Термокомпенсированный интегральный датчик давления (его варианты) Советский патент 1983 года по МПК G01L9/04 

Цель изобрете.ния - повышение точ ности измерений за счет уменьшения температурной погрешности. Поставленная цель достигается тем, что в термокомпенсированном -интегральном датчике давлений по пе вому варианту, содержащем жестко за-, деланную в основании мембрану , выпол ненную из монокристалличрского мате риала, с расположенными на ней полу проводниковыми тензочувствительными нагревательными и термочувствительными элементами, термочувствительны элементы расположены на основании ме мбраны, а тензочувствительные эле менты выполнены с длиной, не превышающей О, 05CL и расположены от центpa мембраны на рассто 1ние, выбранном из соотношения 0,,5 нагревательные элементы расположе ны 3 центральной части мембраны на.площади, центр- которой совпадает с центром мембраны, а расстояние о центра мембраны по линии контура площади определяется соотношением с /oi ,0 , 2 , где а. сторона квадратной или диаметр круглой мембраны; b - расстояние от центра мем.браны до линии контура расположения тензочувстеительных элементов; . с - расстояние от -центра мемб-: раны до линии контура площади расположения нагревательных элементов. В термокомпенсированном и теграль ном датчике давления по второму варианту,. содержащем жестко заделанную в основании мембрану, выполненную . из монокристаллического материала, с расположенными на ней полупро.воднико выми тензочувствительными, нагревательными и термочувствительными элементами, термочувствительные элемент расположены по основании мембраны,. тензочувствительные элементы выполне ны с длиной, не превышающей 0,05а , и расположёны в центральной части мембраны на площади, центр которой совпадает с центром мембраны, а расстояние от центра мембраны до линии контура площади определяется соотношен 1ем 0 bj/c5(:o ,05 , нагревательные элементы расположены от центра мембраны на расстоянии, определяемом соотношением 0,3/ гце а - сторона квадратной или диаметр круглой мамбраны; Ъ - расстояние от центра мембраны до линии контурЪ площади расположения тензочувствительных элементов; с - расстояние от центра мембраны До линии контура расположения нагревательных элементов. На фиг.1 изображен термокомпенсированный интегральный датчик по первому варианту;на фиг. 2 - тоже, по второму варианту. : УстройЬтво содержит основание 1, в котором жестко заделана мембрана 2 из монокристаллического кремния (100) . с расположенными на ней термочувствительными 3, тензочувствительными 4 и нагревательными 5 элементами, измерительный мост 6, усилитель 7 и регулирующий элемент 8. Терморезистор. 3расположен на нечувствительном к давлению основании 1, не воспринимает теплоту от нагревательных резисторов 5 и реагирует только на изменение температуры окружающей среда. Тензорезисторы 4 р-типа проводимости ориентированы в плоскости мембраны 2 в направлении максимальной тензочувствительности 110 , соедине1НЫ в мостовую измерительную схему, {расположены между линией 9 заделки и линией на поверх ности мембраны, эквидистантной линии конутра мембраны в заделке и отстоящей от центра мембраны на .расстоянии 0,45 0,5й, где а - сторона квадратной или диаметр круглой мембраны. Размер длины тензорезистора составляет не более , Q,5cii. Нагревательные резисторы. 5 р-типа проводимости орентированы в плоскости мембраны 2 в направлении минимальной тензочувствительности 100, чем обеспечивается их невосприимчивость к деформа.ции мембраны, расположены в центральной области мембраны на участке площади, центр которой совпадает с центром меглбраны, и линия контура 10 которой эквидистантна линии контура мембраны в заделке 9, а расстояние с от центра мембраны до линии контура 10 указанной площади равно ,2с( . В качествемонокристаллического материала мембраны 2 по второму варианту используется кремний р-типа проводимости с плоскостью кристаллографической ориентации 100 . На мембране 2 расположены термочувствительные 3, тензочувствительные 4 и нагревательные 5 элементы. Устройство также содержит измерительный мост 6, усилитель 7 и регулирующий элемент 8. Терморезистор 3, как и в первом варианте устройства,, расположен на нечувствительном к давлению основании 1, не воспринимает теплоту от нагревательных резисторов 5 и реагирует только на изменение температуры окружающей среды. Нагревательные резисторы 5 ориентированы -в плоскости мембраны 2 в направлении минимальной тензочувст|ВЙтельности 110, чем обеспечиваёт ся их невосприимчивость к деформации

мембраны,расположены по контуру мембраны между заделкой 9 и линией, ототоящей от центра мембраны на расстоянии ,Зя.

