Тонкопленочный датчик давления
Использование: 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 (термоудара). Сущность: датчик давления содержит корпус, круглую мембрану с периферийным основанием, по которому мембрана закреплена в корпусе, соединенные перемычками из низкоомного материала и включенные соответственно в противоположные плечи измерительного моста окружные и радиальные тензорезисторы, выполненные в виде одинакового количества имеющих одинаковую форму тензоэлементов, расположенных по окружности на периферии мембраны. При этом одна из перемычек, соединяющих окружные и радиальные тензорезисторы, имеет две контактные площадки, соединенные резистивной полосой в виде части кольца, размещенного на минимально возможном расстоянии от тензорезисторов по окружности с центром, находящимся в центре мембраны, причем отдельные участки части кольца закорочены дополнительными перемычками. Технический результат изобретения заключается в уменьшении погрешности измерения давления в условиях воздействия нестационарной температуры и измеряемой среды. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.
Предполагаемое 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 (термоудара).
Известна конструкция тонкопленочного датчика давления, предназначенная для использования в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды, содержащая металлический упругий элемент в виде выполненной за одно целое с опорным основанием круглой жесткозащемленной мембраны с диэлектриком, на котором расположены симметрично одной из осей мембраны центральные тензорезисторы в виде части круговых колец, равноудаленных от контура мембраны и периферийные тензорезисторы в виде участков, симметрично расположенных относительно этой же оси, причем периферийные тензорезисторы выполнены в виде равнобедренных трапеций, продольные оси которых расположены по радиусу мембраны, с основаниями, выполненными на дуге соответствующей окружности, а малое основание совпадает с контуром мембраны (Патент РФ №2041452 МПК G 01 L 9/04, Бюл. №22 от 09.08.95).
Недостатком известной конструкции является большая погрешность измерения давления в условиях воздействия нестационарной температуры вследствие значительного различия формы, размеров и местоположения центральных и периферийных тензорезисторов, приводящего к существенной разнице температур и реакциям на эти температуры тензорезисторов, включенных в противоположные плечи мостовой схемы.
Недостатком известной конструкции является также большая погрешность измерения в условиях воздействия нестационарных температур вследствие наличия нескомпенсированной термо-ЭДС. Нескомпенсированная термо-ЭДС является результатом взаимодействия множества термо-ЭДС, возникающих на границах разделов тензорезисторов и перемычек вследствие несимметрии перемычек в центральных и периферийных тензорезисторах и вследствие несовершенства характеристик тензорезисторов и перемычек.
Известна конструкция тонкопленочного датчика давления, предназначенная для измерения давления в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды, выбранная в качестве прототипа, содержащая корпус, круглую мембрану с периферийным основанием, по которому мембрана закреплена в корпусе, соединенные перемычками из низкоомного материала и включенные соответственно в противоположные плечи измерительного моста окружные и радиальные тензорезисторы, выполненные в виде одинакового количества имеющих одинаковую форму тензоэлементов, расположенных по окружности на периферии мембраны (Патент РФ №1615578 МПК G 01 L 9/04 Бюл. №47 от 23.12.90 г.).
Недостатком известной конструкции является сравнительно большая погрешность измерения давления в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды вследствие имеющегося при реальном производстве технологического разброса геометрических размеров и физических характеристик тензорезисторов: удельного поверхностного сопротивления, температурного коэффициента сопротивления и т.д., приводящих к различной реакции окружных и радиальных тензорезисторов на воздействие даже одинаковых температур.
