Датчик давления

 

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 (термоударе). Целью изобретения является повышение точности измерения при воздействии нестационарной температуры, повышение чувствительности и технологичности. Цель достигается тем, что в датчике давления, содержащем квадратную мембрану 1, выполненную за одно целое с опорным основанием 2, плоскость которой расположена в плоскости изотропии теплофизических свойств мембраны, измерительный мост, каждое плечо которого образовано последовательным соединением низкоомными перемычками тензоэлементов, расположенных по периферии мембраны, причем тензоэлементы двух противоположных плеч параллельны двум другим сторонам мембраны, и длины тензоэлементов одинаковы.Так как тензоэлементы выполнены в виде идентичных квадратов , расположенных симметрично относительно взаимно перпендикулярных осей, проходящих через середины сторон мембраны , а размеры сторон каждого квадрата определены по представленному соотношению , то при воздействии температур паразитные сигналы, появляющиеся у тензоэлементов, включенных в смежные плечи моста, будут одинаковы и взаимно компенсироваться . 2 ил. Ё

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5!)5 G 01 L 9/04

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4702137/10 (22) 06.06.89 (46) 07.10.91. Бюл. М 37 (72) Е.И. Белозубов (53) 531.787(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

hk 1433172, кл. G 01 1 9/04, 1986. (54) ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ (57) 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 (термоударе). Целью изобретения является повышение точности измерения при воздействии нестационарной температуры, повышение чувствительнОсти и технологичности. Цель достигается тем, что в датчике давления, содержащем квад-, ратную мембрану 1, выполненную за одно Ы 1682842 А1 целое с опорным основанием 2, плоскость которой расположена в плоскости изотропии теплофизических свойств мембраны, измерительный мост, каждое плечо которого образовано последовательным соединением низкоомными перемычками тенэоэлементов, расположенных по периферии мембраны, причем тензоэлементы двух противоположных плеч параллельны двум другим сторонам мембраны, и длины тензоэлементов одинаковы, Так как тензоэлементы выполнены в виде идентичных квадратов, расположенных симметрично относительно взаимно перпендикулярных осей, проходящих через середины сторон мембраны, а размеры сторон каждого квадрата определены по представленному соотноше- 3 . нию, то при воздействии температур паразитные сигналы, появляющиеся у тензоэлементов, включенных в смежные плечи моста, будут одинаковы и взаимно компенсироваться. 2 ил. I682842

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 нестационарных температур измеряемой среды (термоударе).

Целью изобретения является повышение точности измерения при воздействии нестационарной температуры, повышение чувствительности и технологичности.

На фиг.1 изображен датчик давления, общий вид; на фиг.2 — то же, вид на мембрану.

Датчик давления содержит квадратнук> мембрану 1, выполненную за одно целое с опорным основанием 2, Мембрана может быть выполнена как из металлического сплава, так и из монокристаллического материала, Плоскость мембраны расположена в плоскости изотропии теплофизических свойств материала, т,е. если мембрана выполнена из монокристаллического кремния, то плоскость мембраны совпадает с основной кристаллографической плоскостью (01).

Если же мембрана выполнена из поликристаллического сплава, то плоскость расположения мембраны практически может быть выполнена в любом направлении. Каждое плечо измерительного моста 3 образовано последовательным соединением низкоомными перемычками 4 тензоэлементов 5, расположенных на пеоиферии мембраны. Тензоэлементы двух плеч параллельны двум противоположнь>м сторонам мембраны, а тензоэлементы двух других плеч перпендикулярны двум другим сторонам мембраны. Длины тензоэлементов одинаковы. Тензоэлементы выполнены в виде идентичных квадратов. Квадраты расположены симметрично относительно взаимно перпендикулярных осей 6 и 7, проходящих через середины сторон мембраны. Размеры сторон каждого квадрата определены по представленному соотношению. В случае выполнения мембраны из металлического сплава между мембраной и тензоэлементами выполняют слой диэлектрического материала, например моноокиси кремния, а тензоэлементы формируют из пленки резистивного материала..

Для съема сигнала и подачи напряжения питания служат контактные площадки

8. Контактные площадки соединены с гермовыводами 9 при помощи выводных проводников 10.

Датчик давления работает следующим образом.

При воздействии на мембрану давления на ее поверхности возникают деформации.

Так как тензоэлементы выполнены в виде идентичных квадратов, расположенных симметрично относительно взаимно перпендикулярных осей, проходящих через середины сторон мембраны, то каждый квадрат подвергается воздействию деформаций, направленных вдоль и поперек тензоэлементов. Так как тензоэлементы двух противолежащих плеч тензомоста параллельны двум противоположным сторонам мембраны, а тензоэлементы двух других плеч перпендикулярны двум другим сторонам мембраны, то тензоэлементы, включенные в два противолежащие плеча тензомоста, подвергнутся растягивающим деформациям, направленным вдоль тензоэлементов, и сжимающим деформациям, направленным поперек тензоэлементов, а тензоэлементы, включенные в два другие противолежащие плеча тензомоста, подвергнутся сжимающим деформациям, направленным вдоль тензоэлементов, и растягивающим деформациям, направленным поперек тензоэлементов, В результате этого под воздействием измеряемого давления сопротивление двух противолежащих плеч возрастает, а сопротивление двух других плеч моста уменьшается. Поэтому на выходе моста появляется выходной сигнал, однозначно связанный с давлением измеряемой среды.

