Тонкопленочный датчик давления

Предлагаемое 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). 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. Каждый тензоэлемент выполнен в виде соединенных идентичными тонкопленочными перемычками одинакового количества идентичных микротензоэлементов, равномерно размещенных внутри границ тензоэлементов, а тонкопленочные перемычки, которыми соединены тензоэлементы окружных и радиальных тензорезисторов, частично замкнуты дополнительными перемычками. Характеристики тонкопленочных и дополнительных перемычек связаны определенным соотношением. Техническим результатом изобретения является уменьшение погрешности измерения давления в условиях воздействия нестационарной температуры. 3 ил.

 

Предлагаемое 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 [1].

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 суммарной нескомпенсированной термоЭДС. Нескомпенсированная термоЭДС является результатом взаимодействия множества термоЭДС, возникающих на границах разделов тензорезисторов и перемычек вследствие несимметрии перемычек в центральных и периферийных тензорезисторах и вследствие неоднородностей структур тензорезисторов и перемычек.

Недостатком известной конструкции является также сравнительно невысокая рассеиваемая мощность, вызванная сравнительно небольшой площадью, занимаемой тензорезисторами, приводящая к необходимости ограничения величины напряжения питания датчика. Недостатком известной конструкции является также невозможность изменения сопротивлений тензорезисторов в широких пределах без изменения их удельного поверхностного сопротивления, ограничивающая возможности согласования с регистрирующей аппаратурой.

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 соединенных низкоомными перемычками одинакового количества, имеющих одинаковую форму тензоэлементов, расположенных по окружности на периферии мембраны [2].

Недостатком известной конструкции является сравнительно большая погрешность измерения давления в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды вследствие различного влияния дополнительных низкоомных перемычек, соединяющих окружные и радиальные тензорезисторы на сопротивления этих тензорезисторов в процессе изменения температуры. Это вызвано достаточно большим изменением сопротивлений низкоомных перемычек при изменении температуры из-за существенно большего (примерно на 2 порядка) температурного коэффициента сопротивления (ТКС) материала перемычек по сравнению с тензорезистивным материалом, а также различными конфигурацией и размерами перемычек, соединяющих окружные и радиальные тензорезисторы.

Недостатком известной конструкции является сравнительно большая погрешность измерения давления в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды вследствие имеющегося при реальном производстве случайным образом распределенного по поверхности чувствительного элемента технологического разброса геометрических размеров и физических характеристик тензорезисторов: удельного поверхностного сопротивления, ТКС 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 суммарной нескомпенсированной интегральной термоЭДС. Нескомпенсированная термоЭДС является результатом взаимодействия множества (для прототипа 100-160) последовательно и встречно включенных термоЭДС, возникающих на границах разделов тензоэлементов и перемычек вследствие случайным образом распределенных по поверхности чувствительного элемента неоднородностей структуры и неидентичности физических характеристик тензоэлементов и перемычек.

Кроме того, недостатком известной конструкции является сравнительно невысокая рассеиваемая мощность, вызванная сравнительно небольшой площадью занимаемой тензорезисторами, приводящая к необходимости ограничения величины напряжения питания датчика. Недостатком известной конструкции является также невозможность изменения сопротивлений тензорезисторов в широких пределах без изменения их удельного поверхностного сопротивления, ограничивающая возможности согласования с регистрирующей аппаратурой.

Задачей предлагаемого изобретения является уменьшение погрешности измерения в условиях воздействия нестационарной температуры за счет уменьшения вероятности различного влияния низкоомных перемычек, соединяющих окружные и радиальные тензорезисторы на сопротивления этих тензорезисторов в процессе изменения температуры путем увеличения их количества, уменьшения случайного технологического разброса геометрических размеров и физических характеристик окружных и радиальных тензорезисторов путем его компенсации, а также за счет уменьшения суммарной интегральной термоЭДС путем увеличения количества встречно включенных и равномерно распределенных по поверхности чувствительного элемента термоЭДС, возникающих на границах разделов микротензоэлементов и перемычек. Кроме того, задачей предлагаемого изобретения является обеспечение возможности повышения рассеиваемой мощности за счет повышения площади, занимаемой тензорезисторами. Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение возможности изменения сопротивлений тензорезисторов в широких пределах без изменения их удельного поверхностного сопротивления при помощи последовательного и параллельного соединения микротензоэлементов.

