Датчик давления

 

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 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

союз соВетских социАлистических

РЕСПУБЛИК (5!)5 G 01 L 9/04

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО. СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4796305/10 (22) 16.01.90 (46) 30.12.92. Бюл. М 48 (71) Научно-исследовательский институт физических измерений (72) Е.М.Белозубов (56) Авторское свидетельство СССР

N 1337691, кл. G 01 1 9/04, 1984.

Авторское свидетельство CCP

N- 1696919, кл. С Ot L 9/04, 1988. (54) ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ (57) Использование: датчик относится к измерительной технике и может быть использован в различных областях науки и техники, связанных с измерением давления в условиях воздействия нестационарной, БЦ,„, 1784847 А1 температуры измеряемой среды. Цепь: повышение технологичности и точности в условиях воздействия нестацйонарных температур. Сущность изобретения: в датчике давления, содержаЩЕм корпус 1, мембрану 2 радиуса R с утолщенным периферийным основанйем 3, закрепленные на планарной стороне мембраны пару окружных 4 и пару радиальных 5 тензорезисторов. включеннйх соответствейй6 в противоположные плечи мостовой измерительной схемы, при этом тензорезисторы каждой пары расположены симметрично относительно взаимно перпендикуйярных "бсей мембраны, а соответственно каждый окружной и радиальный

1784847

20

1 г = го — !тр

30 тензореэисторы выполнены виде нескольких i-тензорезисторов и j-тензореэисторов, соединенных соответствующими низкоомньили пере лычками 6, причем каждый тензоэлемент выполнен в форме квадрата со стороны а и расположен одной своей частью на мембране, а другой — на периферийном основании. Одна из сторон квадрата каждого 1-тензоэлемента параллельна одной из взаимйо перпендйкулярных осей мембраны, причем координата Yr вершины угла

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике, в частности к датчйкам, 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 где r< — расстояние от центра мембраны до середины тензорезистора, размещенного в радиальном направлении;

Ьр — длина тензорезистора, размещенного в радиальном направлении.

Недостатко л известной конструкции является низкая технологичность, Это связано с тем, что при выполнении фотооригиналов тенэосхе лы точность задания координат тензорезисторов, располо>кенных по дуге окружности, существенно ниже точности задания координат прямолинейных тензорезисторов. Точность изготовления фотошаблонов в области дуговых тензореэисторов также хуже точности изготовления фотошаблонов в области прямолинейных тензорезисторов. В силу этих причин точность формирования размеров тензорезистороэ, расположенных по дуге, значительно хуже точности формирования размеров прямолинейных тензорезисторов. Недостаточная точность размеров дуквадрата i-тензоэлемента окружного тензорезистора, ближайшей к началу прямоугольной системы координат, образованной осями Х и У, параллельными соответствующими взаимно перпендикулярным осям мембраны, проходящим через ее центр. удовлетворяет заявляемому соотношению.

Положительный эффект: повышение технологичности и повышение точности в условиях воздействия нестационарной температуры в 1,4 раза. 2 ил. говых тензорезисторов приводит к значительному разбросу сопротивлений этих тенэорезисторов, 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 c 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-тензоэлементов и j-тензоэлементов, соединенных соответствующими низкоомными перемычками, причем каждый тензоэлемеHT 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

1784847 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 тензоалементов порядка 20 — 30 может иметься не более четырех тензоэлементов, стороны которых параллельны осям координат(по 1 в окружном и радиальном тензорезисторе), а стороны остальных тензоэлементов расположены под углом к осям координат, то точность задания координат радиальных и окружных тензорезисторов определяется точностью задания координат тензоэлементов, сторонй которых расположены под углом к осям координат.

Различная величина углов расположения сторон тензоэлементов еще больше ухудшает точность выполнения размеров тензоэлементов на фотоаригинале. 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 нестационарнай 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 тензоэлементов в области одинакового изменения температур существует все же îriределенная погрешность от термоудара.

Кроме того, в известной конструкции низкоомные перемычки и контактные площадки также выполнены под различными углами к координатным осям, 1то значительно снижает точность формирования размеров низкоомных перемычек и контактных площадок.

Целью иэобоетения является повышение технологичности и уменьшение погрешности от воздействия нестациойарной температуры измеряемой среды за счет выполненйя сторон тензоэлементов riapanлельно или перпендикулярно -к осям" прямоугольной системы координат и увеЛй.чения точности формирования сопротивлевие возмо>кности появления неопределен55 ности значений обратных тригонометрических функций. Аналогичные явления будут наблюдаться при использовании соотношения для "определения координат тензорезисторов, равноудаленных от

50 ний тензоэлементов окружных и радиальных тенэорезисторов.

