ТЕНЗОРЕЗИСТОРНЫЙ ДАТЧИК СИЛЫ Российский патент 2023 года по МПК G01L1/22 

Изобретение относится к измерительной технике, а конкретно-к датчикам для измерения сил и веса.

Известен тензорезисторный датчик силы, содержащий упругий элемент, мосттензорезисторов и регулировочные резисторы [1]. К недостаткам этого датчика можно отнести то, что все регулировочные резисторы выполнены в дискретном исполнении. И резисторы для компенсации температурного дрейфа «нуля» и балансировки встраиваются во внутренний контур моста путем пайки, а каждая пайка внутри моста-потенциальный источник нестабильности и снижения надежности измерений. Регулировочные резисторы для внешнего контура также вводятся в схему с помощью пайки и эти пайки также, но в меньшей степени, влияют на стабильность и надежность.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является тензорезисторный датчик силы [2], содержащий упругий элемент и выполненные в монолитном исполнении из одного участка фольги-мост тензорезисторов и частично регулировочные резисторы. Решение изготавливать в монолитном исполнении из константановой фольги элементы мостовой схемы и частично регулировочные резисторы следует считать прорывным в датчикостроении и других областях измерительной техники, т.к. число паяных узлов при этом резко сокращается и надежность приборов возрастает.

Использование константановой фольги не позволяло ее использовать для изготовления всего ряда регулировочных резисторов, т.к. у константановой фольги очень малый ТКС и ее невозможно использовать для температурно-зависимых регулировочных резисторов, но она была пригодна для изготовления 2-х типов температурно-независимых резисторов: для балансировки моста и для нормировки выходного сигнала (и они были использованы в [2]). Поэтому разработчики для температурных компенсаций использовали резисторы в дискретном исполнении из медной и никелевой фольги. Это снижало надежность и стабильность измерений, т.к. один из резисторов вводится в контур моста, а это три пайки внутри моста, а другой-вводится в одну или две (если он делится пополам) диагонали питания моста, а это две или четыре пайки вне контура моста.

Целями изобретения являются повышение стабильности и надежности измерений, а также упрощение изготовления всех регулировочных резисторов в составе монолитного моста как единой структуры на изолирующей подложке.

Цели достигаются тем, что монолитная структура выполнена в новой топологии, что позволило дополнительно ввести в два смежных плеча R1-R2 два температурно-зависимых резистора RT1 u RT1' для компенсации температурного дрейфа «нуля» и в одну из ветвей диагонали питания 1-1 ввести резистор RT2 для компенсации температурных изменений выходного сигнала. В предлагаемой топологии все регулировочные резисторы должны располагаться на жесткой части одной из балок параллелограмма - от контактной площадки 2 до контактной площадки 3 (см. Фиг. 2) в такой последовательности:

1 ряд - два набора секций температурно-зависимых резисторов RT1 и RT1' в двух плечах R1-R2 для компенсации температурного дрейфа «нуля»;

2 ряд - набор секций температурно-зависимого резистора RT2 для компенсации температурных изменений выходного сигнала;

3 ряд - два набора секций температурно-независимых резисторов Rб и Rб' в двух плечах R3-R4 для балансировки моста;

4 ряд - набор секций температурно-независимого резистора Rв для регулировки величины выходного сигнала.

Цели достигаются также тем, что для создания температурно-зависимых резисторов RT1, RT1' u RT2, из дополнительно введенных в монолитную структуру резисторов из константановой фольги, изменяют их исходный ТКС путем шунтирования планарной стороны резисторов пленкой из металла с большим ТКС.

Датчик силы состоит из параллелограммного упругого элемента 1, на котором закреплена структура из константановой фольги 2 на изолирующей подложке 3, содержащая в монолитном исполнении: мост из четырех тензорезисторов R1, R2, R3, R4, регулировочные резисторы RT1, RT1', Rб, Rб', RT2, Rв, межсоединения и контактные выводы 1, 2, 3, 4. Тензорезисторы расположены на тонких участках балки и воспринимают деформацию разных знаков. С учетом этого, для указанного на Фиг. 4а направления силы Р, сопротивления R1, R3 увеличатся, a R2, R4 уменьшатся. Все регулировочные резисторы расположены на утолщенной части балки, а их назначение указано выше.

Регулировки параметров производят путем реза шунтирующих шин соответствующих секций, чтобы суммарно набрать величину врезаемого сопротивления близкую к расчетному значению, при этом мостовая схема должна быть подключена к источнику напряжения постоянного тока, а при регулировке величины выходного сигнала датчик должен быть нагружен номинальным усилием.

