Датчик давления Советский патент 1990 года по МПК G01L9/04 

Изобретение относится к измерительой технике, в частности к датчикам, пред- назначенным для использования в различ- ных областях науки и техники, связанных с измерением давления в условиях воздейст- ВИЯ нестационарной температуры измеряе- мой среды (термоудара).

Цель изобретения - повышение точно- сти в условиях действия-термоудара, увеличение теплостойкости и повышение чувствительности.

На фиг. 1 изображен датчик давления, общий вид; на фиг. 2 - узлы I и II на фиг, 1; на фиг. 3 - графики измерений.

Датчик давления содержит корпус 1, уп- ругий элемент в виде круглой жесткозащем- ленной мембраны 2, выполненной за одно целое с опорным основанием 3, на которой расположены соединенные в мостовую схему тензорезисторы, размещенные по дуге окружности 4 и по радиусу мембраны 5. Окружные тензорезисторы и радиальные тензорезисторы выполнены в виде соединенных низкоомными перемычками 6 и равномерно размещенных по периферии мембраны идентичных резистивных квадратов 7. Каждый из квадратов касается двумя наиболее удаленными от центра мембраны вершинами 8 границы 9 раздела .мембраны и опорного основания.

На поверхность мембраны и опорного основания нанесен диэлектрик 10 в виде структуры AlaOs - Si02 толщиной 2 мкм, Тензорезисторы выполнены с поверхностным сопротивлением 10 Ом/квадрат. Низ- коомные перемычки 6 выполнены в виде структуры MO-NI толщиной 1,5 мкм.

Датчик давления работает следующим

образом.

При воздействии на мембрану давления в ней возникают радиальные и тангенциальные напряжения, которые приводят к появлению на планарной стороне мембрань

адиальных г и тангенциальных ег дефораций (фиг. 2 и 3). Так как резистивные квадаты касаются двумя наиболее удаленными т центра мембраны вершинами границы раздела мембраны и опорного основания, а акже в связи с тем, что размеры сторон резистивных квадратов выбраны исходя из заявляемого соотношения, резистивный квадрат окружного тензорезистора (узел I, фиг. 2) подвергается воздействию растягивающих тангенциальных деформаций, направленных вдоль длины резистора, и сжимающих радиальных деформаций, направленных перпендикулярно длине рези- стора. В результате воздействия таких деформаций сопротивление резисторного квадрата окружного тензорезистора увеличивается. Вследствие аналогичных причин резистивный квадрат радиального тензоре- зистора (узел II, фиг. 2), подвергается воздействию растягивающих тангенциальных деформаций, направленных перпендикулярно длине резистора, и сжимающих радиальных деформаций, направленных вдоль длины резистора.

В результате воздействия таких деформаций сопротивление резистивного квадрата ради,чльного тензорезистора уменьшается, В связи с тем, что окружные и ради- альные тенз орезисторы выполнены В виде последовательно соединенных низкоомными перемычками и равномерно размещенных по периферии мембраны идентичных квадратов, то изменение сопротивления ок- ружных и радиальных тензорезисторов будет равно сумме изменений сопротивлений соответствующих резистивных квадратов, а также изменения сопротивлений соответствующих резистивных квадратов раен ы меж- ду собой. Увеличение сопротивлений противоположно включенных окружных резисторов и уменьшение противоположно вклюенных радиальных резисторов преобразутся мостовой схемой & электрический сиг ал, который поступает на выходные конакты датчика. При воздействии нестациоарной температуры измеряемой среды термоудара) вследствие различных термиеских сопротивлений сравнительно тонкой ембраны и массивного опорного основаия на мембране возникает неравномерное поле температур, фиг. 3, где приведена экспериментально определенная зависимость распределения температуры на планарнои стороне упругого элемента через 0.1 с после подачи на мембрану датчика давления жидкого азота с температурой Тс. В связи с тем, что размеры сторон резистивиых квадратов радиальных и окружных тензорезисторов одинаковы, а все резистивные квадрать, своими наиболее удаленными от центра мембраны вершинами касаются границы раздела мембраны и опорного основания, то несмотря на нестационарный характер изменения температуры на планарнои стороне мембраны температура резистивных квадратов окружных и радиальных тензоре- (фиг. 3), изменяясь, со временем будет одинакова в каждый конкретный момент времени. Одинаковая температура радиальных и окружных тензорезисторов в каждый конкретный момент времени вызывает одинаковые изменения сопротивлении тензорезисторов, которые вследствие включения тензорезисторов в мостовую схему взаимно компенсируются.

