Датчик давления Советский патент 1992 года по МПК G01L9/04 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к датчикам, пред- назначенным для использования в различных областях науки и техники, связанных с измерением давления в широком диапазоне температур.

Известна конструкция датчика давления, содержащая корпус, упругий элемент в виде круглой жесткозащемленной мембраны, выполненной за одно целое с опорным основанием, на которой расположены соединительные в мостовую схему тензорезисторы, размещенные по дуге окружности и по радиусу мембраны, причем окружные тензорезисторы своей срединной частью размещены по окружности с радиусом

1,

З1

Г - Го - 75г1тр

где Го - расстояние от центра мембраны до середины тензорезистора, размещенного в радиальном направлении;

I Тр - длина тензорезистора. размещенного в радиальном направлении

Недостатком известной конструкции является невысокая точность в условиях воздействия широкого диапазона температур вследствие различия сопротивлений перемычек, включенных в соседние плечи моста. Различное значение сопротивлений перемычек, включенных в соседние плечи мостовой схемы, приводит к значительному ухудшению точности в широком диапазоне температур вследствие существенно большего (на 1-2 порядка) ТКС перемычек, по сравнению с ТКС тензорезисторов

4

ON О

N

So

Известна конструкция датчика давления, выбранная в качестве прототипа, содержащая мембрану, идентичные тензоэлементы окружных тензорезисторов, соединенными идентичными перемычками, расположенными симметрично центру мембраны и идентичные тензоэлементы радиальных тензорезисторов, соединенные идентичными перемычками, расположенными симметрично центру мембраны. I

Недостатком известной конструкции является сравнительно невысокая точность в условиях воздействия широкого диапазона температур вследствие различия сопротивлений перемычек, включенных в соседние плечи мостовой схемы. Даже сравнительно небольшие отличия сопротивлений перемычек, включенных в соседние плечи мостовой схемы, приводят к существенному ухудшению точности вследствие значительного превышения ТКС перемычек ТКС тензорезисторов. Так, при использовании в качестве перемычек пленки из золота ТКС 3, разница сопротивлений перемычек, включенных в соседние плечи мостовой схемы, 0,5 Ом в температурном диапазоне 300°С эквивалентна изменению сопротивления тензорезистора A R 3,3 Л 0,5 -300 0,5 Ом, что от номинального изменения сопротивления тензорезистора от максимального изменяемого давления 4 Ом составляет 12%, т.е. погрешность измерения в диапазоне температур 300°С только от различий сопротивлений перемычек,

5

0

5

0

5

включенных в соседние плечи мостовой схемы, может составить 12% от номинального выходного сигнала. Сопротивление тензоэ- лементов, несмотря на сравнительно большие значения (порядка сотен Ом), приносит меньший вклад в температурную погрешность вследствие идентичности размеров тензоэле- ментов и существенно меньшего значения ТКС тензорезисторов ( - .)

Целью изобретения является повышение точности в условиях воздействия широкого диапазона температур за счет уменьшения температурной погрешности вследствие уменьшения переходных сопротивлений и выравнивания сопротивлений перемычек, соединяющих тензоэлементы окружных и радиальных тензорезисторов.

Указанная цель достигается тем, что в датчике давления, содержащем корпус, закрепленную в нем мембрану, расположенные на мембране идентичные окружные тензорезмсторы, соединенные одинаковыми перемолками, расположенными симметрично центру мембраны, и идентичные радиальные тензорезисторы, соединенные одинаковыми внутренними и одинаковыми внешними перемычками с соединительными участками, расположенными симметрично центру мембраны, каждая перемычка выполнена в виде многослойной металлической структуры с расположенными под контактным слоем, резисгивного материала, повторяющим конфигурацию контактного слоя, при этом размеры перемычек выполнены в соответствии с соотношением

Использование: датчик относится к измерите ibHo/i технике и может быть использован а различных областях науки и техники, связанных с измерением давления в условиях воздействия широкого диапазона температур Цель, повышение точности в условиях воздействия широкого диапазона температур. Сущность изобретения: в датчике давления, содержащем корпус и закрепленную в нем мембрану, расположенные на мембране идентичные окружные тензорезисторы, соединенные одинаковыми перемычками, расположенными симметрично центру мембраны, и идентичные радиальные тензорезисторы, соединенные одинаковыми внутренними и одинаковыми внешними перемычками с соединительными участками, расположенными симметрично центру мембраны, в соответствии с изобретением, в нем каждая перемычка выполнена в виде многослойной структуры с расположенным под контактным слоем слоем резистивного материала, повторяющим конфигурацию контактного слоя, при этом размеры перемычек выполнены в соответствии с заявляемым соотношением. Положительный эффект: повышение точности в условиях воздействия широкого диапазона температур в 2 раза 3 ил. сл С

Но

2 Нр ( L о max + L о mln )

max -Ы-lmin +i-2pmax + -2pmln + 2 3 - где Но - ширина перемычки, соединяющей окружные тензорезмсторы;

Нр - ширина перемычки, соединяющей радиальные тензорезисторы;

Lomax. Lomin-максимальная и минимальная длина перемычки, соединяющей окружные тензорезисторы;

Upmax, Upmin - максимальная и минимальная длина соединительных участков внешней перемычки, соединяющей радиальные тензорезисторы;

L.2pmax, Uzpmin максимальная и минимальная длина соединительных участков внутренней перемычки, соединяющей радиальные тензорезисторы;

а - размер стороны тензорезистора, сопрягающейся с перемычкой.