Недостатком известной конструкции является также сравнительно большая погрешность измерения в условиях воздействия нестационарных температур вследствие наличия нескомпенсированной суммарной интегральной термо-ЭДС. Нескомпенсированная термо-ЭДС является результатом взаимодействия множества термо-ЭДС, возникающих на границах разделов тензоэлементов и перемычек вследствие несовершенства структуры и неидентичности физических характеристик тензоэлементов и перемычек,
Задачей предполагаемого изобретения является уменьшение погрешности измерения в условиях воздействия нестационарной температуры за счет компенсации технологического разброса геометрических размеров и физических характеристик окружных и радиальных тензорезисторов, а также за счет компенсации суммарной интегральной термо-ЭДС, возникающей в результате взаимодействия множества интегральных термо-ЭДС на границах разделов тензоэлементов и перемычек вследствие несовершенства структуры и неидентичности физических характеристик тензоэлементов и перемычек.
Поставленная задача достигается тем, что в датчике давления, содержащем корпус, круглую мембрану с периферийным основанием, по которому мембрана закреплена в корпусе, соединенные перемычками из низкоомного материала и включенные соответственно в противоположные плечи измерительного моста окружные и радиальные тензорезисторы, выполненные в виде одинакового количества имеющих одинаковую форму тензоэлементов, расположенные по окружности на периферии мембраны.
Одна из перемычек, соединяющих окружные и радиальные тензорезисторы, имеет две контактные площадки, соединенные резистивной полосой в виде части кольца, размещенного на минимально возможном расстоянии от тензорезисторов по окружности с центром, находящимся в центре мембраны, причем отдельные участки кольца закорочены дополнительными перемычками.
В части кольца выполнен разрыв, в котором размещена дополнительная резистивная полоса, расположенная не по окружности с центром, находящимся в центре мембраны, и соединенные с частью кольца две вторые дополнительные резистивные полосы, расположенные по обе стороны от дополнительной резистивной полосы, а каждая из вторых дополнительных резистивных полос соединена с дополнительной полосой при помощи вторых дополнительных перемычек, причем дополнительная резистивная полоса выполнена из материала, контактная разность потенциалов которого относительно второй дополнительной перемычки отличается от контактной разности потенциалов материала второй дополнительной резистивной полосы относительно второй дополнительной перемычки.
Дополнительная резистивная полоса расположена по радиусу мембраны.
Резистивная полоса размещена над тензорезисторами на дополнительной изоляционной пленке, находящейся на тензорезисторах.
На фиг.1 изображен предлагаемый тонкопленочный датчик давления в соответствии с п.1 формулы изобретения. На фиг.2 изображен фрагмент предлагаемого тонкопленочного датчика давления в соответствии с п.2 формулы изобретения. На фиг.3 изображен фрагмент предлагаемого тонкопленочного датчика давления в соответствии с п.3 формулы. На фиг.4 изображен фрагмент предлагаемого тонкопленочного датчика давления в соответствии с п.4 формулы.
На фиг.1...4 обозначены: 1 - корпус, 2 - мембрана, 3 - периферийное основание, 4 - перемычка, 5 - окружной тензорезистор, 6 - радиальный тензорезистор, 7 - тензоэлемент, 8 - контактная площадка, 9 - контактная площадка, 10 - резистивная полоса, 11 - дополнительная перемычка, 12 - дополнительная резистивная полоса, 13 - вторая дополнительная полоса, 14 - вторая дополнительная перемычка, 15 - дополнительная изоляционная пленка, 16 - выводной проводник, 17 - гермовывод. Соотношения размеров для наглядности несколько изменены. Тонкопленочный датчик давления содержит корпус 1, круглую мембрану 2 с периферийным основанием 3, по которому