Так как радиальные деформации будут

рав.ны О при По . то с целью обеспечения нахождения резистивных квадратов в зоне максимального воздействия радиал ь- ных деформаций величина разности г - . характеризующая расстояние от опорного основания до точки, где радиальные деформации меняют знак (т.е. область отрицательных сжимающих значений радиальнь.х деформаций), умен ьшена в два раза. Этим самым достигается то, что резистивные квадрат располагаются в области максимальных отрицательных радиальных дефор. маций. В связи с тем, что размеры резистив- нь,х квадратов существенно --«ьше радиу са мембраны, можно сказать, что, вь,брав величину размера стороны квадрата мень g (г - 4, заведомо помещают резистивные квадраты в области наибольших отрицательных радиальных Вследствие того, что окружные и ради альные тензорезисторы выполнены в виде последовательно соединенных низкоомнь.510 15

20

ми перемычками и равномерно размещенных по периферии мембраны идэнтичных квадратов касающихся двумя наиболее удаленными от центра мембраны .ершина- ми границы раздела мембраны и опорного основания, а также в связи с одинаковым количеством резистивных квадратов, мощность выделяемая в каждом резистивном квадрате от напряжения питания, будет одинакова и будет одинакова температура перегрева относительно опорного основания каждого резистивного квадрата. Причем так как все резистивные квадраты непосредственно аримыкают к опорному основанию, то условия отвода тепла от саморазогрева резистивных квадратов полностью идентичны.

Активная температурная погрешность датчика давления при воздействии нестаци- онарной температуры измеряемой среды от + до температуры жидкого азота не превышает 0,6%. Датчик .Я, роваться при температурах до -400 С. Чув ствительность предлагаемого датчика 5 давления при толщине мембраны 0,2 мм и радиусе 2,5 мм при напряжении питания b В составляет 0,38 мВ/МПаВ.

Преимуществом конструкции является также повышение чувствительности на 2U 0 за счет размещения радиальных и окружных тензорезисторов в зоне максимального изменения радиальных деформаций, а также за счет суммирования воздействия радиальных и тангенциальных деформации. За счет 5 повышения чувствительности становится возможным при тех же самых конструктивных размерах изготавливать датчики давления на меньшие пределы измерения.

40

Формула изобретения

Датчик давления, содержащий корпус, мембрану с утоненной центральной частью радиуса г и периферийным утолщенным ос- новзнием, по которому мембрана закреплена в корпусе, окружные и радиальные тензорезисторы, закрепленные на мемора- не и соединенные перемычками и включенные соответственно в противоположные плечи измерительного моста, отличающийся тем, что, с целью повышения точности в условиях воздействия термоуда- па повышения чувствительности- и теплостойкости, в нем перемычки выполнены из низкоомного материала, а тензорезисторы имеют форму квадрата и расположены по окружности, причем две вершины каждого квадрата расположены на радиусе г, количество окружных и радиальных тензорезисторов одинаково и равно отношению сопро

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к датчикам, предназначенным для использования в различных областях науки и техники, связанных с измерением давления. Цель изобретения - повышение точности в условиях воздействия термоудара, увеличение чувствительности и теплостойкости. Для этого в датчике давления, содержащем корпус 1, упругий элемент в виде жесткозащемленной мембраны 2, выполненной за одно целое с опорным основанием 3, на которой расположены соединенные в мостовую схему тензорезисторы, размещенные по дуге окружности 4 и по радиусу мембраны 5, окружные и радиальные тензорезисторы выполнены в виде соединенных низкоомными перемычками 6 и равномерно размещенных по периферии мембраны идентичных резистивных квадратов 7, касающихся двумя наиболее удаленными от центра мембраны вершинами 8 границы 9 раздела мембраны и опорного основания, причем количество резистивных квадратов в окружных и радиальных тензорезисторах одинакового и равно отношению сопротивления тензорезистора к его поверхностному сопротивлению, а размеры сторон резистивных квадратов удовлетворяют представленному соотношению. 3 ил.