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 содер>кит 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 аиде идентичных соединенных ниэкоомными перемычками 6 тензоэлементов 7. Тенэоэлементы частично располоаИ4ьгна периферии мембраны, частично на опорном основании, симметрично двум взаимно"перпейдикулярным осям 8 мембраны, приведенным через ее центр, Все стороны тензоэлементов взаимно параллельны или перпендикулярны к осям мембраны, а координаты левого ниж-. него угла 9 каждого тензозлемента в прямоугольной системе координат, образованной осями, параллельны соответствующим осям мембраны и удовлетворяют заявляемому соотношению.

Определение координат проводилось следующим образом. Для тейзорезисторов, равноудаленных от оси ординат (в нашем случае окружных), задавались значения Xi u определялись по заявляемому соотношению для тензорезисторов, равноудаленных от оси ординат, значения Уь Для тензорезисторов, равнбудаленнйх Or бсй абсцисс (в нашем случае радиальных), задавались значения Yi и определялись по заявляемому соотношению для тензорезисторов, равноудаленных от оси абсцисс, значения Х, Определение координат проводилось на

ПЭВМ, По результатам определения построена топология, изображенная на фиг. 1.

Раздельное определение координат тензоэлементов радиальных и окружных тензарезисторов связано с необходимостью повышения точности определения координат. В случае использования для определения коордйнат тензоэлементов, равноудаленных от оси абсцисс, соотношения для определения координат тензорезисторов, равноудаленйых от ocf1 ординат, значител ьно уменьшается точность вследст1784847

10

20

30 ао

50 оси абсцисс, для окружных тензорезисторов.

Корпус и упругий элемент выполнены из сплава 701(ХБМ10, На поверхности мембраны и опорного основания нанесен диэлектрик 10 в виде структуры Ai203 — Si02 толщиной 3 мкм. Тензорезисторы выполнены из сплава П65ХС с поверхностным сопротивлением 110 Ом/квадрат, Низкоомные перемычки выполнены о виде структуры V-Ni толщиной 1,5 мкм, : Датчик работает следук щим образом.

Давление измеряемой среды воздействует йа мембрану. Под воздействием измеряемого давления на мембрану в ней возникают радиальные и тангенциальные напряжения, которые приводят к появлению на планарной стороне мембраны ради альных e< и тангенциальных о деформаций (см. фиг. 2). Так как размеры .и местоположение тензоэлементов выбраны в соответствии с заявляемйм решенлем, то каждый тензоэлемент окружного тензо. резистора подвергается воздействию сжимающих радиальных деформаций ог, направленнйх под углом а к продольной оси тензоэлемента; и воздействию растягивающих тангенциальных деформаций, направленных под углом j3 к продольной оси тензоэлемента. Из фиг. 2 видно, что деформации er раскладываются на деформации, направленные перпендикулярно к оси тензоэлемента е< и вдоль оси тензоэлементае, .

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

Увеличение сопротивлений противопо ложно включенных окружнйх тензореэисторов и уменьшение противоположно включенных радиальных тензореэистороо 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. вследствие практических идентичного удаления тензоэлементов окружных и радиальных тензорезисторов от центра мембраны и силы симметричности расположения тензоэлементов относительно осей мембраны температура тензоэлементов окружных и радиальных тейэорезисторов практически одинакова. Одинаковая темпе-. ратура радиальных и окружных тензорезисторов в каждый конкретный момент времени вызывает одинаковые изменения сопротивлений тензорезисторов, которые вследствие включения терморезисторов в мостовую схему взаимно компенсируются.

Причем, так как в предлагаемой конструкции точность выполнения сопротивлений тензоэлементов выше, чем в прототипе, то изменения сопротивлений отдельных тензозлементов и противоположно включенHblx окружных и радиальных тензорезисторов более близкие, по сравнению с прототипом. а следовательно, и погрешность от воздействия нестационарной температуры измеряемой среды в предлагаемой конструкции будет меньше.

Тензоэлементы частйчно расположены на периферийном основакии для уменьшения погрешности от воздействия нестационарной температуры измеряемой среды, т.к. скорость изменения температуры на опорном основании меньше, чем на мембране, и для обеспечения максимума чувствитальности о связи с тем, что максимальные деформации сосредоточены на границе мембраны и опорного основания. Тензоэлементы размещены симметрично двум взаимно перпендикулярным осям мембраны, проведенным через ее центр, с целью повышения технологичности,: т.к, позволяет упростить расчет и построение координат тензоэлементов v. с целью уменьшения погрешности при воздействии нестациойарной температуры измеряемой среды. Все стороны тензоэлементов взаимно параллельны или перпендикулярны к осям симметрии мембраны для повышения технологичности и точности формирования тензорезисторов вследствие повышения точности и упрощения формирования размеров тенэоэлементов. Повышение точности формирования сопротивлений тензорезисторов уменьшает погрешность от воздействия нестационарной температуры измеряемой среды вследствие повышения идентичности реакции отдельных тензоэлементов на изменение температуры, Оси прямоугольной системы координат

1784847

5

20

30

SABCD = SADEF или параллельны соответствующим осям мембраны для упрощения построения координат тензоэлементов, т.к. не требуется перестройка координатографа на угол, отличный

От 90о, и для повышения точности формирования сопротивлений тенэоэлементов. В связи с тем, что построение тензоэлементов на координатографе происходит снизу вверх и слева направо, координаты левого нижнего угла тензоэлемента при иэвест11ом размере его стороны полностью определяют местоположение каждого тензоэлемента.

