Датчик давления Советский патент 1992 года по МПК G01L9/04 

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике, в частности к датчикам, предназначенным для использования в различных областях науки и техники, связанных с измерением давления в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды.

Известен датчик для измерения давления в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды, содержащий корпус, упругий элемент в виде круглой мембраны, выполненной за одно целое с опорным основанием, на которой расположены соединенные в мостовую схему тензорезисторы, размещенные на дуге окружности и по радиусу мембраны, причем окружные тензорезисторы своей срединной частью размещены на окружности с радиусом

1

:ТР .

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

1Тр - длина тензорезистора, размещенного в радиальном направлении.

Недостатком известной конструкции является низкая технологичность. Это связано с тем, что при выполнении фотооригиналов тензосхемы точность задания координат тензорезистороо, расположенных по дуге окружности, существенно ниже точности задания координат прямолинейных тензорезисторов. Точность изготовления фотошаблонов в области дуговых тензорезисторов также хуже точности изготовления фотошаблонов в области прямолинейных тензорезисторов. В силу этих причин точность формирования размеров тензорезистороз, расположенных по дуге, значительно хуже точности формирования размеров прямолинейных тензорезисторов. Недостаточная точность размеров дуговых тензорезисторов приводит к значительному разбросу сопротивлений этих тензорезисторов, что приводит к неоправданному разбросу начального выходного сигнала мостовой схемы датчика и необходимости вследствие этого дополнительной подгонки тензорезисторов за счет измерения их площади (например, лазерным лучом) или дополнительной настройки

датчика при помощи внешнего дополнительного резистора, подключенного к мостовой схеме. Кроме того, недостаточная точность выполнения тенэорезисторов приводит к различной реакции тензорезисторов на воздействие нестационарной температуры измеряемой среды вследствие различной величины сопротивления радиальных и окружных тензорезисторов. т.к. при подготовке и настройке невозможно добиться строго идентичного изменения сопротивлений тензорезисторов,

Известна конструкция датчика давления, выбранная в качестве прототипа, содержащая корпус, мембрану радиуса R с

утолщенным периферийным основанием, закрепленные на планарчой стороне мембраны пару окружных и радиальных тензорезисторов, включенных соответственно в противоположные плечи мостовой измерительной схемы, при этом тензорезисторы каждой пары расположены симметрично относительно взаимно перпендикулярных осей мембраны, а соответственно каждый окружной и радиальный тензорезисторы

выполнены в виде нескольких i-тензоэле- ментов и j-тензоэлементов, соединенных соответствующими нчзкоомными перемычками, причем каждый тензоэлемент выполнен в форме квадрата со стороны а и

расположен одной своей частью на мембране, а другой - на периферийном основании. Недостатком известной конструкции является низкая технологичность. Это связано с тем, что при выполнении фотооригиналов точность задания координат

тензоэлементов, стороны которых расположены под углом к осям координат, существенно ниже точности задания координат тензоэлементов, стороны которых параллельны осям координат. Учитывая, что в известной конструкции из общего количества тензоэлементов порядка 20-30 может иметься не более четырех тензоэлементов, стороны которых параллельны осям координат (по 1 в окружном и радиальном тензоре- зисторе), а стороны остальных тензоэлементов расположены под углом к осям координат, то точность задания координат радиальных и окружных тензорези- сторов определяется точностью задания координат тензоэлементоо, стороны которых расположены под углом к осям координат.

Различная величина углов расположения сторон тензоэлементов еще больше ухудшает точность выполнения размероё тензоэлементов на фотооригинале. Недостаточная точность выполнения размеров тензоэлементов приводит к разбросу сопротивлений тензорезисторов, а следовательно, и разбросу начального выходного сигнала мостовой схемы датчика и необходимости дополнительной подгонки площади тензоэлементов или дополнительной настройки датчика. Кроме того, дополнительная подгонка или настройка не может обеспечить строго идентичного изменения сопротивлений отдельных тензоэлементов. Поэтому при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды реакция отдельных тензоэлементов, а следовательно, и окружных, и радиальных тензорезисторов на изменение температуры измеряемой среды будет различно вследствие различной величины сопротивлений отдельных тензоэлементов. В связи с этим в известном датчике давления несмотря на размещение текзоэлементов в области одинакового изменения температур существует все же определенная погрешность от термоудара. Кроме того, в известной конструкции низко- омные перемычки и контактные площадки также выполнены под различными углами к координатным осям, что значительно снижает точность формирования размеров низ- коомных перемычек и контактных площадок.

