Устройство для измерения давления с частотным выходом на основе нано- и микроэлектромеханической системы



Устройство для измерения давления с частотным выходом на основе нано- и микроэлектромеханической системы
Устройство для измерения давления с частотным выходом на основе нано- и микроэлектромеханической системы
Устройство для измерения давления с частотным выходом на основе нано- и микроэлектромеханической системы
Устройство для измерения давления с частотным выходом на основе нано- и микроэлектромеханической системы
Устройство для измерения давления с частотным выходом на основе нано- и микроэлектромеханической системы
Устройство для измерения давления с частотным выходом на основе нано- и микроэлектромеханической системы
Устройство для измерения давления с частотным выходом на основе нано- и микроэлектромеханической системы
Устройство для измерения давления с частотным выходом на основе нано- и микроэлектромеханической системы
Устройство для измерения давления с частотным выходом на основе нано- и микроэлектромеханической системы
Устройство для измерения давления с частотным выходом на основе нано- и микроэлектромеханической системы
Устройство для измерения давления с частотным выходом на основе нано- и микроэлектромеханической системы
Устройство для измерения давления с частотным выходом на основе нано- и микроэлектромеханической системы
Устройство для измерения давления с частотным выходом на основе нано- и микроэлектромеханической системы
Устройство для измерения давления с частотным выходом на основе нано- и микроэлектромеханической системы
Устройство для измерения давления с частотным выходом на основе нано- и микроэлектромеханической системы
Устройство для измерения давления с частотным выходом на основе нано- и микроэлектромеханической системы
Устройство для измерения давления с частотным выходом на основе нано- и микроэлектромеханической системы

 


Владельцы патента RU 2406985:

Громков Николай Валентинович (RU)
Васильев Валерий Анатольевич (RU)

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления в условиях воздействия температур измеряемой среды, как в системах автоматического контроля, так и в цифровых приборах специального и универсального назначения. Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей устройства для измерения давления с частотным выходом на основе нано- и микроэлектромеханической системы (НиМЭМС) и повышение точности преобразования сигнала разбаланса тензомоста датчика за счет уменьшения влияния температуры разогрева тензорезисторов на выходной сигнал. Устройство для измерения давления с частотным выходом на основе нано- и микроэлектромеханической системы (НиМЭМС), содержащее тензорезисторный датчик, состоит из корпуса, установленной в нем НиМЭМС с упругим элементом в виде мембраны с основанием, сформированной на ней гетерогенной структурой из тонких пленок материалов, в которой образованы тензорезисторы, объединенные в тензомост, частотный преобразователь сигнала с выхода тензомоста, содержащий компаратор и интегратор. Интегратор выполнен на операционном усилителе с первым конденсатором в цепи отрицательной обратной связи, выход которого подключен к первому входу компаратора, между выходом которого и инвертирующим входом операционного усилителя интегратора включен второй конденсатор. Инвертирующий вход операционного усилителя интегратора через первый резистор соединен с одной из вершин измерительной диагонали тензомоста, а ее другая вершина подключена к неинвертирующему входу операционного усилителя интегратора и второму входу компаратора. Введен делитель напряжения из двух резисторов, второй резистор интегратора и дополнительный резистор. Делитель напряжения подключен параллельно диагонали питания тензомоста датчика. Выход делителя напряжения через второй резистор интегратора соединен с инвертирующим входом операционного усилителя интегратора. Первая вершина диагонали питания тензомоста через дополнительный резистор подключена к выходу компаратора, а вторая вершина - к шине «земля». Дополнительный резистор состоит из двух частей. 2 з.п. ф-лы, 17 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления в условиях воздействия температур измеряемой среды, как в системах автоматического контроля, так и в цифровых приборах специального и универсального назначения.