мембрана закреплена в корпусе, соединенные перемычками 4 из низкоомного материала и включенные соответственно в противоположные плечи измерительного моста окружные 5 и радиальные 6 тензорезисторы, выполненные в виде одинакового количества соединенных перемычками 4, имеющих одинаковую форму тензоэлементов 7, расположенных по окружности на периферии мембраны. Одна из перемычек, соединяющих окружные 5 и радиальные 6 тензорезисторы, имеет две контактные площадки 8 и 9, соединенные резистивной полосой 10 в виде части кольца, размещенного на минимально возможном расстоянии от тензорезисторов 5 и 6 по окружности с центром, находящимся в центре мембраны. Отдельные участки резистивной полосы 10 закорочены дополнительными перемычками 11. В соответствии с п.2 формулы в части кольца выполнен разрыв, в котором размещена дополнительная резистивная полоса 12, расположенная не по окружности с центром, находящимся в центре мембраны, и соединенные с частью кольца две вторые дополнительные резистивные полосы 13, расположенные по обе стороны от дополнительной резистивной полосы. Каждая из вторых дополнительных резистивных полос 13 соединена с дополнительной резистивной полосой при помощи вторых дополнительных перемычек 14. Дополнительная резистивная полоса 12 выполнена из материала, контактная разность потенциалов которого относительно второй дополнительной перемычки 14 отличается от контактной разности потенциалов второй дополнительной резистивной полосы 13 относительно второй дополнительной перемычки 14. В соответствии с п.3 формулы изобретения дополнительная резистивная полоса 12 расположена по радиусу мембраны. В соответствии с п.4 формулы изобретения резистивная полоса 10 размещена над тензорезисторами 5 и 6 на дополнительной изоляционной пленке 15, находящейся на тензорезисторах 5 и 6. Выводные проводники 16 обеспечивают электрическую связь измерительного моста с гермовыводами 17.
Мембрана 2 с периферийным основанием 3 выполнена из сплава 36НКВХБТЮ. На планарную сторону мембраны последовательно методами тонкопленочной технологии нанесена изоляционная пленка из моноокиси кремния с подслоем хрома, тензоэлементы 7, выполненные из сплава Х20Н75Ю, и перемычки 4 с контактными площадками, выполненные из золота 3л 999,9 толщиной 1 мкм, дополнительная резистивная полоса 12 выполнена из тонкой пленки алюминия толщиной 1 мкм. Вторые дополнительные резистивные полосы 13 выполнены из тонкой пленки золота 3л 999,9 толщиной 1 мкм. Дополнительные перемычки 11 и 13 выполнены из золотой проволоки 3л 999,9 диаметром 50 мкм. Размеры тензоэлементов 7 140×140 мкм. Ширина резистивной полосы 100 мкм. Ширина дополнительной резистивной полосы и второй дополнительной резистивной полосы 150 мкм.
Удельное поверхностное сопротивление тонкопленочных перемычек составляет 0,03 Ом/квадрат, удельное поверхностное сопротивление тензоэлементов 70 Ом/квадрат.
Датчик давления работает следующим образом. Измеряемое давление воздействует на мембрану 2 со стороны, противоположной расположению тензосхемы. На планарной поверхности мембраны возникают радиальные и тангенциальные напряжения и деформации, которые воспринимаются тензоэлементами 7 окружных 5 и радиальных 6 тензорезисторов. Воздействие деформации от измеряемого давления на окружные тензорезисторы 5 приводит к увеличению их сопротивлений, а воздействие деформации от измеряемого давления на радиальные тензорезисторы 6 приводит к уменьшению их сопротивлений. Так как окружные 5 и радиальные 6 тензорезисторы включены соответственно в противоположные плечи измерительного моста, то при подаче на него питающего напряжения моста формируется выходной сигнал, величина которого однозначно связана с измеряемым давлением. Выводные проводники 16 и гермовыводы 17 обеспечивают подачу на измерительный мост напряжения питания и снятие выходного сигнала.