Тензорезисторы 4 выполнены длиной не превьниающей 0,05а , ориентированы в плоскости мембраны 2 в направлении максимальной тензочуветвительности 100, соединены в мостовую измерительную схему, расположены в центральной области мембраны на участке площади, центр которой совпадает с центром мембраны и линия конутра 10 которой эквидистантна линии контура мембраны в заделке 9, а расс ояние Ъ от центра мембраны до линии контура указанной площади определяется соотношением О ,05.

Работа устройства происходит следующим образом.

В исходном состоянии при тарировочнрй температуре сигнал на выходе термочувствительного измерительного моста б и усилителя 7 равен нулю, выход регулирующего элемента 8 закрыт и ток через нагревательные резисторы 5 не протекает. Выходной сигнал датчика будет пропорционален измеряемому давлению.

При повышении температуры окружатющей среды выходной сигнал датчика будет отличаться от выходного сигнала при тарировочной температуре, вследствие температурной зависимости сопротивления и коэффициента тензочувствительности тензорезисторов 4. Одновременно с выхода термочувствительного моста 6 сигнал,пропорциональный температуре окружающей среды, поступает на вход усилителя 7, где усиливается и подается на вхо регулирующего элемента 8, который, в свою очередь, открывается и регулирует .величину тока, протекающего через нагревательные резисторы 5. Выделяемая на нагревательных резистора 5 теплота создает строго однонаправленный градиент температуры по толщине и стороне мембраны, который направлен от цен-тра мОмбраны к заделке 9 (,во втором варианте устройства градиент температуры по толщине и стороне мембраны направлен от заделки 9 к центру мембраны). Воз никбиощий при этом за счет термоупругих напряжений момент вызывает про гиб мембраны 2 и появление дополнительньюс компенсационных механическихнапряжений. Тензорезисторы 4 воспринимают эти компенсационные напЕ яжения сопротивление их изменяется. Таким образом,предлагаемое устройство позвляет скомпенсировать температурную погрешность датчика и тем самым повысить точность измерений при изменении температуры окружающей среды. .

Формула изобретения

1.Термокомпенсированный интегральный датчик давления, содержащий жестко заделанную в основании мембрану, выполненную из монокристаллического материала, с расположенными

на ней полупроводниковыми тензочувствительными, нагревательными и термочувствительными элементами, о т л ич ающийся тем, что, с целью повышения точности измерений за счет уменьшения температурной погрешности в нем термочувствительные элементы расположены «а основании мембраны, тензочувствительные Элементы выполнены с длиной, не превышающей 0,054 и расположены от центра мембраны на расстоянии, выбранном из соотношения О, ,5, нагревательные элемеиты расположены в центральной части мембраны на площади, центр которой совпадает с центром мембраны, а расстояние от центра мембраны до линии площади определяется соотношением с/а 0,2, .

где а - сторона квадрантной или диаметр круглой мембраны, , Ъ - расстояние от центра мембраны до линии контура расположения, тензочувствительных элементов;°

о - расстоя.ние от центра мембра ны до линии контура площади расположения нагревательных элементов.

2.Термокомпенсированный интегралный датчик давления, содержащий жестко заделанную в основании мембрану, выполненную из монокристаллического материала, с расположенными на-ней полупроводниковыми, термочувствительными, тензочувствительными и нагревательными элементами, отличающий с я тем, что, с целью повышения точности измерений за счет . уменьшения температурной погрешности в нем термочувствительные элементы расположены на основании мембраны, тензочувствительные элементы выполнены с длиной, не превышающей 0,05q и расположены в центральной мембраны на площади, центр которой совпадает с центром мембраны, а расстояние от -центра мембраны до линии контура площади определяется соотношением О 0,05, нагревательные элементы расположены от центра мембраны .на расстоянии, определяемом соотношением сц Л 0,3,

где с - сторона квадратной или диаметр круглой мембраны/

) - расстояние от центра мембраны до линии контура площади расположения тензочувствительных элементов;

С - расстояние от центра мембраны до линии контура располо