Известны тензорезисторные датчики давления с тензорезисторами, расположенными на мембране в радиальном направлении и соединенными в мостовую измерительную цепь [1, 2]. Их общим недостатком является низкая точность в условиях воздействия температур измеряемой среды, они требуют дополнительных термокомпенсационных элементов (терморезисторов) и их подстройки. Это связано с появлением градиента температуры по радиусу мембраны, наличием температурного коэффициента сопротивления тензорезисторов, неравномерного нагрева тензорезисторов и его частей. В результате появляется разбаланс мостовой измерительной цепи, не связанный с измеряемым давлением, точность измерения давления резко снижается. Погрешность от воздействия температуры может достигать 30-60%, тогда как в обычных условиях обеспечивается погрешность 0,5-1,5%.

Известен тензорезисторный датчик давления [3], основой которого является тонкопленочная нано- и микроэлектромеханическая система (НиМЭМС) с гетерогенной структурой. Под гетерогенными структурами в общем смысле понимают структуры, разнородные по своему составу или происхождению (принадлежности к той или иной форме, типу, группе, классу, системе). Датчики такого типа относятся к изделиям нано- и микросистемной техники [4].

Тензорезисторный датчик давления [3] содержит вакуумированный корпус, тонкопленочную нано- и микроэлектромеханическую систему, состоящую из упругого элемента в виде круглой жесткозащемленной мембраны, выполненной за одно целое с основанием, на которой расположены соединенные в мостовую схему окружные и радиальные тензорезисторы. Они выполнены в виде соединенных низкоомными перемычками и равномерно размещенных по периферии мембраны идентичных тензоэлементов. Каждый из них касается двумя вершинами границы мембраны. Диэлектрик выполнен в виде тонкопленочной структуры Cr-SiO-SiO2, тензоэлементы - в виде структуры Х20Н75Ю, перемычки - в виде структуры V-Au.

Поскольку тензоэлементы идентичны и находятся на периферии мембраны на одинаковом расстоянии от ее центра, то несмотря на изменение температуры на планарной стороне мембраны температуры тензоэлементов окружных и радиальных тензорезисторов, изменяясь, со временем будут одинаковы в каждый момент времени. Одинаковая температура радиальных и окружных тензорезисторов в каждый момент времени вызывает практически одинаковые изменения сопротивлений тензорезисторов, которые вследствие включения тензорезисторов в мостовую схему взаимно компенсируются.

Недостатком устройств для измерения давления, содержащих указанные датчики давления и преобразователи сигнала с аналоговым выходом, является то, что они сильно чувствительны к нестабильности напряжения питания тензомоста, имеют температурную погрешность, связанную с разогревом тензорезисторов моста, как от влияния температуры окружающей и измеряемой среды, так и от токопрохождения.

Известен преобразователь [5] сигнала разбаланса тензомоста в частоту, содержащий тензомост, компаратор, выход которого подключен к диагонали питания тензомоста, и интегратор, выполненный на операционном усилителе с первым конденсатором в цепи отрицательной обратной связи, выход которого подключен к первому входу компаратора, между выходом компаратора и инвертирующим входом операционного усилителя интегратора включен второй конденсатор, вход интегратора соединен с одной из вершин измерительной диагонали тензомоста, а ее другая вершина подключена к неинвертирующему входу операционного усилителя интегратора и второму входу компаратора. Преобразователь содержит тензомост, интегратор на операционном усилителе с конденсатором в цепи отрицательной обратной связи, компаратор, выход которого подключен к диагонали питания тензомоста и через конденсатор соединен с инвертирующим входом усилителя, первый вход подключен к выходу интегратора, а второй вход - к одной из вершин измерительной диагонали тензомоста и к неинвертирующему входу усилителя. Другая вершина измерительной диагонали моста подключена к входу интегратора. Выходная частота данного преобразователя определяется по формуле

где εR - относительное изменение сопротивлений тензомоста от воздействия измеряемого давления; Rи - сопротивление интегратора 16, которое включает в себя выходное сопротивление тензометрического моста 15 и сопротивление кабельной линии; С20 - емкость конденсатора 20.

Как видно из формулы (1), частота выходного сигнала преобразователя определяется сопротивлением интегратора Rи, включающим в себя выходное сопротивление тензометрического моста и сопротивление кабельной линии, емкостью конденсатора С20 и относительным изменением сопротивлений тензомоста εR от воздействия измеряемого давления, но не зависит от напряжения питания. Однако формула (1) справедлива для данного устройства в случае, когда рабочая температура тензомоста не претерпевает значительных изменений, и преобразователь работает только при разбалансе тензомоста в одну сторону, а при разбалансе в другую сторону, и даже при нулевом разбалансе, схема «засыпает», т.е. выходная частота преобразователя равна нулю.

