Устройство для измерения давления Советский патент 1991 года по МПК G01L9/04 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к ьолу- проводннковым измерителям механичг v ких величин в частности давчеш.л электрическими методами, и может быть использовано в автоматизированных системах контроля, управления и т0д

Целью изобретения является повышение точности измерения давление.,

На фига 1 представлен чувствии сль- ный элемент; на фиг02 - разрез А-Л на фиг.1; на фиг03 - датчик давления и его внешняя электрическая схема, вариант испили- ния.

Устройство содержит полупроводниковый упругочувствительныи элемент 1 в котором методами микроэлекчроннои технологии сформирована измерительная схема, состоящая из тензорезис- торов 2„ В непосредственной бличос- ти от измерительной схемы расположен терморезистор Зо Вокруг измерительной схемы и терморезистора, также в непосредственном близости от ним,

сформирован участок 4, которь Н про- с iv дается по упругочуьствительшму э .емепту к eii1 периферийной части 50 4 и 5 соедипепм между с- бой учат, .ког-: Ь такой же ГФРЕСДШ что и участки 4 и 5. Участки 4, 5 и 6 - это гдна область с одинаково проводимостью р-типа0 Указанная об- лас .ь мета.(шизнровлна зонами 7 и о, л участок 6 не покрыт металлизированным слоем с Металлизированные участки 7 и 8 в совокупности с участком 6 представляют соо /и т€ {тмоэлемен-, jjj-dj iioe распопожение металлизированных участков 7, о и 4, 5, Ь , бкть самым разнообразны , например , как по.Тчтзано на фиг 3.

спач 4 в полупроводники :он пластине выполнены рифления и проведе- н- металлизация. В периферийном nt i

5 Т .КЖ(; ВЫГЮЛНеНЫ .НИЧ, Ни Ь МСта. ипировачном слое 8 Рифления в

ijnaciiiHe вблизи измерительно- сх- .- способствует y4i Jeft теп i ., i сче

t s-л

и

fZbutt

О)

ьо |

QO

31

(лучшему охлаждению или нагреванию) в тоне измерительной схемы, а в пе- рнЛ -фииной части - лучшей теплопередаче окружающей среды, тсе лучшему тепловому рассеянию Металлизирован- Hi ю участки 7 и 8 с помощью проводников 9 подключаются к внешней измерите гп ной цепи о С помощью проводников Ч , внешней измерительной схеме под- рлючаются так- се терморезистор 3 и теч оррзисторы 2 (на проводники тензорезисторов не показаны) „ Тенэорезисторы 2 проводниками 9 соединены МРЧДУ собой и с внешней.цепью (не показана) о Терморезистор 3 с по- MI щью проводников 9 соединен с уси- лигсюм 10, а усилитель 10 - с эле- ;; 1 г м, управляющим переключением по ги источника питания и устрой- uiroM 11 (устройство 11 может быть омчарстором), Схема 1 связана элек . ри ; скн с переключающим элементом 12 Элемент 12 также соединен с ис п -шиком 1 } импульсного питания 3 j,

v тройство работает следукнцим mn 1 том.,

.i«,i воздействием измеряемой меха- -1ч (. - и величины в упругочувст вител .1 ,м 1 . 2MLHTG (УЧЭ) 1 возникают меха- н. ч ге нчпряжения (УЧЭ работает в л1сгн малых деформаций), которые ч ,-лод г I-. начальных величин сопротивлений тензорезисторов 2, в результате чего происходит разба- .мне измерительной схемы (обычно мо- ), который и является выходным сигналом преобразователя, пропорцио- Kuuitbiy. измеряемой механический величине „ Кроме измеряемой величины, в упругочувствительном элементе могут BOJHHKtTb механические напряжения, цпзванши изменением температуры окружающей среды УЧЗ, которые, в свою очередь, также вызывают еще больший разбаланс измерительной схемы и, со

:;однои сигнал.

