Термокомпенсированный интегральный датчик давления (его варианты)

 

Союз Советских

Социалистических

Реслублик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (ii>1000804 (61) Дополнительное к авт, свид-ву— (22) Заявлено 15. 06. 81,(21) 3300669/18-10 с присоединением заявки ¹â€” (23) Приоритет

Опубликовано 2802.83. Бюллетень ¹ 8

Дата опубликования описания 28.02.83 ра)М Кп з

G 01 L 9/04

ГОсударствеииый комитет

С.СС P,ио делам изобретений и открытий

t$3) УДК 531 ° 787 ° (088.8) (72) Автор изобретения

О.B.ßêoâëåâ ф

/, f

/ уфимский авиационный, институт им. Ьрджанйкидэе / =-== / (71) Заявитель

Изобретение относится к приборост роению, а точнее к приборам первичной информации, и может быть использовано при измерении давления жидких и газообразных сред с помощью полупроводниковых тензорезисторных преобразователей, работающих в условиях изменяющейся температуры окружающей среды.

Известны термокомпенсированные полупроводниковые тенэорезисторные преобразователи, содержащие мостовую измерительную схему с компенсацион- ными резисторами (13 .

Недостатками подобных тенэореэисторных преобразователей являются трудности получения точных значений компенсационных резисторов и трудоемкость операций по настройке термокомпенсации, а также уменьшение чувствительности преобразователя.

Наиболее близким по технической сущнЬсти и достигаемому результату является термокомпенсированный интегральный датчик давлений, содержащий жестко .заделанную в основании мембрану, выполненную из монокристаллического материала, с полупроводниковыми термочувствительными, тензочувствительными и нагревательными элементами $2).

Однако данное устройство не позволяет повыситв точность измерений при изменении температуры окружающей среды. Это обусловлено тем, что

5 расположенные на линии нулевых радиальных деформаций нагревательные элементы создают два направления температуры по толщине и радиусу мембраны, один из которых направлен !

О от линии нулевых радиальных деформаций к центру мембраны, а другой от линии нулевых радиальных деформаций к заделке. Возникающие при этом за счет темоупругих напряжений изгибающие моменты вызывают выпучивание мембраны, которое искажает деформированное состояние мембраны, чувствительность датчика и, таким образом,вносит погрешность в измере20 ния.

Кроме того, нагревательные и термочувствительные элементы расположе" ны рядом, на линии нулевых радиальных деформаций, и при увеличении теплоты, выделяемой нагревательными элементами, происходит нагрев термочувствительных элементов, что приводит к снижению точности измерений датчика при изменении температуры

30 окружаклщей среды.

154) ТЕРМОКОИПЕНСИРОВАННЫЙ ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ (ЕГО BAPHAHTbl j,1000804

Цель изобретения — повышение точ-, ности измерений за счет уменьшения температурной погрешности.

Поставленная цель достигается тем, что в термокомпенсированном интегральном датчике давлений по пер- 5 вому варианту, содержащем жестко за-. деланную в основании мембрану, выполненную из монокристаллического материала, с расположенными на ней полупроводниковыми тензочувствительными, нагревательными и термочувствительными элементами, термочувствительные элементы расположены на основании мембраны, а тензочувствительные элементы выполнены с длиной, не превы шающей 0,05a. и расположены от центра мембраны на расстояние, выбранном из соотношения 0,45<Ь/ <0,5, нагревательные элементы расположены в центральной части мембраны на площади, центр которой совпадает с центром мембраны, а расстояние от центра мембраны по линии контура площади определяется соотношением c,/с = 0,2, где a — сторона квадратной или диаметр круглой мембраны;

Ь вЂ” расстояние от центра мем.браны до линии контура расположения тензочувствительных элементов; . 30 с — расстояние от центра мембраны до линии контура площади расположения нагревательных элементов.

В термокомпенсированном интеграль-! ном датчике давления по второму варианту,. содержащем жестко заделанную в основании мембрану, выполненную . из монокристаллического материала, с 40 расположенными на ней полупроводниковыми тензочувствительными, нагревательными и термочувствительными элементами, термочувствительные элементы расположены по основании мембраны, . 45 тензочувствительные элементы выполнены .с длиной, не превышающей 0,05 а, и расположены в центральной части мембраны на площади, центр которой совпадает с центром мембраны, а расстояние от центра мембраны до линии контура площади определяется соотношением 0(9(

На фиг.1 изображен термокомпенсированный интегральный датчик по первому варианту;на фиг. 2 — то же, по второму варианту, Устройство содержит основание 1, в котором жестко заделана мембрана 2из монокристаллического кремния (100) с расположенными на ней термочувствительными 3, тензочувствительными 4 и нагревательными 5 элементами, измерительный мост б, усилитель 7.и регулирующий элемент 8.

Терморезистор 3 расположен на нечувствительном к давлению основании 1, не воспринимает теплоту от нагревательных резисторов 5 и реагирует только на изменение температуры окружающей средй.