В реальных условиях эксплуатации датчиков давления при длительном и непрерывном времени работы и недостаточном отводе тепла рабочая температура тензомоста может изменяться за счет разогрева при протекании тока через тензорезисторы, а также за счет изменения температуры измеряемой среды и тогда сопротивление тензорезисторов, включенных по мостовой схеме, и сопротивление тензометрического моста в целом будут изменяться пропорционально температуре в соответствии со значением температурного коэффициента сопротивления, который, к примеру, для металлопленочных тензорезисторов имеет величину порядка 3*10-3%/10°С. При этом напряжение разбаланса с выхода измерительной диагонали тензомоста будет равно не εU0, а где - относительное изменение сопротивления тензометрического моста при изменении температуры, U0 - напряжение питания тензомоста.

Тогда формула (1) преобразуется к виду:

Как видно из выражения (2), частота выходного сигнала преобразователя с увеличением температуры будет уменьшаться. Относительная температурная погрешность при этом может достигать 2% и более.

Таким образом, недостатками устройства, содержащего тензорезисторный датчик давления и частотный преобразователь сигнала с выхода тензомоста датчика, являются низкая точность при изменении сопротивлений тензорезисторов с изменением температуры разогрева тензомоста и работа преобразователя только при разбалансе тензомоста в одну сторону, т.е. «засыпание» схемы при разбалансе в другую сторону и при нулевом разбалансе.

Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей устройства для измерения давления с частотным выходом на основе нано- и микроэлектромеханической системы (НиМЭМС) и повышение точности преобразования сигнала разбаланса тензомоста датчика за счет уменьшения влияния температуры разогрева тензорезисторов на выходной сигнал.

Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве для измерения давления с частотным выходом на основе нано- и микроэлектромеханической системы (НиМЭМС), содержащем тензорезисторный датчик, состоящий из корпуса, установленной в нем НиМЭМС с упругим элементом в виде мембраны с основанием, сформированной на ней гетерогенной структурой из тонких пленок материалов, в которой образованы тензорезисторы, объединенные в тензомост, частотный преобразователь сигнала с выхода тензомоста, содержащий компаратор и интегратор, выполненный на операционном усилителе с первым конденсатором в цепи отрицательной обратной связи, выход которого подключен к первому входу компаратора, между выходом которого и инвертирующим входом операционного усилителя интегратора включен второй конденсатор, инвертирующий вход операционного усилителя интегратора через первый резистор соединен с одной из вершин измерительной диагонали тензомоста, а ее другая вершина подключена к неинвертирующему входу операционного усилителя интегратора и второму входу компаратора, введен делитель напряжения из двух резисторов, второй резистор интегратора и дополнительный резистор, при этом делитель напряжения подключен параллельно диагонали питания тензомоста датчика, выход делителя напряжения через второй резистор интегратора соединен с инвертирующим входом операционного усилителя интегратора, первая вершина диагонали питания тензомоста через дополнительный резистор подключена к выходу компаратора, а вторая вершина - к шине «земля». При этом дополнительный резистор выполнен из того же материала, что и тензорезисторы тензомоста датчика, установлен по контуру за периферией мембраны на ее основании или состоит из двух частей, первая из которых выполнена из того же материала, что и тензорезисторы тензомоста датчика, установлена по контуру за периферией мембраны на ее основании, а вторая - из резистивного материала и расположена за пределами мембраны в датчике или частотном преобразователе сигнала.

Устройство для измерения давления с частотным выходом на основе нано- и микроэлектромеханической системы (НиМЭМС) содержит тензорезисторный датчик давления 1 и частотный преобразователь 2 сигнала с выхода тензомоста.