Поставленная задача достигается тем, что в тонкопленочном датчике давления, содержащем корпус, круглую мембрану с периферийным основанием, по которому мембрана закреплена в корпусе, соединенные тонкопленочными перемычками из низкоомного материала и включенные соответственно в противоположные плечи измерительного моста окружные и радиальные тензорезисторы, выполненные в виде соединенных тонкопленочными перемычками одинакового количества имеющих одинаковую форму тензоэлементов, расположенных по окружности на периферии мембраны.

Каждый тензоэлемент выполнен в виде соединенных идентичными тонкопленочными перемычками одинакового количества идентичных микротензоэлементов, равномерно размещенных внутри границ тензоэлемента, а тонкопленочные перемычки, которыми соединены тензоэлементы окружных и радиальных тензорезисторов, частично замкнуты дополнительными перемычками, причем характеристики тонкопленочных и дополнительных перемычек связаны соотношением

где R_XKij - сопротивление части тонкопленочной перемычки i-го тензоэлемента j-го тензорезистора, замкнутой дополнительной перемычкой;

α_XKij - температурный коэффициент сопротивления части тонкопленочной перемычки i-го тензоэлемента j-го тензорезистора, до замыкания дополнительной перемычкой;

R_Pij - сопротивление дополнительной перемычки i-го тензоэлемента j-го тензорезистора;

α_XPij - результирующий температурный коэффициент сопротивления части тонкопленочной перемычки i-го тензоэлемента j-го тензорезистора и соответствующей дополнительной перемычки;

R_j - сопротивление j-го тензорезистора;

k - коэффициент симметрии измерительного моста;

ΔU(T) - изменение начального выходного измерительного моста от изменения температуры при отсутствии замыкания тонкопленочных перемычек;

U - напряжение питания измерительного моста;

ΔT - изменение температуры.

На фиг.1, 2 изображен предлагаемый тонкопленочный датчик давления. На фиг.3 изображена тонкопленочная перемычка, которой соединены тензоэлементы радиальных тензорезисторов, частично замкнутая дополнительной перемычкой.

На фиг.1...3 обозначены: 1 - корпус, 2 - мембрана, 3 - периферийное основание, 4 - тонкопленочная перемычка, 5 - окружной тензорезистор, 6 - радиальный тензорезистор, 7 - тензоэлемент, 8 - граница мембраны, 9 - идентичная тонкопленочная перемычка, 10 - микротензоэлемент, 11 - дополнительная перемычка, 12 - изоляционная пленка, 13 - тензосхема, 14 - выводной проводник, 15 - гермовыводы. 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 тонкопленочными 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, находящейся около ее границы 8. Каждый тензоэлемент 7 выполнен в виде соединенных идентичными тонкопленочными перемычками 9 одинакового количества идентичных микротензоэлементов 10, равномерно размещенных внутри границ тензоэлементов.

Тонкопленочные перемычки 4, которыми соединены тензоэлементы окружных и радиальных тензорезисторов, частично замкнуты дополнительными перемычками 11. В качестве дополнительных перемычек применены так называемые массивные перемычки, под которыми понимаются перемычки со всеми геометрическими размерами (толщиной, шириной и длиной) более 5 мкм. В качестве массивных перемычек могут быть использованы проволока или фольга. Характеристики тонкопленочных и дополнительных перемычек связаны заявляемым соотношением.