При измерении давления в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды, например при воздействии на датчик, установленный на агрегате жидкостного реактивного двигателя, находящегося в нормальных климатических условиях, давление жидкого кислорода или водорода на поверхности мембраны возникает нестационарное температурное поле. Вследствие выполнения мембраны 2 круглой и закрепления мембраны при помощи периферийного основания 3 температурное поле на планарной стороне мембраны 2, т.е. на стороне размещения измерительного моста имеет ярко выраженный осесимметричный характер, т.е. температурное поле симметрично продольной оси мембраны 2, проходящей через ее центр. Вследствие выполнения окружных 5 и радиальных 6 тензорезисторов в виде одинакового количества имеющих одинаковую форму тензоэлементов 7, расположенных по окружности по периферии мембраны 2 на одинаковом расстоянии от центра мембраны, окружные 5 и радиальные 6 тензорезисторы в равной степени подвергаются негативному влиянию нестационарного температурного поля. Вследствие включения окружных 5 и радиальных 6 тензорезисторов в противоположные плечи измерительного моста негативное воздействие нестационарного температурного поля в значительной степени компенсируется. Реакция окружных и радиальных тензорезисторов на воздействие нестационарного температурного поля могла бы быть полностью идентична, и компенсация негативного воздействия нестационарного температурного поля была бы полная в случае отсутствия технологического разброса геометрических размеров и физических характеристик тензорезисторов при изготовлении в условиях серийного производства. Фактически реальная реакция окружных и радиальных тензорезисторов на воздействие нестационарного температурного поля отличается друг от друга. Различие реакции тензорезисторов проявляется в отличие сопротивлений окружных 5 и радиальных 6 тензорезисторов в один и тот же момент времени. Причем в силу случайности распределения технологических разбросов формы и размеров превалирование сопротивлений окружных или радиальных тензорезисторов носит также случайный характер для партии датчиков, оставаясь детерминированным для каждого конкретного датчика. Поэтому в заявляемом датчике давления различная реакция окружных 5 и радиальных 6 тензорезисторов на воздействие температуры компенсируется выполнением одной из перемычек, соединяющих окружные и радиальные тензорезисторы, в виде двух контактных площадок 8 и 9, соединенных резистивной полосой 10 в виде части кольца и расположенного на минимальном расстоянии от тензорезисторов по окружности с центром, находящимся в центре мембраны.
Перемычка содержит две контактные площадки 8 и 9 для обеспечения возможности включения ее в плечо измерительного моста окружного 5 или радиального 6 тензорезисторов. В том случае, когда в результате технологического разброса сопротивления окружных тензорезисторов 5 больше сопротивлений радиальных тензорезисторов 6, перемычка (резистивная полоса 10) включается в плечо радиального тензорезистора 6, для чего, например, снятие сигнала осуществляют с контактной площадки 8. Если в результате технологического разброса сопротивления окружных тензорезисторов 5 меньше сопротивлений радиальных тензорезисторов 6, то снятие сигнала осуществляют с контактной площадки 9. Выполнение резистивной полосы 10 в виде части кольца, расположенного на минимально возможном расстоянии от тензорезисторов по окружности с центром, находящимся в центре мембраны, симметрично центру мембраны обеспечивает работу перемычки в условиях, наиболее близких к условиям работы тензорезисторов. Минимально возможное расстояние части кольца определяется возможностями имеющегося оборудования. При изготовлении опытных образцов минимально возможное расстояние составило 50 мкм при диаметре мембраны 5000 мкм. Расположение резистивной полосы 10 по окружности с центром, находящимся в центре мембраны, учитывает осесимметричное распределение температурного поля на поверхности мембраны. При любом другом расположении резистивной полосы 10 в ней в результате воздействия нестационарной температуры измеряемой среды возникает термо-ЭДС Томсона, которая исказит условия компенсации. Закорачивание отдельных участков резистивной полосы 10 дополнительными перемычками 11 обеспечивает ввод в плечо окружного или радиального резистора необходимой величины сопротивления. Таким образом, в заявляемой конструкции осуществляется компенсация влияния технологического разброса геометрических размеров и физических характеристик окружных и радиальных тензорезисторов на погрешность при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды.
Неравномерное температурное поле, возникающее на планарной поверхности мембраны в результате воздействия нестационарной температуры измеряемой среды, приводит к появлению в измерительном мосте нескомпенсированной термо-ЭДС, которые являются результатом взаимодействия множества термо-ЭДС, возникающих на границах раздела тензоэлементов и перемычек, вследствие несовершенства структуры и неидентичности физических характеристик тензоэлементов и перемычек. Таким образом нескомпенсированная термо-ЭДС возникает при воздействии нестационарной температуры и только при наличии внутренней несимметрии измерительного моста, вызванной технологическим разбросом геометрических размеров и физических характеристик: состава и структуры тензоэлементов и перемычек.
