Способ изготовления тензорезисторных чувствительных элментов

 

Способ относится к измерительной технике и может быть использован при изготовлении тензорезисторных датчиков, работающих в условиях нестационарных температур. На поверхности упругого элемента определяют, по крайней мере, две зоны с разными знаками деформации от воздействия измеряемого параметра. Воздействуют на упругий элемент термоударом. Определяют на поверхности упругого элемента температурные поля и поля температурных деформаций. В указанных зонах размещают по два тензорезистора таким образом, чтобы они находились в равномерных среднеинтегральных температурных условиях. Тензорезисторы включают в мостовую схему. Способ позволяет компенсировать аддитивную температурную погрешность чувствительного элемента при работе в нестационарных тепловых режимах.

Способ относится к тензорезисторным датчикам механических величин и может быть использован при изготовлении датчиков, работающих в условиях воздействия нестационарных температур.

Известен способ изготовления тензорезистивных чувствительных элементов (прототип авторское свидетельство №1293474), согласно которому для компенсации аддитивной температурной погрешности при работе датчика в условиях воздействия нестационарных температур все четыре тензорезистора располагаются на упругом элементе в местах, где температура и температурные деформации в каждый момент времени в течение всего времени термоудара имеют одинаковую величину и знак (равномерные температурные условия). При этом выбираются зоны на упругом элементе, чтобы тензорезисторы, находясь в равномерных температурных условиях, одновременно могли воспринимать попарно деформации разного знака от измеряемого параметра. В этом случае все четыре тензорезистора мостовой схемы являются рабочими (воспринимают информационный параметр через деформацию упругого элемента), а в связи с тем, что все они находятся в равномерных температурных условиях, то изменение сопротивлений всех тензорезисторов как от температуры, так и от температурных деформаций упругого элемента в каждый момент воздействия термоудара будут одинаковыми как по знаку, так и по амплитуде (при условии равенства температурных коэффициентов сопротивления (ТКС) и температурных коэффициентов тензочувствительности (ТКЧ)). Это позволяет при соединении тензорезисторов в мостовую измерительную цепь, попарно в противолежащие плечи тензорезисторов воспринимающих деформацию одного знака, не только получить выходной сигнал прямо пропорциональный измеряемому параметру, но и осуществить компенсацию аддитивной температурной погрешности в течение всего времени воздействия термоудара. Это объясняется свойством мостовой схемы вычитать суммы падений напряжений на тензорезисторах попарно расположенных в противолежащих плечах, тогда из условия баланса мостовой схемы R₁·R₄=R₂·R₃, при одинаковых изменениях сопротивлений всех четырех тензорезисторов мостовой схемы ее баланс не нарушится. Условие же равенства ТКЧ для всех тензорезисторов выполняется с достаточной точностью в связи с тем, что наклеиваемые тензорезисторы, как правило, изготавливаются из одной партии и даже из одной катушки выпуска тензопровода, а тензорезисторы, изготавливаемые по микроэлектронной технологии, выполняются в едином вакуумном цикле из одной навески. Для обеспечения равенства номиналов и ТКС всех тензорезисторов в настоящее время разработано достаточно методов технологических, конструктивных и схемных.

Полученный эффект в прототипе достигается тем, что перед установкой рабочих тензорезисторов на упругий элемент на технологическом упругом элементе принятой конструкции определяют, например, методом тензометрирования (см. Тихоненков В.А. и др. Влияние конструкции упругого элемента на температурные погрешности тензорезисторного датчика давления. Приборы и системы управления. №6, 1991 г.) температурные поля и поля температурных деформаций при воздействии термоудара, например, путем воздействия на приемную полость датчика жидкого азота. Одновременно либо по эпюре деформаций, либо экспериментальным путем определяют зоны на упругом элементе, в которых имеются деформации разного знака от измеряемого параметра. Находят наличие в обеих зонах деформаций мест, в которых температура и температурные деформации имеют одинаковые значения как по величине, так и по знаку в каждый момент времени действия термоудара (равномерные температурные условия), и наносят в этих местах линии разметки для установки в каждой зоне по два тензорезистора. При сборке рабочего чувствительного элемента производят установку тензорезисторов но линиям разметки с последующим соединением их в мостовую измерительную цепь таким образом, чтобы тензорезисторы воспринимающие деформацию разного знака находились в смежных плечах.