,14,

На фиг. 1 изображен общий вид предлагаемого датчика давления; на фиг. 2 - фрагсЬ(яа7НрТ-Т 2

0

5

0

5

мент топологии окружных тензорезисторов; на фиг. 3 - фрагмент топологии радиальных тензорезисторов.

Датчик давления содержит корпус 1, мембрану 2, идентичные окружные тензорезисторы 3, соединенные идентичными перемычками 4, расположенными симметрично центру мембраны, и идентичные радиальные тензорезисторы 5, соединенные идентичными перемычками 6 и 7, расположенными симметрично центру мембраны.

Перемычки выполнены в виде многослойной структуры с расположенным под контактным слоем резистивным слоем, повторяющим конфигурацию контактного слоя. Например, резисторы выполнены из пленки материала П65ХС, г перемычки в виде пленочной композиции молибден-никель. В этом случае резистивный слой из сплава П65ХС сформирован таким образом. что его конфигурация совпадает с конфигурацией тензоэлементов и перемычек. Изготовление такой структуры проводят следующим образом.

Напыляют методом тонкопленочной технологии тензорезистивный слой из сплава П65ХС слоем на мембрану. Через маски напыляют перемычки и контактные площадки (незаштрихованные участки топологии на фиг. 1). Проводят формирование тензоэлементов с помощью фотолитографии. Размеры перемычек выполнены в соответствии с предлагаемым соотношением.

Учитывая, что местоположение тензоэлементов и размеры перемычек окружных тензорезисторов во многом определяются размерами тензоэлементов бывает необходимым выравнивание сопротивлений перемычек осуществлять вариацией шириной перемычек радиальных тензорезисторов.

Датчик давления работает следующим образом. При воздействии на мембрану давления в ней возникают радиальные и тангенциальные напряжения, которые приводят к появлению на планарной стороне мембраны радиальных и тангенциальных деформаций. В результате воздействия деформаций натензо- элементы окружных и радиальных тензорезисторов сопротивление окружных тензорезисторов возрастает, а сопротивление радиальных тензорезисторов уменьшается, Увеличение сопротивлений противоположно включенных окружных Гензорезисторов и уменьшение сопротивлений противоположно включенных радиальных тензорезисторов преобразуется мостовой схемой в электрический сигнал, который поступает на выходные контакты датчика. При изменении температуры вследствие одинаковости сопротивлений перемычек, соединяющих тензоэлементы окружных тензорезисторов и сопротивлений перемычек, соединяющих тензоэлементы радиальных тензорезисторов, изменения сопротивлений перемычек соседних плеч мостовой схемы от температуры будут близки друг к другу, а следовательно, будет минимально изменение выходного сигнала датчика от температуры, т.е. в результате

Но

2 Нр ирмакс Ь t-омин }

2Нг

1-1макс+ 1-1мин + 1-2рмакс + L-2

где Но - ширина перемычки, соединяющей окружные тензорезисторы;

Нр - ширина перемычки, соединяющей радиальные тензорезисторы;

LOMSKC, Цэмин максимальная и минимальная длина перемычки, соединяющей окружные тензорезисторы;

0

5

0

5

0

5

0

5

выравнивания сопротивлений перемычек происходит повышение точности измерений в широком диапазоне температур. Кроме того, при изменении температуры вследствие выполнения перемычек в виде многослойной структуры с расположенным под контактным слоем резистивным слоем, повторяющим конфигурацию контактного слоя, обеспечивается минимальность переходного сопротивления тензоэлемент-перемычка, а следовательно, и минимизация влияния изменения этого переходного сопротивления от температуры на характеристики датчика. Технико-экономическим преимуществом предлагаемого датчика давления, по сравнению с прототипом, является повышение точности в условиях воздействия широкого диапазона температур в 2 раза, за счет уменьшения температурной погрешности вследствие уменьшения переходных сопротивлений и выравнивания сопротивлений перемычек, соединяющих окружные и радиальные тензорезисторы. Другим преимуществом данной конструкции является повышение технологичности вследствие упрощения процесса формирования перемычек.

Формула изобретения Датчик давления, содержащий корпус, закрепленную в нем мембрану, расположенные на мембране идентичные окружные тен- зорезисторы, соединенные одинаковыми перемычками, расположенными симметрично центру в мембраны, и идентичные радиальные тензорезисторы, соединенные одинаковыми внутренними и одинаковыми внешними перемычками с соединительными участками, расположенными симметрично центру мембраны, отличающийся тем, что, с целью повышения точности в условиях воздействия температуры в широком диапазоне, в нем каждая перемычка выполнена в виде многослойной металлической структуры с расположенным под контактным слоем слоем резистивного материала, повторяющим конфигурацию контактного слоя, при этом размеры перемычек выполнены в соответствии с соотношением

In

ch(7ra/Hpy T

2

LipMaKc, LipMHH - максимальная и минимальная длина соединительных участков внешней перемычки, соединяющей радиальные тензорезисторы;

1-2Рмакс, L-армин - максимальная и минимальная длина соединительных участков

внутренней перемычки, соединяющей ради-а - размер стороны тензорезистора, соальные тензореэисторы;прягающейся с перемычкой.

§Щ Щ $$$$$$Щ$ К

№ Т/

i t F a f tyY iK s irjyb jy jy i rfy y f

/ 1м

Фи.1

5

f

jomtn

Фиг.2 П (повернуто)

f

Фиг.5