Причем следует отметить, что так как технологический разброс носит случайный характер, то и нескомпенсированная термо-ЭДС носит также случайный характер как по величине, так и по знаку.
Так как в заявляемой конструкции каждая из вторых дополнительных резистивных полос 13 соединена с дополнительной резистивной полосой 12 при помощи вторых дополнительных перемычек 14, причем резистивная полоса 12 выполнена из материала, контактная разность потенциалов которого относительно второй дополнительной перемычки 14 отличается от контактной разности потенциалов материала второй дополнительной полосы 13 и второй дополнительной перемычки 14, то при воздействии нестационарной температуры в местах соединения вторых дополнительных перемычек 14 с дополнительной резистивной полосой 12 возникают термо-ЭДС. Так как дополнительная резистивная полоса 12 расположена не по окружности с центром, находящимся в центре мембраны 2, то величины этих термо-ЭДС при размещении мест соединений на различном расстоянии от центра мембраны 2 будут отличаться друг от друга в связи с тем, что температура на мембране при воздействии нестационарной температуры зависит от расстояния до центра мембраны. Так как две вторые дополнительные резистивные полосы 13 расположены по обе стороны от дополнительной резистивной полосы 12, то эти термо-ЭДС будут включены последовательно и встречно. Так как две вторые дополнительные полосы 13 соединены с частью кольца 10, то возникающие термо-ЭДС включены последовательно с частью кольца. Таким образом, изменяя расстояние между местами соединения вторых дополнительных перемычек 14 с дополнительной резистивной полосой 12, можно подобрать необходимую величину результирующей термо-ЭДС, необходимой для сведения к минимуму нескомпенсированной термо-ЭДС. Знак результирующей термо-ЭДС определяется соотношением расстояний до центра мембраны 2 мест соединений вторых дополнительных перемычек 14 с дополнительной резистивной полосой 12 и второй дополнительной полосой 13. Если, например, место соединения второй дополнительной перемычки 14, соединяющей дополнительную резистивную полосу 12 и вторую дополнительную резистивную полосу 13, находящуюся слева от дополнительной резистивной полосы 12, находится ближе к центру мембраны, чем место соединения второй дополнительной перемычки 14, соединяющей дополнительную резистивную полосу 12 и вторую дополнительную резистивную полосу 13, находящуюся справа от дополнительной резистивной полосы 12, то результирующая термо-ЭДС будет иметь один знак. Если же место соединения второй дополнительной перемычки 14, соединяющей дополнительную резистивную полосу 12 и вторую дополнительную полосу 13, находящуюся слева от дополнительной резистивной полосы 12, находится дальше от центра мембраны, чем место соединения дополнительной перемычки 11, соединяющей резистивную полосу 12 и дополнительную полосу 13, находящуюся справа от резистивной полосы 12, то результирующая термо-ЭДС будет иметь противоположный знак по сравнению с ранее рассмотренным случаем. Такое выполнение конструкции позволяет скомпенсировать технологический разброс геометрических размеров и физических характеристик тензорезисторов, являющихся причинами возникновения разной реакции окружных и радиальных тензорезисторов на воздействие нестационарной температуры, и технологический разброс, вызывающий несовершенство структуры и неидентичность физических характеристик тензоэлементов и перемычек, приводящих к появлению нескомпенсированной термо-ЭДС при воздействии термоудара. Заявляемая конструкция позволяет минимизировать погрешность в условиях воздействия термоудара от вышеперечисленных причин как по величине, так и по знаку при использовании только одной дополнительной контактной площадки. Расположение дополнительной резистивной полосы 12 по радиусу мембраны позволяет достигнуть максимально возможного эффекта компенсации погрешности, возникающей при воздействии нестационарной температуры вследствие возможности обеспечения максимального значения компенсирующей термо-ЭДС за