Датчик давления

 

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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5))5 . 6 01 L 9/04

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

О1

C) ф О (21) 4899504/10 (22) 03.01.91 (46) 07,09.92. Бюл, N. 33 (71) Научно-исследовательский институт физических измерений (72) Е. M. Белозубов и А, И. Зыков (56) 1, Авт. св, СССР

¹ 1337691, G 01 1 9/04 1986 г.

2. Авт. св. СССР

N -1615578, GB 01 (9/04 от 1988 r. (54) ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ (57) Использование: датчик относится к измерите: ьной технике и может быть использован в 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 заИзобретение относится к измерительной технике, в частности к датчикам, предназначенным 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 тенэорезисторы, размещенные по дуге окружности и по радиусу мембраны, причем окружные тензорезисторы своей срединной частью размещены по окружности с радиусом

r= гс — 1т

3. Ж 1760410 А1 крепленную 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. где го — расстояние от центра мембраны до середины тензорезистора, размещенного в радиальном направлении;

1 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.

3 17

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

Но

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 = 3,9х10 С разница сопротивлений перемычек, включенных в соседние плечи мостовой схемы, 0,5 Ом в температурном диапазоне 300 С эквивалентна изменению сопротивления тензорезистора Л R = 3,3»

10 . 0,5 300 = 0,5 Ом, что от номинального изменения сопротивления тенэорезистора от максимального изменяемого давления 4

Ом составляет 12%, т.е. погрешность измерения в диапазоне температур 300 С только от различий сопротивлений перемычек, - 1 тах + - 1 т1п + - 2 ртах + 160410 4 включенных в соседние плечи мостовой схемы, может составить 127 от номинального выходного сигнала. Сопротивление тензоэлементов, несмотря на сравнительно большие значения (порядка сотен OM), приносит меньший вклад в температурную погрешность вследствие идентичности размеров тензоэлементов и существенно меньшего значения TKC тензореэисторов(10 — 10 С .)

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 тензорезисторы, соединенные одинаковыми перемычками, расположенными симметрично центру мембраны, и идентичные радиальные тензореэисторы, соединенные одинаковыми внутренними и одинаковыми внешними перемычками с соединительными участками. расположенными симметрично центру мембраны, каждая перемычка

ЗО выполнена в виде многослойной металлической структуры с расположенными под контактным слоем, реэисгивного материала, повторяющим конфигурацию контактного слоя, при этом размеры перемычек выпол35, нены в соответствии с соотношением

Lî тах + Lî min г Н, Ь(mai HH, -1

2рт!и +2 а к и 2 где Но — ширина перемычки, соединяющей окружные тензорезисторы;

Кр — ширина перемычки, соединяющей радиальные тензореэисторы;

Lomax, Lnmln — максимальная и минимальная длина перемычки, соединяющей окружные тензореэисторы;

L1ртах, L1рып — максимальная и минимальная длина соединительных участков внешней перемычки, соединяющей радиальные тензорезисторы;

L2ртах, арта — максимальная и минимальная длина соединительных уча тков внутренней перемычки, соединяющей радиальные тензорезисторы; а — размер стороны тензореэистора, сопрягающейся с перемычкой. л= 3,14, На фиг, 1 изображен общий вид предлагаемого датчика давления; на фиг. 2 — фрагмент топологии окружных тензореэисторов;

® на фиг. 3 — фрагмент топологии радиальных тенэорезисторов.

Датчик давления содержит корпус 1, мембраку 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, 5G Перемычки выполнены в виде многослойной структуры с располо>кенным под контактным слоем резистивным слоем, повторяющим конфигурацию контактного слоя. Например, резисторы выполнены из у пленки материала П65ХС, а перемычки в виде пленочной композиции молибден-никель. В этом случае резистивный слой из сплава П65ХС сформирован таким образом, что его конфигурация совпадает с конфигу17604

40

2Н

Но рацией 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 80 многом определяются размерами тензоэлементов бывает необходимым выравнивание сопротивлений перемычек осуществлять вариацией шириной перемычек радиальных тензорезисторов.

Датчик давления работает следующим образом, При воздействии на мембранудавления в ней возникают радиальные и тангенциальные напряжения, которые приводят к появлению на планарной стороне мембраны радиальных и тангенциальных деформаций. В результате воздействия деформаций на тензоэлементы окружных и радиальных тензорезисторов сопротивление окружных тензорезисторов возрастает, а сопротивление радиальных тензорезисторов уменьшается.

Увеличение сопротивлений противоположно вкл1оченных окружных тензорезисторов 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. B результате -1макс+ -1мин + -2рмакс + -2рмин + 2где Но — ширина перемычки, соединяющей окружные тензорезисторы;

Нр — ширина перемычки, соединяющей . радиальные тензорезисторы; омзкс, омин — максимальная и минимальная длина перемычки, соединяющей окружные тензорезисторы;

10 6 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

l 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 счетуменьшения 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 тензорезисторы, 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

Ьрмакс, -1рмин МакСимальная и минимальная длина соединительных участков внешней перемычки, соединяющей радиальные тензорезисторы;

Ырмакс. 12рмин — максимальная и минимальная длина соединительных участков

1760410 внутренней перемычки. соединяющей радиальные тенэореэисторы; а — размер стороны тенэореэистора, сопрягающейся с перемычкой.

1760410

Риг2

9 (лпдериу па/

Составитель Е.Белозубов

Техред М.Моргентал Корректор M.Àíäðóøåíêà

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 3181 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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