, проходящих через центры контактных площадок, размещенных симметрично относительно взаимно перпендикулярных осей мембраны, проходящих через центры тензорезисторов. Расстояния между тензоэлементами первой пары тензорезисторов равны между собой и равны расстояниям между тензоэлементами второй пары тензорезисторов. Центры всех тензоэлементов размещены по окружности, радиус которой r_о определен по соответствующему соотношению. Техническим результатом изобретения является уменьшение погрешности измерения датчиков давления тензорезистивного типа, а также повышение долговременной стабильности и уменьшение нелинейности градуировочной характеристики. 3 ил.

Датчик давления тензорезистивного типа с тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системой (НиМЭМС), содержащий корпус, установленную в нем НиМЭМС, состоящую из упругого элемента - круглой мембраны, выполненной за одно целое с периферийным основанием, сформированной на ней гетерогенной структуры из тонких пленок материалов, в которой образованы включенные соответственно в противоположные плечи измерительного моста тензорезисторы, выполненные в виде соединенных тонкопленочными перемычками одинакового количества одинаковых квадратных тензоэлементов, расположенных по окружности на периферии мембраны, отличающийся тем, что тензоэлементы первой пары тензорезисторов, включенных в противоположные плечи измерительного моста, выполнены симметричными между собой относительно взаимно перпендикулярных осей мембраны, проходящих через центры тензорезисторов, и симметричными соответствующим тензоэлементам второй пары тензорезисторов, включенных в противоположные плечи измерительного моста, относительно взаимно перпендикулярных осей мембраны, проходящих через центры контактных площадок, размещенных симметрично относительно взаимно перпендикулярных осей мембраны, проходящих через центры тензорезисторов, а расстояния между тензоэлементами первой пары тензорезисторов равны между собой и равны расстояниям между тензоэлементами второй пары тензорезисторов, при этом центры всех тензоэлементов размещены по окружности, радиус которой r₀ определен по соотношению

где r_м - радиус мембраны;
r_с - максимальное значение радиуса скругления между приемной поверхностью мембраны и внутренней поверхностью периферийного основания;
Х - предельное отклонение размеров по оси Х в слоях;
Y - предельное отклонение размеров по оси Y в слоях;
S - максимально допустимое несовмещение слоев;
Т - технологический запас, зависящий от характеристик применяемого оборудования;
- размер стороны квадратного тензоэлемента.