Мембрана 2 с периферийным основанием 3 выполнена из сплава 36НКВХБТЮ. На планарную сторону мембраны последовательно методами тонкопленочной технологии нанесена изоляционная пленка 12 из моноокиси кремния с подслоем хрома, тензоэлементы 7, выполненные из сплава Х20Н75Ю, и перемычки 4, выполненные из золота Зл 999,9 толщиной 1 мкм, с подслоем ванадия, образующие тензосхему 13. Тензосхема при помощи выводных проводников 14 соединена с гермовыводами 15. Дополнительные перемычки в соответствии с пп.2, 3 формулы выполнены из золотой проволоки Зл 999,9 диаметром 50 мкм. Размеры тензоэлементов 7 270×270 мкм. Размеры идентичных перемычек 9 30×80 мкм. Размеры микротензоэлементов 10 70×70 мкм. Удельное поверхностное сопротивление тонкопленочных перемычек составляет 0,1 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 14 и гермовыводы 15 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 ярковыраженный 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 уменьшается за счет уменьшения вероятности превалирования сопротивлений окружных или радиальных тензорезисторов вследствие того, что каждый (радиальный и окружной) тензоэлемент выполнен в виде соединенных идентичными тонкопленочными перемычками одинакового количества идентичных микротензоэлементов, равномерно размещенных внутри границ тензоэлементов. Такое выполнение тензоэлементов позволяет уменьшить вероятность негативного распределения технологических разбросов формы, размеров и физических характеристик за счет большого количества микротензоэлементов. Причем соединение идентичными тонкопленочными перемычками микротензоэлементов радиальных и окружных тензорезисторов позволяет в определенной степени минимизировать относительную разницу сопротивлений тонкопленочных перемычек, соединяющих окружные и радиальные тензоэлементы. Если количество микротензоэлементов в тензоэлементе будет не одинаково или они будут размещены неравномерно внутри границ тензоэлемента, то будет неодинаковой или неравномерной реакция тензоэлементов на воздействие даже одинаковых температур, что приведет к увеличению погрешности при воздействии нестационарных температур.

Тонкопленочные перемычки 4, которыми соединены тензоэлементы окружных и радиальных тензорезисторов, частично замкнуты дополнительными перемычками 11 для обеспечения возможности дальнейшей и окончательной минимизации имеющейся при реальном производстве случайным образом распределенной по поверхности чувствительного элемента разницы ТКС радиальных и окружных тензорезисторов, появляющейся в результате технологического разброса геометрических размеров и физических характеристик тензорезисторов.

Для обоснования заявляемого соотношения проведем из следующих соображений. Известно [3], что изменение начального выходного сигнала мостовой измерительной схемы от температуры равно

где ΔR_j(T) - изменение j-го тензорезистора от температуры.

Для компенсации изменения начального выходного сигнала от температуры необходимо такое изменение сопротивлений перемычек от температуры после их замыкания, которое обеспечило бы такое же по величине и противоположное по знаку изменение начального выходного сигнала, как от изменения температуры. Поэтому, учитывая, что

можно записать

Таким образом, компенсации изменения начального выходного сигнала от температуры достигается путем замыкания тонкопленочных перемычек, включенных в определенное плечо измерительного моста (в окружной 5 или радиальный 6 тензорезисторы). В том случае, когда в результате технологического разброса ТКС окружных тензорезисторов 5 больше ТКС радиальных тензорезисторов 6, замыкаются тонкопленочные перемычки, соединяющие окружные тензоэлементы. В том случае, когда в результате технологического разброса ТКС окружных тензорезисторов 5 меньше ТКС радиальных тензорезисторов 6, замыкаются тонкопленочные перемычки, соединяющие радиальные тензоэлементы. Кроме того, замыкания тонкопленочных перемычек, соединяющих окружные или радиальные тензоэлементы, позволяют варьировать ТКС тонкопленочных перемычек, размещенных практически в зоне изотермических температур относительно тензорезисторов, обеспечивает работу перемычки в условиях, наиболее близких к условиям работы тензорезисторов, что обеспечивает повышенную точность компенсации при воздействии нестационарных температур.

Неравномерное температурное поле, возникающее на планарной поверхности мембраны в результате воздействия нестационарной температуры измеряемой среды, приводит к появлению в измерительном мосте суммарной нескомпенсированной термоЭДС, которые являются результатом взаимодействия множества встречно включенных термоЭДС, возникающих на границах раздела тензоэлементов и перемычек вследствие несовершенства структуры и неидентичности физических характеристик тензоэлементов и перемычек. Таким образом, суммарная нескомпенсированная термоЭДС 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 суммарная нескомпенсированная термоЭДС носит также случайный характер как по величине, так и по знаку.