При этом в случае, если Токо

учэ

, то терморезистор 3 не выдает

сигнал ч цепочка схем 10, 11, 12 и 13 не работает и, соответственно, по участкам 4, 5, 6, 7 и 8 не течет ток (термоэлемент отключен от источника питания) В этом случае выход ной сигнал УЧЭ 1 не подвергается искажению; получают чистый сигнал, про- ,кональнын давлению Р, т„е0 давг n 5

р,-

5

0

0

5

ление Р, воздействуя на упругочувст- вительный элемент 1, деформирует его, в результате чего возникшие механические напряжения в зоне тензорезис- торов 2 приводят к изменению их начальных значений сопротивлений, т0е0 к разбалансу измерительной схемы в целом, а так как измерительная схема питается напряжением (током), то изменение величин сопротивлений тен- зорезисторов приводит к изменению величины напряжения (тока) питании, которое является выходным сиги лом преобразова г еля , пропорционалыс/;. измеряемому давлению

Если тчцэ терморезистор нагревается, выходной сигнал термо- речистора 2 увеличивается и через усилитель 10 подается на блок управления, переключающий полярность источника итания термоэлемента 11, которми включает соответствующую полярность источника питания термоэлемента 12, тсе„ когда выходной сигнал терморезистора 2 становится ниже своего оптимального значения и, соответствен ю, выходной сигнал усилителя , настроечный на UonT, получает приращение +ДИ, включатся цепь 13 питанияj При этом ток проходит через проводник 1, магаллизнроваилый участок 7, слой полупроводника р-типа, металгнчированный участок ч и через привод,;.ик 9 возвращается ч источн; - 14 через 1 .рекл чаюцее устройст ю 12„ На месте металлизированного . 7 у lone тензорезт сторор 2 и термо- резис.тора 3 происходит охлаждение, а в тоне металлизированного участка 8 проигхг цит напрев согласно эффекту Псчът:,е, Охлаждение в зон тензоре- зистор в 2 происходиг таккм образом, чтобы сохранить температурной баланс ь эти ьоне, Tt,e0 чем вьиие температура окружающей среды TQl,p , тем ниже Тццд и, соотвегствензю, больше е- риод охлаждения, но с учете i те mepa-- турного баланса температура это: зоны меняется в пределах Т- fl f, : выходной

сигнал U

опг

+ Ли с Тепло ЗОТТР участка 8 рассеивается в .ющсй ,-t..

В

xav4t-I(- когда 1 : со

противление терморезнсгора . увеличи- иаетса, на выходе усилителя 10 появляется сигнал, отличный от Uonr , включаются блоки 11 И 12, происходит, переключение полярности ис/очнлка 13 . питания,, В зоне тенэорези -т эров . и

51

терморезистора 3 происходит нагрев, а в зоне металлизированного участка 8 - охл-аждениео Это происходит до тех пор. пока не наступит температурный баланс между температурами окружающей среды и упругочувстви- тельного элемента, т0ео пока не наступит равенство Тоу„ Тиц В этом случае схема сравнения температур pa ботает в области UonT -ДЬо При выполнении этого условия схема питания отключается0

Применение изобретения позволяет повысить точности измерения, а так- же чувствительность,;

Формула изобретения

Устройство для измерения давления содержащее преобразователь давления в виде полупроводниковой мембраны n-типа проводимости, на поверхности которой сформированы тензорезисторы, соединенные в измерительный мост, и термореяистор, подключенный к усили- телю, и блок питания, о т л и ч а 16

ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения, в нем нагревательный элемент выполнен в виде термоэлемента, один спай которого выполнен в виде металлизированной пленки, нанесенной на поверхность мембраны вокруг тензорезисторов и терморезистора, причем поверхность мембраны под пленкой выполнена рифленой и р-типа проводимости, а другой спай выполнен в виде металлизированной пленки, нанесенной на поверхность мембраны, при этом поверхность мембраны под пленкой выполнена р-типа проводимости, а наружная поверхность пленки выполнена рифленой, причем спаи соединены между собой участком мембраны, который выполнен р-типа проводимости, при этом в устройство введены последовательно соединенные компаратор и переключатель полярности питания, причем вход компаратора соединен с выходом усилителя, а блок питания подключен к спаям термоэлемента через переключатель полярности,.

Изобретение может быть испо;и зовано для измерения давления с повышенной точностью в автоматизированных системах контроля0 В устройство введены термоэлемент, представляющий совокупность металлизированных участков 7 и 8 с учестком 6, и терморезис- юр 3 Поскольку терморезистор 3 управляет термоэлементом, достигается температурный баланс между температурами окружающей среды и упруго- чувс 1 иительлого э.мечга 1 и . ем7-..г ;.огре;пт . гь умепьл лс . ся „ 3 нл

А-А

8

Фиг 2

13

72

ФигЗ