При воздействии на мембрану датчика нестационарной температуры измеряемой среды вследствие различных термических сопротивлений непосредственно мембраны и опорного основания температура в центральной части мембраны в общем случае существенно отличается от температуры на периферии мембраны.

Так как тензоэлементы выполнены в виде идентичных квадратов, расположенных симметрично относительно взаимно перпендикулярных осей, проходящих через середины сторон мембраны, то тензоэлементы, включенные в смежные плечи моста, подвергнутся воздействию одинаковых температур, а следовательно, и паразитные сигналы, появляющиеся у тензоэлементов, включенных в смежные плечи моста, будут одинаковы и будут взаимно компенсироваться мостовой схемой.

Размеры сторон резистивных квадратов выбраны в соответствии с представленным соотношением, исходя из необходимости максимального повышения чувствительности к измеряемому давлению

Представленное соотношение позволя— ет выбрать минимально допустимый размер стороны квадрата. Минимально возможные размеры сторон резистивных квадратов по1682842

20

35

40

50 зволяют получить максимальную чувствительность тензорезисторов от измеряемого давления, так как максимальные деформации от измеряемого давления в мембране сосредоточены в сравнительно небольших областях. Поэтому чем меньше размеры тензоэлементов, тем больше возможность поместить их в зону максимальных деформаций при воздействии давления. Максимальные деформации от измеряемого давления возникают непосредственно на границе раздела мембраны и опорного основания. Разместив центры тензоэлементов на границе раздела мембраны и опорного основания, получим максимальную чувствительность от измеряемого давления. Кроме того, чем меньше размеры тензоэлеметов, тем в более одинаковых температурах они находятся при воздействии термоудара, а следовательно, и тем выше точность при измерении давления в условия, термоудара. Выполнение тенэоэ-. лементов в виде идентичных квадратов, расположенных симметрично относительно взаимно перпендикулярных осей, проходящих через середины сторон мембраны, позволяет также повысить технологичность формирования тензоэлементов за счет снижения требований к технологическому оборудованию при одновременном соблюдении требования об идентичности сопротивлений смежных плеч тензомоста. Кроме того, идентичность формы и симметричность местоположения тензоэлементов пoзволяют при формировании тензоэлементов использовать методы мультиплексирования.

Преимуществами датчика давления являются повышение точности измерения при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды, а также повышение чувствительности за счет расположения тензозлементов в зоне максимальных тензофеформаций мембраны. Преимуществом конструкции является также повышение 45 технологичности за счет снижения требований к технологическому оборудованию при одновременном соблюдении требований об идентичности сопротивлений смежных плеч тензомоста вследствие возможности формирования тенэоэлементов каждого тензорезистора в прямоугольной системе координат, совпадающей с направлением границ раздела мембраны и опорного основания.

Формула изобретения

Датчик давления, содержащий квадратную мембрану, выполненную эа одно целое с опорным основанием, поверхность которой расположена в плоскости изотропии теплофизических свойств материала, а на поверхности мембраны закреплены тенэорезисторы, соединенные в измерительный мост, каждое плечо которого образовано последовательным соединением низкоомными перемычками тензоэлементов, расположенных по периферии мембраны, причем тензоэлементы двух противоположных плеч моста параллельны двум противоположным стОрОнам мембраны, а тензоэлементы двух других плеч перпендикулярны двум другим сторонам мембраны, при этом длины тенэоэлементов одинаковы, отличающийся тем, что, с целью повышения точности при воздействии нестационарной температуры, повышения чувствительности и технологичности, в нем тенэоэлементы выполнены в виде идентичных квадратов, расположенных симметрично относительно взаимно перпендикулярных осей, проходящих через середины сторон мембраны, а размер стороны квадрата а определен из соотношения: где V> — максимальное напряжение питания измерительного моста, В; и — количество тензоэлементов в плече моста;

К вЂ” коэффициент, учитывающий расстояние между тензоэлементами и теплопроводность материала мембраны;

Rs — поверхностное сопротивление тензоэлемента, Ом/квадрат;

Руд — максимально допустимая поверхностная рассеиваемая мощность тенэоэлемента, Вт/мм .

1682842.

° r

Составитель О.Слюсарев

Техред M.Ìoðãåíòàë Корректор M.Êó÷åðÿBàÿ

Редактор С.Пекарь

Производственно издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101

Заказ 3405 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

1! 3035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5