Датчик давления тензорезистивного типа с тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системой Российский патент 2018 года по МПК G01L9/04 

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) [RU Патент №2312319, МПК G01L 9/04. Бюл. №34. 10.12.2007], который предназначен для измерения давления в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды и повышенных виброускорений, содержащая корпус, НиМЭМС, состоящую из упругого элемента в виде круглой жесткозащемленной мембраны, выполненной за одно целое с 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, выводные проводники, соединяющие тензорезисторы с гермовыводами.

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 термоэлектрических неоднородностей структуры и неидентичности физических характеристик тензоэлементов и перемычек, находящихся в нестационарном температурном поле. Недостатком известной конструкции является также сравнительно большая погрешность при воздействии повышенных (более 30000 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 НиМЭМС, выбранный в качестве прототипа [RU Патент 2463570, МПК В82В 1/00. Бюл. №28. 10.10.2012], 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 имеющих одинаковую форму тензоэлементов, расположенных по окружности на периферии мембраны, измерительные и питающие электрические цепи, соединяющие тонкопленочную НиМЭМС с выходом датчика, и характеристики элементов конструкции датчика связаны соотношением, а на периферийном основании со стороны подачи измеряемой среды симметрично продольной оси датчика размещена внутри периферийного основания с зазором относительно мембраны и периферийного основания цилиндрическая втулка с цилиндрическим отверстием вдоль ее оси.

Недостатком известной конструкции является сравнительно большая погрешность при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды и повышенных (более 30000 мс^-2) виброускорений, которые вызывают несимметричные и неравномерные нестационарные температурные поля, которые вследствие неоптимальности и невозможности учета соотношений характеристик всех элементов конструкции датчиков давления тензорезистивного типа с тонкопленочными НиМЭМС приводят к появлению нескомпенсированной термоэдс.

Целью предлагаемого изобретения является уменьшение погрешности измерения датчика давления тензорезистивного типа с тонкопленочной НиМЭМС в условиях воздействия нестационарных температур и повышенных виброускорений за счет уменьшения влияния суммарной интегральной термоэдс на выходной сигнал датчика путем увеличения информативной составляющей выходного сигнала датчика, зависящей от измеряемого давления и уменьшения влияния нестационарной температуры измеряемой среды путем уменьшения скорости ее изменения на мембране.

Поставленная цель достигается тем, что в датчике давления тензорезистивного типа с тонкопленочной 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 образованны включенные соответственно в противоположные плечи измерительного моста воспринимающие деформацию разного знака от измеряемого давления тензорезисторы, выполненные в виде соединенных тонкопленочными перемычками одинакового количества имеющих одинаковую форму тензоэлементов, расположенных по окружности на периферии мембраны, измерительные и питающие электрические цепи, соединяющие тонкопленочную НиМЭМС с выходом датчика, а на периферийном основании со стороны подачи измеряемой среды симметрично продольной оси датчика размещена внутри периферийного основания с зазором относительно мембраны и периферийного основания цилиндрическая втулка с цилиндрическим отверстием вдоль ее оси, в соответствии с предлагаемым изобретением в отверстии цилиндрической втулки размещен винт с наружным диаметром, обеспечивающим плотное закрепление винта во втулке с образованием винтового канала для измеряемой среды, ограниченного внутренней поверхностью цилиндрической втулки и наружной поверхностью винта, выполненной в виде однозаходной трапециидальной резьбы с шагом, определяемым по соотношению

S=K_SL_B,

где K_S - коэффициент связи шага резьбы и длины винта;

L_B - длина винта;

K_S=0,1±0,03.

Кроме того, в соответствии с предлагаемым изобретением напряжение питания датчика выбирается равным максимально допустимой величине, определенной в результате последовательного увеличения напряжения питания, проведения испытаний датчика, по определению основной статической погрешности и приведенной погрешности от нелинейности датчика при каждом повышении напряжения и определении его максимального значения, при котором выполняются условия

где γ_0g - основная статическая погрешность датчика при g-ом повышенном напряжении;

γ₀ - основная статическая погрешность датчика при номинальном напряжении питания;

|±Δγ_0g| - допустимое отклонение основной статической погрешности при g-ом напряжении питания от основной статической погрешности при номинальном напряжении питания;

γ_нg - приведенное значение погрешности от нелинейности при g-ом напряжении питании;

|±Δγ_нg| - допустимое отклонение приведенной погрешности от нелинейности при g-ом напряжении питания от приведенной погрешности от нелинейности при номинальном напряжении питания.