Конструктивным исполнением рассмотренного способа изготовления чувствительного элемента является авторское свидетельство №599170. Анализ чувствительного элемента по данному авторскому свидетельству показывает, что для выполнения требования равномерных температурных условий в месте установки тензорезисторов требуется создание довольно сложных в конструктивном исполнении упругих элементов. А это, в свою очередь, не только ограничивает диапазон измерения датчика (данная конструкция рассчитана на средние диапазоны измеряемого давления), но и значительно увеличивает габариты датчика, приводит к неудобству в процессе эксплуатации (глубокое проникновение конструкции датчика в исследуемый объем трубопровода), резко снижает технологичность конструкции датчика.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка способов изготовления тензорезисторных чувствительных элементов, которые бы позволили расширить область использования различных существующих конструктивных исполнений упругих элементов для датчиков работоспособных в нестационарных температурных режимах, что, в свою очередь, позволяет расширить диапазон измеряемого параметра, минимизировать габаритные размеры и повысить технологичность изготовления датчиков.

Технический результат - расширение диапазона измерения информационного параметра, минимизация габаритных размеров и повышение технологичности в процессе изготовления датчиков.

Указанный технический результат достигается тем, что разработан метод изготовления тензорезисторных чувствительных элементов, позволяющий расширить перечень упругих элементов и упростить их конструкцию по сравнению с прототипом, использование которых обеспечивает достижение поставленной цели.

При отсутствии на упругом элементе одновременно двух зон с разными знаками деформации от измеряемого параметра, в каждой из которых имеются места для двух тензорезисторов с равномерными температурными условиями при воздействии нестационарных температурных режимов, как относительно друг друга, так и относительно мест в другой зоне деформаций, достаточно определить только две зоны с разными знаками деформации, в которых температура и температурные деформации в течение всего времени воздействия термоудара имеют одинаковый характер изменения по выбранным направлениям установки тензорезисторов как по амплитуде, так и по знаку (равномерные среднеинтегральные температурные условия) для всех четырех тензорезисторов (по два тензорезистора в каждой зоне). После установки рабочих тензорезисторов по линиям разметки, определенным по результатам экспериментальных исследований зон деформации от измеряемого параметра, температурных полей и полей температурных деформаций, по два тензорезистора будут воспринимать деформацию от измеряемого параметра разного знака, но все четыре тензорезистора будут находиться в равномерных среднеинтегральных температурных условиях в течение всего времени воздействия нестационарных температур. Тогда, если собрать из этих тензорезисторов мостовую схему с установкой попарно тензорезисторов, находящихся в одной зоне, в противолежащие плечи, можно получить чувствительный элемент с мостовой измерительной цепью, имеющей четыре рабочих тензорезистора. А в силу того, что все четыре тензорезистора в каждый момент времени воздействия нестационарных температур находятся в равномерных среднеинтегральных температурных условиях, то изменения их сопротивлений от температурных полей и полей температурных деформаций будет одинаковы как по амплитуде, так и по знаку. Это объясняется тем, что общее изменение сопротивления тензорезистора зависит от среднеинтегрального значения как температур, так и деформаций воспринимаемых ими. Если собрать эти тензорезисторы в мостовую схему, расположив попарно в противолежащих плечах тензорезисторы воспринимающие деформацию от измеряемого параметра одного знака, то получим чувствительный элемент с мостовой измерительной цепью, выходной сигнал которого будет прямо пропорционален измеряемому параметру, и аддитивная температурная погрешность которого от воздействия нестационарных температурных режимов будет скомпенсирована.

Способ осуществляется следующим образом.

С целью расширения области применения существующих конструкций упругих элементов для создания чувствительных элементов, работоспособных в условиях нестационарных тепловых режимах, разработан способ, позволяющий для данных целей использовать упругие элементы, которые не могут иметь две зоны деформации от измеряемого параметра, в которых выполняется требование по равномерности температурных условий при нестационарных тепловых режимах. В частности предлагается способ изготовления чувствительных элементов, на поверхности упругих элементов которых хотя и имеются две зоны деформаций с разными знаками от измеряемого параметра, но в них не выполняются требования равенства температурных условий.