Целью, изобретения является повышение технологичности и уменьшение погрешности от воздействия нестационарной температуры измеряемой среды за счет выполнения сторон тензоэлементов параллельно или перпендикулярно к Ося м прямоугольной системы координат и увеличения точности формирования сопротивлений тензоэлементов окружных и радиальных тензорезисторов.

На фиг. 1 изображен общий вид предлагаемого датчика давления; на фиг. 2 - фрагмент окружного тензорезистора в увеличенном масштабе. Толщины диэлектрической, резистивной и контактной пленок для наглядности несколько увеличены.

Датчик давления содержит вакуумированный корпус 1, мембрану 2, выполненную за одно целое с опорным основанием 3. включенные в противоположные плечи измерительного моста, окружные 4 и радиальные 5 тензорезисторы, выполненные в виде

идентичных соединенных низкоомными перемычками 6 тензоэлементов 7. Тензоэле- менты частично распо ложё ньгна периферии мембраны, частично на опорном основании, симметрично двумШаймнб пе рпейдикулярным осям 8 мембраны, приведенным через ее центр. Все стороны тензоэлементов взаимно параллельны или перпендикулярны к осям мембраны, а координаты левого нижнего угла S каждого тензоэлемента в прямоугольной системе координат, образованной осями, параллельны соответствующим осям мембраны и удовлетворяют заявляемому соотношению.

Определение координат проводилось

следующим образом. Для тензорезисторов, равноудаленных от оси ординат (в нашем случае окружных), задавались значения Xi и определялись по заявляемому соотношению дня тензорезисторов, равноудаленных

от оси ординат, значения YI. Для тензорезисторов, равноудаленных от™оси абсцисс (в нашем случае радиальных), задавались значения YI и определялись по заявляемому соотношению для тензорезистороо, равноудаленных от оси абсцисс, значения Xj. Определение координат пр опо дилоСь на ПЭВМ, По результатам определения построена топология, изображенная на фиг. 1. Раздельное определение координат тензоэлементов радиальных и окружных тензорезисторов связано с необходимостью повышения точности определения координат. В случае использования для определения координат тензоэлементов,

равноудаленных от оси абсцисс, соотношения для определения координат тензорези- сгороо, равноудаленных от оси ординат, значительно уменьшается точность вследствие возможности появления неопределеиностизначенийобратных

тригонометрических функций. Аналогичные явления будут наблюдаться при использовании соотношения для определения координат тензорезисторов, равноудаленных от

оси абсцисс, для окружных тензорезисто- ров.

Корпус и упругий элемент выполнены из сплава 70НХБМЮ. На поверхности мембраны и опорного основания нанесен диэлек- трик 10 в виде структуры AlaOa-SlOa толщиной 3 мкм. Тензорезисторы выполнены из сплава П65ХС с поверхностным сопротивлением 110 Ом/квадрат. Низкоомные перемычки выполнены в виде структуры V-N толщиной 1,5 мкм.

Датчик работает следующим образом. Давление измеряемой среды воздействует на мембрану. Под воздействием измеряемого давления на мембрану в ней возникают радиальные и тангенциальные напряжения, которые приводят к появлению на пленарной стороне мембраны ради- альныхЕГ и тангенциальных

е деформаций (см. фиг. 2). Так как размеры и местоположение тензоэлементов выбраны в соответствии с заявляемым решением, то каждый тензоэлемент окружного тензо- резистора подвергается воздействию сжимающих радиальных деформаций ег. направленных под углом а к продольной оситензоэлемента, и воздействию растягивающих тангенциальных деформаций, направленных под углом / к продольной оси тензоэлемента. Из фиг. 2 видно, что деформации Јг раскладываются на деформации, направленные перпендикулярно к оси тензоэлемента ег и вдоль оси тензоэлемента Јгг.

Деформации Е раскладываются на деформации, направленные вдоль оси тензоэлемента и деформации, направленные перпендикулярно к оси тензоэлемента В результате совмеспюго воздействия продольных и поперечных деформаций сопротивление тензоэлементов окружного тензорезистора, а следовательно, и всего окружного тензорезистора увеличивается от воздействия измеряемого давления. Аналогичные процессы происходят в радиальном тензорезисторе, но о силу расположения продольных осей тензоэлементов этого тензорезистора преимущественно параллельно радиусу мембраны сопротивление этих тензоэлементов уменьшится от воздействия измеряемого давления.