Заявляемая конструкция датчика давления тензорезистивного типа с тонкопленочной НиМЭМС представлена на фиг. 1. 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 образованны включенные соответственно в противоположные плечи измерительного моста воспринимающие деформацию разного знака от измеряемого давления тензорезисторы, выполненные в виде соединенных тонкопленочными перемычками одинакового количества имеющих одинаковую форму тензоэлементов, расположенных по окружности на периферии мембраны. Измерительные 5 и питающие 6 электрические цепи соединяют тонкопленочную НиМЭМС с выходом датчика. На периферийном основании со стороны подачи измеряемой среды симметрично продольной оси датчика плотно закреплена и размещена внутри периферийного основания с зазором относительно мембраны и периферийного основания в области, прилегающей к мембране, цилиндрическая втулка 7 с цилиндрическим отверстием 8 вдоль ее оси. В отверстии 8 цилиндрической втулки размещен винт 9 с наружным диаметром, обеспечивающим плотное закрепление винта во втулке с образованием винтового канала для измеряемой среды, ограниченного внутренней поверхностью цилиндрической втулки и наружной поверхностью винта.

Для обоснования наличия причинно-следственной связи между совокупностью признаков и достигаемым техническим результатом рассмотрим более подробно выходной сигнал датчика давления тензорезистивного типа с тонкопленочной НиМЭМС в условиях воздействия нестационарных температур измеряемой, окружающей среды, повышенных виброускорений и давления измеряемой среды. Выходной сигнал датчика в этом случае будет равен

где U(P) - информативный сигнал, зависит от измеряемого давления;

±ΔU - неинформативный сигнал, зависит от нестационарных температур, в том числе вызванных повышенными виброускорениями, не зависит от измеряемого давления. Величина ± ΔU по аналогии с прототипом определяется по соотношению (2).

где 4 - количество тензорезисторов в мостовой измерительной схеме НиМЭМС;

где T=ƒ(T_ни,T_но,W);

T_ни - нестационарная температура измеряемой среды;

Т_но - нестационарная температура окружающей среды;

W - амплитуда виброускорений;

4 - количество тензорезисторов в мостовой измерительной схеме НиМЭМС;

I - количество тензоэлементов в тензорезисторе;

M - количество термоэлектрических структур в тензоэлементе;

S_jim - коэффициент термоэдс контактирующих материалов m-ой термоэлектрической структуры i-ого тензоэлемента j-ого тензорезистора;

T_jim - температура контактирующих материалов m-ой термоэлектрической структуры i-ого тензоэлемента j-ого тензорезистора;

σ_αji(T) - коэффициент Томсона для материала i-го тензоэлемента j-ого тензорезистора; T_jiH, T_jiK - температура соответственно в начале и конце i-ого тензоэлемента j-ого тензорезистора;

- сопротивление j-ого тензорезистора;

R_j0 - сопротивление j-ого тензорезистора при начальной среднеинтегральной температуре j-ого тензорезистора; α_j - температурный коэффициент сопротивления j-ого тензорезистора; ΔT_j - изменение среднеинтегральной температуры j-ого тензорезистора; Т_АnН, T_AnK, T_BnH, T_ВnK - температура в начале и конце n-ой термоэлектрической неоднородности соответственно первой и второй измерительной цепи, соединяющей НиМЭМС с выходом датчика;

S_An, S_Bn - коэффициент термоэдс контактирующих материалов n-ой термоэлектрической неоднородности соответственно первой и второй измерительной цепи, соединяющей НиМЭМС с выходом датчика;

σ_αAn(Т), σ_αBn(T) - коэффициент Томсона материала n-ой термоэлектрической неоднородности соответственно первой и второй измерительной цепи, соединяющей НиМЭМС с выходом датчика;

ΔU - абсолютная погрешность при воздействии нестационарной температуры и повышенных виброускорений.

В соответствии с [В.А. Тихоненков, А.И. Тихонов. Теория, расчет и основы проектирования датчиков механических величин: Учебное пособие. Ульяновск, УлГТУ, 2000. – 452 с.] U(P) выходной сигнал с тензорезисторного датчика с мостовой измерительной цепью, а, следовательно, и в нашем случае

, где ε_j - относительное изменение сопротивления j-ого тензорезистора от измеряемого давления;

тогда, подставляя значение U(P) в выражение (2), получим выражение для выходного сигнала с датчика

Относительная погрешность в этом случае будет равна

Анализ выражения (3) показывает, что при увеличении напряжения питания датчика, например, в 2 раза информативная составляющая

Тогда относительная погрешность будет равна

Датчик давления с тонкопленочной НиМЭМС по п. 1 формулы изобретения вследствие наличия винтового канала, обеспечивающего уменьшение нестационарности измеряемой среды, а следовательно, и уменьшение неинформативной составляющей, приводящей в соответствии с соотношением (4) к дополнительному уменьшению погрешности измерения. Таким образом, техническим результатом заявляемого решения является уменьшение погрешности измерения датчика при воздействии нестационарных температур и повышенных виброускорений за счет увеличения информативной составляющей и частичного уменьшения неинформативной составляющей выходного сигнала датчика давления на основе тонкопленочной НиМЭМС.