Так как в заявляемой конструкции каждый тензоэлемент 7 выполнен в виде соединенных идентичными тонкопленочными перемычками 9 одинакового количества идентичных микротензоэлементов 10, равномерно размещенных внутри границ тензоэлементов, то существенно возрастает количество встречно включенных термоЭДС. Например, в датчике по прототипу имеется 100-160 термоЭДС. Датчик в соответствии с заявляемым решением имеет 900-1440 термоЭДС. Существенно большее количество встречно включенных термоЭДС в заявляемом датчике позволяет существенно уменьшить величину суммарной нескомпенсированной термоЭДС вследствие участия в процессе суммирования существенно большего количества термоЭДС.

Кроме того, преимуществом заявляемой конструкции является возможность увеличения рассеиваемой мощности за счет увеличения площади, занимаемой тензорезисторами, приводящая к возможности увеличения величены напряжения питания датчика, что увеличивает выходной сигнал датчика. Преимуществом заявляемой конструкции является также обеспечение возможности изменения сопротивлений тензорезисторов в широких пределах без изменения их удельного поверхностного сопротивления при помощи последовательного и параллельного соединения микротензоэлементов.

В результате испытаний опытных образцов тонкопленочных датчиков давления в соответствии формулой изобретения установлено, что погрешность датчиков при воздействии нестационарной температуры от 25±10°С до минус 196°С не превышает 0,4% 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. Кроме того, заявляемое решение обеспечивает увеличение рассеиваемой мощности в 2 раза, что позволяет в 1.4 раза увеличить напряжение питания, а следовательно, и выходной сигнал при неизменных габаритных размерах датчиков. Заявляемая конструкция делает возможным изменение сопротивлений тензорезисторов в 2-3 раза при неизменных габаритных размерах датчиков без изменения удельного поверхностного сопротивления материала тензорезисторов. В датчике по прототипу при выполнении аналогичных условий возможно изменение сопротивлений тензорезисторов не более чем на 50%.

Источники известности:

1 RU. Патент №2041452, МПК G01L 9/04, Бюл. №22.09.08.95

2 RU. Патент №615578, МПК G01L 9/04, Бюл. №47.23.12.90

3 Проектирование датчиков для измерения механических величин/ Под ред. Е.П.Осадчего. - М.: Машиностроение, 1979. - 480 с.

Тонкопленочный датчик давления, содержащий корпус, круглую мембрану с периферийным основанием, по которому мембрана закреплена в корпусе, соединенные тонкопленочными перемычками из низкоомного материала и включенные соответственно в противоположные плечи измерительного моста окружные и радиальные тензорезисторы, выполненные в виде соединенных тонкопленочными перемычками одинакового количества имеющих одинаковую форму тензоэлементов, расположенных по окружности на периферии мембраны, отличающийся тем, что каждый тензоэлемент выполнен в виде соединенных идентичными тонкопленочными перемычками одинакового количества идентичных микротензоэлементов, равномерно размещенных внутри границ тензоэлементов, а тонкопленочные перемычки, которыми соединены тензоэлементы окружных и радиальных тензорезисторов, частично замкнуты дополнительными перемычками, причем характеристики тонкопленочных и дополнительных перемычек связаны соотношением

где R_Xkij - сопротивление части тонкопленочной перемычки i-го тензоэлемента j-го тензорезистора, замкнутой дополнительной перемычкой;

α_XKij - температурный коэффициент сопротивления части тонкопленочной перемычки i-го тензоэлемента j-го тензорезистора, до замыкания дополнительной перемычкой;

R_Pij - сопротивление дополнительной перемычки i-го тензоэлемента j-го тензорезистора;

α_XPij - результирующий температурный коэффициент сопротивления части тонкопленочной перемычки i-го тензоэлемента j-го тензорезистора и соответствующей дополнительной перемычки;

R_j - сопротивление j-го тензорезистора;

k - коэффициент симметрии измерительного моста;

ΔU(Т) - изменение начального выходного измерительного моста от изменения температуры при отсутствии замыкания тонкопленочных перемычек;

U - напряжение питания измерительного моста;

ΔT - изменение температуры.