счет наибольшей скорости изменения температур по радиусу мембраны по сравнению со всеми другими направлениями. Кроме того, размещение дополнительной резистивной полосы по радиусу мембраны обеспечивает (при прочих равных условиях) максимальное отношение компенсирующей термо-ЭДС к сопротивлению дополнительной резистивной полосы 12, что уменьшает взаимное влияние сопротивлений дополнительной резистивной полосы 12 на компенсацию при помощи резистивной полосы 10. Дополнительное уменьшение влияния сопротивления дополнительной резистивной полосы может быть достигнуто известными методами, например, при помощи выполнения дополнительных резистивных полос 12 и 13 большей ширины или толщины по сравнению с шириной или толщиной резистивной полосы 10. При размещении части кольца непосредственно над тензорезисторами на дополнительной изоляционной пленке, расположенной на тензорезисторах в соответствии с п.4 формулы, можно достичь минимально возможного расстояния от тензорезисторов, равного толщине изоляционной пленки, то есть 1-2 мкм, а следовательно, и максимального совпадения температуры резистивной полосы 10 и тензорезисторов в каждый момент времени при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды.
В результате испытаний опытных образцов тонкопленочных датчиков давления в соответствии с п.1 формулы изобретения установлено, что погрешность датчиков при воздействии нестационарной температуры от 25±10°С до минус 196°С не превышает 1,0% от предела измерения, датчиков в соответствии с п.2 формулы не превышает 0,6%, датчиков в соответствии с п.3 формулы не превышает 0,4%, датчиков в соответствии с п.4 формулы не превышает 0,3% от предела измерений. Погрешность тонкопленочного датчика давления в соответствии с прототипом в тех же условиях составляет 1,5%. Погрешность наиболее совершенного серийного тонкопленочного датчика давления Bm 212, предназначенного для измерения давления в изделиях ракетно-космической техники в условиях воздействия нестационарной температуры с ранее указанными параметрами, достигает 30-40% от предела измерений.
1. Тонкопленочный датчик давления, содержащий корпус, круглую мембрану с периферийным основанием, по которому мембрана закреплена в корпусе, соединенные перемычками из низкоомного материала и включенные соответственно в противоположные плечи измерительного моста окружные и радиальные тензорезисторы, выполненные в виде соединенных перемычками одинакового количества имеющих одинаковую форму тензоэлементов, расположенных по окружности на периферии мембраны, отличающийся тем, что одна из перемычек, соединяющих окружные и радиальные тензорезисторы, имеет две контактные площадки, соединенные резистивной полосой в виде части кольца, размещенного на минимально возможном расстоянии от тензорезисторов по окружности с центром, находящимся в центре мембраны, причем отдельные участки части кольца закорочены дополнительными перемычками.
2. Тонкопленочный датчик давления по п.1, отличающийся тем, что в части кольца выполнен разрыв, в котором размещена дополнительная резистивная полоса, расположенная не по окружности с центром, находящимся в центре мембраны, и соединенные с частью кольца две вторые дополнительные резистивные полосы, расположенные по обе стороны от дополнительной резистивной полосы, а каждая из вторых дополнительных резистивных полос соединена с дополнительной резистивной полосой при помощи вторых дополнительных перемычек, причем дополнительная резистивная полоса выполнена из материала, контактная разность потенциалов которого относительно второй дополнительной перемычки отличается от контактной разности потенциалов материала второй дополнительной резистивной полосы относительно второй дополнительной перемычки.
3. Тонкопленочный датчик давления по п.2, отличающийся тем, что дополнительная резистивная полоса расположена по радиусу мембраны.
4. Тонкопленочный датчик давления по п.1, отличающийся тем, что резистивная полоса размещена над тензорезисторами на дополнительной изоляционной пленке, находящейся на тензорезисторах.