Для серийно изготавливаемых тензорезисторных датчиков на основе тонкопленочных НиМЭМС типа Вт212А.1 экспериментально определены при увеличении напряжения питания в 2 раза допустимые отклонения основной статической погрешности при g-ом напряжении питания от основной статической погрешности при номинальном напряжении питания|±Δγ_0g|=0,05, а также приведенной погрешности от нелинейности при g-ом напряжении питания от приведенной погрешности от нелинейности при номинальном напряжении питания |±Δγ_нg|=0,06. Полученные экспериментальные результаты свидетельствуют о практическом отсутствии дополнительного перегрева НиМЭМС повышенным в 2 раза напряжением питания и о высокой стойкости датчиков Вт212А.1 к воздействию повышенного напряжения питания, а следовательно, увеличение напряжения питания датчиков Вт212А.1 в 2 раза не приводит к значимому изменению температуры НиМЭМС, что в соответствии с выражением (2) означает практическое отсутствие изменения неинформативнной составляющей выходного сигнала, а следовательно, учитывая, что информативная составляющая сигнала при увеличении напряжении питания в 2 раза в соответствии с соотношением (5) также увеличится в 2 раза, относительная погрешность датчика в соответствии с соотношением (6) уменьшится в 2 раза. Вышеприведенный анализ справедлив для датчика давления с тонкопленочной НиМЭМС по п. 2 формулы изобретения.

Использование: для создания датчика давления с тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системой. Сущность изобретения заключается в том, что датчик давления с тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системой (НиМЭМС) содержит 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 имеющих одинаковую форму тензоэлементов, расположенных по окружности на периферии мембраны, измерительные и питающие электрические цепи, соединяющие тонкопленочную НиМЭМС с выходом датчика, закрепленную и размещенную внутри периферийного основания с зазором относительно мембраны и периферийного основания в области, прилегающей к мембране, цилиндрическую втулку с цилиндрическим отверстием вдоль ее оси, в отверстии цилиндрической втулки размещен винт с наружным диаметром, обеспечивающим плотное закрепление винта во втулке с образованием винтового канала для измеряемой среды, ограниченного внутренней поверхностью цилиндрической втулки и наружной поверхностью винта, выполненной в виде однозаходной трапецеидальной резьбы с шагом, определяемым по определенному соотношению. Технический результат - обеспечение возможности уменьшения погрешности измерения датчика. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Датчик давления 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 воспринимающие деформацию разного знака от измеряемого давления тензорезисторы, выполненные в виде соединенных тонкопленочными перемычками одинакового количества имеющих одинаковую форму тензоэлементов, расположенных по окружности на периферии мембраны, измерительные и питающие электрические цепи, соединяющие тонкопленочную НиМЭМС с выходом датчика, закрепленную и размещенную внутри периферийного основания с зазором относительно мембраны и периферийного основания в области, прилегающей к мембране, цилиндрическую втулку с цилиндрическим отверстием вдоль ее оси, отличающийся тем, что в отверстии цилиндрической втулки размещен винт с наружным диаметром, обеспечивающим плотное закрепление винта во втулке с образованием винтового канала для измеряемой среды, ограниченного внутренней поверхностью цилиндрической втулки и наружной поверхностью винта, выполненной в виде однозаходной трапециидальной резьбы с шагом, определяемым по соотношению

S=K_SL_B,

где K_S - коэффициент связи шага резьбы и длины винта;

L_B - длина винта;

K_S=0,1±0,03.

2. Датчик давления с тонкопленочной НиМЭМС по п. 1, отличающийся тем, что напряжение питания датчика выбирается равным максимально допустимой величине, определенной в результате последовательного увеличения напряжения питания, проведения испытаний датчика, по определению основной статической погрешности и приведенной погрешности от нелинейности датчика при каждом повышении напряжения и определении его максимального значения, при котором выполняются условия

где γ_0g ^_ основная статическая погрешность датчика при g-ом повышенном напряжении;

γ₀ - основная статическая погрешность датчика при номинальном напряжении питания;

|±Δγ_0g| - допустимое отклонение основной статической погрешности при g-ом напряжении питания от основной статической погрешности при номинальном напряжении питания;

γ_нg - приведенное значение погрешности от нелинейности при g-ом напряжении питании;

|±Δγ_нg| - допустимое отклонение приведенной погрешности от нелинейности при g-ом напряжении питания от приведенной погрешности от нелинейности при номинальном напряжении питания.