Увеличение сопротивлений противоположно включенных окружных тензорезисто- ров и уменьшение противоположно включенных радиальных тензорезисторов преобразуется мостовой схемой в электрический сигнал, который поступает на выходные контакты датчика. При воздействии

нестационарной температуры измеряемой среды в предлагаемом датчике проходят процессы, аналогичные процессам в прототипе, т.е. вследстеие практических идентичного удаления тензоэлементов окружных и радиальных тензорезисторов от цэнтра мембраны и силы симметричности расположения тензоэлементов относительно осей мембраны температура тензоэлементов ок0 ружных и радиальных тензорезисторов практически одинакова. Одинаковая темпе- ,ратура радиальных и окружных тензорезисторов в каждый конкретный момент времени вызывает одинаковые изменения

5 сопротивлений тензорезисторов, которые вследствие включения терморезисторов в мостовую схему взаимно компенсируются. Причем, так как в предлагаемой конструкции точность выполнения сопротивлений

0 тензоэлементов зыше, чем в прототипе, то изменения сопротивлений отдельных тензоэлементов и противоположно включенных окружных и радиальных тензорезисторов более близкие, по сравне5 нию с прототипом, а следовательно, и погрешность от воздействия нестационарной температуры измеряемой среды в предлагаемой конструкции будет меньше.

Тензоэлементы частично расположены

0 на периферийном основании для умеиьше- ния погрешности от воздействия нестационарной температуры измеряемой среды, т.к. скорость изменения температуры на опорном основании меньше, чем на мемб5 раке, и для обеспечения максимума чувствительности в связи с тем, что максимальные деформации сосредоточены на границе мембраны и опорного основания. Тензоэлементы размещены симмет0 рично двум взаимно перпендикулярным осям мембраны, проведенным через ее центр, с целью повышения технологичности, т.к. позволяет упростить расчет и построение координат тензоэлементов и с целью

5 уменьшения погрешности при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды. Все стороны тензоэлементов взаимно параллельны или перпендикулярны к осям симметрии мембраны для повышения

0 технологичности и точности формирования тензорезисторов вследствие повышения точности и упрощения формирования размеров тенэоэлементов. Повышение точности формирования сопротивлений

5 тензорезисторов уменьшает погрешность от воздействия нестационарной температуры измеряемой среды вследствие повышения идентичности реакции отдельных тензоэлементов на изменение температуры. Оси прямоугольной системы координат

параллельны соответствующим осям мембраны для упрощения построения координат тензоэлементов, т.к. не требуется перестройка координатографа на угол, отличный от 90о, и для повышения точности формиро- вания сопротивлений тензозлементов. В связи с тем. что построение тензоэлементов на координатографе происходит снизу вверх и слева направо, координаты левого нижнего угла тензоэлемента при известном размере его стороны полностью определяют местоположение каждого тензоэлемента.

Для обоснования заявляемого соотношения обратимся к фиг. 2.

Рассматривая более подробно тензоре- зистивные элементы, можно заметить, что площадь части тензоэлемента, расположенного на мембране, ограниченная окружность мембраны, равна

X|+dXi+d

SABCD / fi(x)dx-/ f2(x)dx.

XiX|

Площадь части тензоэлемента, распо- ложенной на опорном основании ограниченной окружностью мембраны, равна

X|+dXi-fd

SADEF / f2(x)dx-/ fa(x)dx

X|X|

При воздействии нестационарной температуры измеряемой среды максимальная идентичность изменения сопротивлений тензоэлементов наблюдается при равенст- ве площадей части тензоолемеьта, располо- женного на мембране, и части тензоэлемента, расположенного на огор- ном основании/

Максимум деформаций, воспринимав- мых тензоэлементом, также будет в случае равенства площади части тензоэлемента, расположенного на мембране, площади части тензоэлемента, расположенного на опорном основании,т е

SABCD SADEF или

X|+dX|+d

/ ft(x)dx- / f2(x)dx

X|Xi

Xl+dX|+d

/ f2(x)dx- / f3(x)dx

XiX

Проведя необходимые преобраз получим заявляемые соотношения.