Так как все регулировочные резисторы изготовлены в едином цикле из константановой фольги, и чтобы некоторые из резисторов преобразовать в температурно-зависимые необходимо скорректировать их ТКС.

Известно, что TКC_Cu=400×10^-5 °C^-1, ТКС_Ni=600×10^-5 °С^-1, ТКC константана = 2×10^-5 °С^-1, поэтому для проведения коррекции подходят оба металла. Корректировка исходных ТКС производится одним из известных способов, например, электрохимическим (гальванопластика). Для этого с планарной стороны резисторов, которые должны стать температурно-зависимыми, предварительно удалив с их поверхностей защитный слой, наносят тонкий слой из металла с большим ТКС, например Cu или Ni, который атомарно закрепляется на резисторе. Толщина наносимого слоя определяется наносимым металлом и находится в пределах 1…3 мкм.

На Фиг. 1 показан улучшенный вариант, описанный в [2].

На Фиг. 2 - топология предложенной монолитной структуры, включающая

мост из четырех тензорезисторов R1 - R4, регулировочные резисторы RT1, RT1', Rб, Rб', RT2 и Rв, межсоединения и контактные выводы 1-4.

На Фиг. 3 - принципиальная электрическая схема датчика, где выводы 1-3 предназначены для подачи напряжения питания на мостовую схему, а 2-4 для съема выходного сигнала.

На Фиг. 4а - вид датчика спереди, на Фиг. 4б - вид на датчик сверху. Здесь 1 - упругий элемент, 2 - предлагаемая монолитная структура, 3 - изолирующая подложка.

Предлагаемый структура, наклеенная на этот упругий элемент датчика позволит улучшить его метрологию, надежность и стабильность в широком температурном диапазоне за счет монолитного исполнения всех элементов, входящих в структуру, и исключения из электрической схемы 7-и паяных узлов: 3-х внутри контура моста и 4-х вне контура.

Источники информации, принятые автором, при экспертизе:

1. Тензорезисторные измерительные системы. Парфенов М.М., Цывин А.А., Кузнецов Л.М. Приборы и системы управления, 1985, №9, с. 17-21.

2. Авт. свидетельство СССР №1198398, М.Кл G01L 1/22,1985, БИ №46.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для создания температурных датчиков в широком температурном диапазоне. Упругий элемент датчика выполнен в виде параллелограмма, на котором закреплена новая топология моста тензорезисторов с тремя дополнительно введенными регулировочными резисторами, межсоединениями и контактными выводами, - все элементы выполнены в монолитном исполнении из константановой фольги на изолирующей подложке. Регулировочные резисторы позволяют производить корректировку следующих параметров: температурный дрейф «нуля», балансировка «нуля», температурные изменения чувствительности и величины выходного сигнала. Все регулировочные резисторы в исходном состоянии зашунтированы перемычками и расположены на жесткой части одной из балок параллелограмма. Все температурно-зависимые регулировочные резисторы сформированы на основе резисторов из константановой фольги, а чтобы сделать резисторы термозависимыми скорректировали их ТКС. С этой целью каждый резистор, предназначенный для термокомпенсации, шунтировали тонкой пленкой из металла с большим ТКС, которая атомарно закреплялась на резисторе, и таким образом изменяли исходный ТКС резисторов из фольги. Все регулировки параметров датчика производят путем реза шунтирующих шин у необходимых секций регулировочных резисторов, при этом мостовая схема должна быть подключена к источнику постоянного напряжения, а при корректировке величины выходного сигнала датчик необходимо нагрузить номинальным усилием. При подаче на входную диагональ напряжения питания и нагружении датчика измеряемой силой на выходной диагонали формируется выходной сигнал, пропорциональный измеряемой силе. Технический результат заключается в повышении точности измерений в широком диапазоне температур, а также повышении надежности датчика. 4 ил.

Тензорезисторный датчик силы, содержащий параллелограммный упругий элемент, на котором закреплена структура из фольги на изолирующей подложке, содержащая в монолитном исполнении мост из четырех тензорезисторов R1, R2, R3, R4, регулировочные резисторы RT1, RT1' Rб, Rб' RT2, Rв, межсоединения и контактные выводы, при этом два температурно-зависимых резистора RT1 и RT1' расположены в двух смежных плечах R1-R2, а два температурно-независимых резистора Rб и Rб' расположены в двух смежных плечах R3-R4, при этом в одной из ветвей диагонали питания расположен резистор RT2, выполненный с возможностью компенсации температурных изменений чувствительности, а во второй ветви диагонали питания расположен температурно-независимый резистор Rв, выполненный с возможностью регулировки величины выходного сигнала.