Примером конструктивного исполнения предлагаемого способа могут служить упругие элементы в виде жесткозащемленной мембраны с массивной заделкой или консольной балки.

Упругие элементы, выполненные на основе жесткозащемленной мембраны, обладают на поверхности мембраны четырьмя зонами деформаций от измеряемого параметра (две зоны растяжения: по одной для радиальных и окружных деформаций, зона сжатия для радиальных деформаций и зона, нечувствительная к измеряемому параметру для окружных деформаций). Однако ни в одной из перечисленных зон нет мест с равномерными температурными условиями. Поэтому для данного вида упругих элементов не может быть использован способ изготовления чувствительных элементов по прототипу. Однако наличие большого количества зон деформаций от измеряемого параметра позволяет, варьируя радиальными и окружными деформациями от измеряемого параметра, выявить места установки тензорезисторов и зафиксировать их линиями разметки, в которых они будут попарно воспринимать деформации разного знака и одновременно все четыре находиться в равномерных среднеинтегральных температурных условиях. Если установить тензорезисторы на упругом элементе по линиям разметки, то два из них будут воспринимать деформацию растяжения от измеряемого параметра, а два - деформацию сжатия. При этом все четыре тензорезистора будут изменять свои сопротивления одинаково и в одну и ту же сторону от воздействия температурных полей и полей температурных деформаций в каждый момент времени термоудара. Это объясняется тем, что общее изменение сопротивления тензорезистора зависит от среднеинтегрального значения как температур, так и деформаций, воспринимаемых ими (равномерные среднеинтегральные температурные условия). Если собрать эти тензорезисторы в мостовую схему, расположив попарно в противолежащих плечах тензорезисторы воспринимающие деформацию от измеряемого параметра одного знака, то получим чувствительный элемент с мостовой измерительной цепью, выходной сигнал которого будет прямо пропорционален измеряемому параметру, и аддитивная температурная погрешность которого от воздействия нестационарных температурных режимов будет скомпенсирована.

При этом использование жесткозащемленной мембраны в виде упругого элемента позволяет создать чувствительные элементы для измерения высоких и средних значений измеряемого параметра, которые технологичны в изготовлении и обладают малыми размерами по сравнению с прототипом.

Подобный способ изготовления чувствительного элемента можно распространить и на упругий элемент в виде консольной балки с установкой рабочих тензорезисторов на обеих поверхностях балки. При этом как для упругих элементов в виде жесткозащемленной мембраны, так и для консольной балки необходимо конструктивно обеспечить постоянство направлений распространения тепловых потоков по упругому элементу в процессе воздействия нестационарных температур.

Использование консольной балки в виде упругого элемента позволяет создать чувствительные элементы для измерения низких и сверхнизких значений измеряемого параметра, которые технологичны в изготовлении и обладают малыми размерами по сравнению с прототипом.

Формула изобретения

Способ изготовления тензорезисторных чувствительных элементов, заключающийся в том, что на поверхности упругого элемента определяют зоны деформации от измеряемого параметра, воздействуют на упругий элемент термоударом и определяют температурные поля и поля температурных деформаций по его поверхности, определяют как минимум две зоны на упругом элементе, в которых деформации от измеряемого параметра имеют противоположные знаки, в этих зонах определяют сопряженные точки, в которых температура и температурные деформации в каждый момент времени воздействия термоудара имеют одинаковые значения и знак (равномерные температурные условия), в этих местах устанавливают по два тензорезистора, которые собирают в мостовую схему таким образом, чтобы тензорезисторы, воспринимающие деформации разного знака, располагались в смежных плечах, отличающийся тем, что на упругом элементе в двух зонах, имеющих деформации от измеряемого параметра разного знака, определяют сопряженные точки, в которых температура и температурные деформации в каждый момент времени в течение всего времени воздействия термоудара имеют одинаковый характер изменения по выбранным направлениям установки тензорезисторов как по амплитуде, так и по знаку (равномерные среднеинтегральные температурные условия) для всех четырех, в этих местах устанавливают по два тензорезистора, в каждой зоне деформаций от измеряемого параметра, которые собирают в мостовую схему таким образом, чтобы каждая пара находилась в противолежащих плечах.