Для обоснования заявляемого соотношения обратимся к фиг. 2.

Рассматривая более подробно тензорезистивные элементы, можно заметить, что площадь части тензоэлемента, расположенного на мембране, ограниченная окружность мембраны, равна х + х +1

SABCD = f f1(x)dx — / fz(x)dx.

XI XIПлощадь части тензоэлемента, расположенной на опорном основании ограниченной окружностью мембраны, равна х + х +

SADEF = ) f2(x)dx f fz(x)dx

XI XI

При Воздействии нестационарной температуры измеряемой среды максимальная идентичность изменения сопротивлений тензозлементов наблюдается при равенстВе площадеи части тензоэлемента, раСположенного на мембране, и части тензоэлемента, расположенного на огорном основании. максимум деформаций, воспринимаемых тензоэлементом, также будет в случае равенства площади части тензоэлемента; расположенного на мембране, площади части тензоэлемента, расположенного на опорном основании, т,е.

XI +d X l +d

f1(x)dx — f f2(x)dx =

XI . XI

XI +0 X I +d

= f f2(x)dx fa(x)dx

У. XI

Проведя необходимые преобразования, получим заявляемые соотношения.

В связи с тем, что заявляемое решение позволяет выполнять тензоэлементы, низкоомные 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 координатографам без дополнителы Ой поднастройки угла. Кроме того, в предлагаемой конструкции повышается точность задания координат тензоэлементов

3а счет того, что при расчете топологии тензоэлемента не требуется пересчета из-за различного углового положения тензоэлементов относительно кобрдинатных осей.

Кроме того, точность выполнения координат тензоэлементов повышается также за счеттого, что при выполнении фотоаригинала на координатографе все элементы тензосхемы ВыпОлняются при их Одинаковом угловом положении.

Повышенная точность формирования сопротивлений тенэорезисторов позволлет существенно уменьшить или устранить полIIocTI lo подгоночные и настроечные работы по применению начального выходнс го сигнала да требуемого уровня, что также существенно повышает технологичность конструкции. Кроме того, повышение точности формирования сопротивлений тензорезисторов уменьшает погрешность датчика в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды вследствие повышения идентичности реакции отдельных тензоэлементов на изменение температуры из-за близкого значения сопротивлений этих тензоэлементов.

Технико-экономическим преимущест-.

Вом 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 тензоэлементов параллельно или перпендикулярно к осям прямоугольной системы координат и увеличения точности формирования сопротивлений тенэоэлемонтов окружных и радиальных тензорезисторов 8 2,5 раза.

1784847 д p (. X;-Хо Q . Х;-х

Y;=Y — + агс6п -arcsin, .—,, (К

Составитель Е. Белозубов

Редактор 8. Трубченко Техред М.Моргентал Корректор С, Лисина

Заказ 4359 Тираж . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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

Формула изобретения

Датчик давления, содержащий корпус, мембрану радиуса R с утолщенным периферийным основанием, закрепленные на планарной стороне мембраны пару окружных и пару радиальных тензорезисторов; включенных соответственно в противоположные плечи мостовой измерительной схемы, при этом тейзорезисторй каждой пары расположены симметрично относительно взаимно йерпендикулярных осей мембраны, а соответственно каждый окружной тейзорозистор и радиальный тензорезйстор выполнен в виде нескольких i-тензоэлементов и j-тензоэлементов, Соединенных соответСтвующими низкоомйыми перемычками, причем каждый тензоэлемент выполнен в форме квадрата со стороной а и расположен одной своей частью на мембране, а другой — на периферийном основании, о т л и ч а ю.щ ий с я тем;что с цельЮ повышения технологичности и повышейия точности в условиях воздействия нестац ионарн ых. темпе ратур, в нем одна из сторон квадрата, каждого тензо элемента параллельна одной из взаимно перпендикулярных осей мембраны, причем координата Yt вершины угла квадрата 1-тензоэлемейта окружного тенэорезистора, ближайшей к началу прямоугольной системы координат, образованной осями X, Y; параллельными соответствующими взаимно перпендикулярным осям мембраны, 0р0ходящим через ее центр, удовлетворяет соотношению: .

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

Q 1 /, Yj-Хф4(м, У -Ур1;

20 Х =Х --+(— (а cgiw archie )

2 . (2а(R -(т; а-Т, - gR -(Y;- (,1, 25 где Хо, Y< — кооодинаты центра мембраны;

Yl, )(1 — координаты вершины угла квадрата "соответственно i-тензоэлемента и j тейзоэлемента, ближайшей к началу

30 координат..