0

5

0

5

0

5

0

5

В связи с тем, что заявляемое решение позволяет выполнять ензоэлементы, низ- коомные перемычки и контактные площадки полностью в направлении,параллельном или перпендикулярном к координатным осям без применения направлений, отличающихся от перпендикулярности или параллельности, технологичность заявляемой конструкции по сравнению с прототипом будет выше за счет упрощения изготовления фотооригиналов и упрощения расчета топологии, т.к. при расчете топологии нет необходимости введения дополнительных угловйх координат. Изготовление фотооригиналов по предлагаемому решению также упрощено, т.к. все элементы топологии выполняются координатографом без дополнительной поднастройки угла. Кроме того, в предлагаемой конструкции повышается точность задания координат тензоэлементов за счет того, что при расчете топологии тензоэлемента не требуется пересчета из-за различного углового положения тензоэлементов относительно координатных осей. Кроме того, точность выполнения координат теизоэлементов повышается также за счеттого, что при выполнении фотооригипа- ла на координатографе все элементы тен- зосхемы выполняются при их одинаковом угловом положении.

Повышенная точность формирования сопротивлений тепзорезисторов позволяет существенно уменьшить или устранить поп- ностыо подгоночные и настроечные работы по применению начального выходного сигнала до требуемого уровня, что также существенно повышает технологичность конструкции. Кроме того, повышение точности формирования сопротивлений тензоре- зисторов уменьшает погрешность датчика в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды вследствие повышения идентичности реакции отдельных тензоэлсмснтоо на изменение температуры из-за близкого значения сопротивлений этих тензоолементов.

Технико-экономическим преимуществом предлагаемого датчика давления, по сравнению с прототипом, является повышение технологичности и уменьшение погрешности от воздействия нестационарной температуры измеряемой среды в 1,4 раза. за счет выполнения сторон тензоэлемеитов параллельно или перпендикулярно к осям прямоугольной системы координат и увеличения точности формирования сопротивлений тензоэлементов окружных и р адиальных тензорйзисторов в 2,5 раза.

Формупа изобретения Датчик давления, содержащий корпус, мембрану радиуса R с утолщенным периферийным основанием, закрепленные на пла- парной стороне мембраны пару окружных и пару радиальных тензорезисторов, включенных соответственно в противоположные плечи мостовой измерительной схемы, при этом тенэорезисторы каждой пары расположены симметрично относительно взаимно перпендикулярных осей мембраны, а соответственно каждый окружной тензорсзи- стор и радиальный тензорезистор выполнен в виде нескольких 1-тензоэлементов и j-тен- зоэлементов, соединенных соответствующими низкоомными перемычками, причем каждый тензоэлемент выполнен в форме квадрата со стороной а и расположен одной своей частью на мембране, а другой - на периферийном основании, отличающийся тем, что, с целью повышения технологичности и повышения точности в условиях воздействия нестационарных температур, в нем одна из сторон квадрата каждого тензо- элемента параллельна одной из взаимно перпендикулярных осей мембраны, причем координата YI вершины угла квадрата 1-тен- зоэлемента окружного тензорезистора, ближайшей к началу прямоугольной системы координат, образованной осями X, Y,

параллельными соответствующими взаим но перпендикулярным осям мембраны, проходящим через ее центр, удовлетворяет соотношению:

.O

VY° I M

(. . л,ло|

ЯРС51П arcsm---йх- х . А А

10 )(;-.)%

а координата X аналогичной вершины угла квадрата тензоэлемента радиального тензорезистора удовлетворяет соотношению:

q Г и4/Yj-K04ci . Y--Y0

Xj X i H - -R-аГС51П V)f

-Yi

где X0, Yo - кооодинаты центра мембраны; YI, Xj - координаты вершины угла квадрата соответственно i-тензоэлемента и j- тензоэлемента, ближайшей к началу

координат.

Использование: датчик относится к измерительной технике и может быть использован в различных областях науки и техники, связанных с измерением давления в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды. Цель: повышение технологичности и точности в условиях воздействия нестационарных температур. Сущность изобретения: в датчике давления, содержащем корпус 1, мембрану 2 радиуса R с утолщенным периферийным основанием 3, закрепленные на пленарной стороне мембраны пару окружных 4 и пару радиальных 5 тензорези- сторов, включенных соответственно в противоположные плечи мостовой измерительной схемы, при этом тензорези- сторы каждой пары расположены симметрично относительно взаимно перпендикулярных осей мембраны, а соответственно каждый окружной и радиальный