Тензорезисторы 4 р-типа проводимости ориентированы в плоскости мембраны 2 в направлении максимальной тензочувствительности (110 ) соедине ны в мостовую измерительную схему, расположены между линией 9 заделки и линией на поверхности мембраны, эквидистантной линии конутра мембраны в заделке и отстоящей оу центра мембраны на расстоянии О, 45 О, 5О, где а — сторона квадратной или диаметр круглой мембраны. Размер длины тензорезистора составляет не более, О, 5 с

Нагревательные резисторы 5 р -типа проводимости орентированы в плоскости мембраны 2 в направлении минимальной тензочувствительности (100 ), чем обеспечивается их невосприимчивость к деформации мембраны, расположены в центральной области мембраны на участке площади, центр которой совпадает с центром мембраны, и линия контура 10 которой эквидйстантна линии контура мембраны в заделке 9, а расстояние с от центра мембраны до линии контура 10 указанной площади равно с--О, 2 а

В качестве монокристаллического материала мембраны 2 по второму варианту используется кремний р-типа проводимости с плоскостью кристаллографической ориентации (100 >. На мембране 2 расположены термочувствительные 3, тенэочувствительные 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 ок-. ружающей среды.

Нагревательные резисторы 5 ориентированы в плоскости мембраны 2 в направлении минимальной тензочувст,вительности (110 ), чем обеспечивается их.невосприимчивость к деформации

1000804 мембраны, расположены по контуру мембраны между заделкой 9 и линией, отс- тоящей от центра мембраны на расстоянии ср0,3а.

Тензорезисторы 4 выполнены длиной, не превышающей 0,05, ориентированы в плоскости мембраны 2 в направлении максимальной тензочувствительности

<100), соединены в мостовую измерительную схему, расположены в центральной области мембраны на участке 10 площади, центр которой совпадает с центром мембраны и линия конутра 10 которой эквидистантна линии контура мембраны в заделке 9, а расстояние

Ь от центра мембраны долинин контура, 5

1 указанной площади определяется соотношением 0

Работа устройства происходит следующим образом.

В исходном состоянии при тарировочной 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 окружа-.

30 ющей 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 б сигнал,пропорциональный температуре окружающей среды, поступает на вход усилителя 40

7, где усиливается и подается на вход регулирующего элемента 8, который, в свою очередь, открывается и регулирует величину тока, протекающего через нагревательные резисторы 5. Выделяемая на нагревательных резисторах

5 теплота создает строго однонаправленный градиент температуры по толщине и стороне мембраны, который направлен от центра мембраны к заделке 9 (во втором варианте устройства градиент температуры по толщине и стороне мембраны направлен от заделки 9 к центру мембраны ). Воз» никающий при этом за счет термоупругих напряжений момент вызывает прогиб мембраны 2 и появление дополнительных компенсационных механических. напряжений. Тензорезисторы 4воспринимают зти компенсационные напряжения, сопротивление их изменяется. Таким 60 образом, предлагаемое усуройство позволяет скомпенсировать температурную погрешность датчика и тем самым повысить точность измерений при изменении температуры окружающей среды. б5

Формула изобретения

1. Термокомпенсированньп 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 а ю шийся 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 0,05й и расположены от центра-мембраны на расстоянии, выбранном из соотношения

0,45<Ь О<0,5, нагревательные элементы расположены в центральной части мембраны на площади, центр которой совпадает с центром мембраны, а расстояние от центра мембраны до линии площади определяется соотношением с/a = 0,2, где а - сторона квадратной или диаметр круглой мембраны, Ь вЂ” расстояние от центра мембраны до линии контура. расположения тензочувствительных элементов; о

c - расстояние от центра мембра-. ны до линии контура площади расположения нагревательных элементов.

2. Термокомпенсированный интегральный датчик давления, содержащий жестко заделанную в основании мембрану, выполненную из монокристаллического материала, с расположенными на ней полупроводниковыми, термочувствительными, тензочувствительными и нагревательными элементами, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью повы- шения точности измерений за счет уменьшения температурной погрешности, в нем термочувствительные элементы расположены на основании мембраны, тензочувствительные элементы выполнены с длиной, не превышающей 0,050, и расположены в центральной части мембраны на площади, центр которой совпадает с центром мембраны, а расстояние от центра мембраны до .линии контура площади определяется соотношением 0 <Ь /a < 0,05, нагревательные элементы расположены от центра мембраны на расстоянии, определяемом соотношением с„ Ь =0,3, где c4 — сторона квадратной или диа.метр круглой мембраныр расстояние от центра мембраны

1 до линии контура площади расположения тензочувствительных элементов;

C — расстояние от центра мембра1 ны до линии контура располо1000804

Составитель В.Казаков

Редактор М.Янович ТехредЛ.Пекарь Корректор И. Ватрушкина э

Заказ 1362/41 Тираж 871 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Филиал ППП "Патент", r.Óæãoðîä, ул. Проектная,4 жения нагревательных элементов.

Источники информации, .принятые во внимание при экспертизе

1. Патент США Р 324525?, кл. 73-885, 1966.

2. Патент ГДР Р 110343, кл. с, 01 L 1/22, 1974 (прототип f