Тензорезисторный датчик давления 1 (фиг.1) содержит корпус 3 со штуцером 4 (фиг.2), установленную в нем тонкопленочную нано- и микроэлектромеханическую систему (НиМЭМС) 5, выводные проводники 6, кабельную перемычку 7. Тонкопленочная НиМЭМС 5 представляет собой конструктивно законченный модуль, обеспечивающий высокую технологичность сборки датчика.

Частотный преобразователь 2 (фиг.1) сигнала с выхода тензомоста может быть выполнен в виде микроэлектронного модуля 8 (фиг.2), установленного в корпусе датчика.

На фиг.3 отдельно показана тонкопленочная нано- и микроэлектромеханическая система (НиМЭМС) датчика давления 1. Она состоит из упругого элемента - круглой мембраны 9, жестко заделанной по контуру, с периферийным основанием 10 за границей 11 мембраны, гетерогенной структуры 12, контактной колодки 13, герметизирующей втулки 14, соединительных проводников 15, выводных колков 16, диэлектрических втулок 17. Гетерогенная структура 12 из тонких пленок материалов (тонкопленочные диэлектрические, тензорезистивные, контактные и т.п. слои материалов) сформирована на мембране 9 методами нано- и микроэлектронной технологии, в которой образованы тензорезисторы, объединенные в тензомост.

На фиг.4 представлена функциональная электрическая схема устройства для измерения давления с частотным выходом на основе нано- и микроэлектромеханической системы (НиМЭМС). Она включает тензомост 18 тензорезисторного датчика давления 1 (фиг.2) и частотный преобразователь сигнала 2 (фиг.2) с выхода тензомоста датчика.

Частотный преобразователь сигнала с выхода тензомоста 18 датчика давления содержит интегратор 19, выполненный на операционном усилителе 20 с первым конденсатором 21 в цепи обратной связи, компаратор 22. Выход операционного усилителя 20 подключен к первому входу компаратора 22, между выходом которого и инвертирующим входом операционного усилителя 20 интегратора 19 включен второй конденсатор 23. Инвертирующий вход операционного усилителя интегратора 19 через первый резистор 24 соединен с одной из вершин измерительной диагонали тензомоста 18, а ее другая вершина подключена к неинвертирующему входу операционного усилителя 20 интегратора 19 и второму входу компаратора 22. Делитель напряжения 25 из резисторов подключен параллельно диагонали питания тензомоста датчика 18. Выход делителя напряжения 25 через второй резистор 26 интегратора 19 соединен с инвертирующим входом операционного усилителя 20 интегратора 19. Первая вершина диагонали питания тензомоста 18 через дополнительный резистор 27 подключена к выходу компаратора 22, а вторая вершина - к шине «земля». Дополнительный резистор 27 выполнен из того же материала, что и тензорезисторы тензомоста датчика, установлен за периферией мембраны по контуру на ее основании. Дополнительный резистор 27 может состоять из двух частей, первая из которых выполнена из того же материала, что и тензорезисторы тензомоста датчика, и установлена за периферией мембраны по контуру на ее основании, а вторая - из резистивного материала и расположена за пределами мембраны в датчике давления 1 или частотном преобразователе 2 сигнала с выхода тензомоста 18.

Тонкопленочная гетерогенная структура 12 нано- и микроэлектромеханической системы (НиМЭМС) датчика давления (фиг.3) состоит из нано- и микроразмерных слоев, сформированных на металлической мембране 9 (в качестве материала мембраны может быть сталь 36НХТЮ) с высотой микронеровностей не более 50-100 нм (при высоте микронеровностей мембраны более 100 нм становится принципиально невозможным получение устойчивых тонкопленочных структур, а следовательно, и новых качественных показателей, характерных для датчика). Она содержит слой диэлектрика (например, в виде структуры Cr-SiO-SiO2, где Cr используется в качестве подслоя толщиной 150-300 нм), резистивный слой (например, в виде структуры Х20Н75Ю, толщиной 40…100 нм) и слой контактной группы (например, в виде структуры V-Au для формирования контактных площадок, перемычек, проводников). В гетерогенной структуре 12 методами фотолитографии и травления формируют мостовую схему из окружных 28 и радиальных 29 тензорезисторов (фиг.5), выполненных в виде соединенных низкоомными перемычками 30 (из структуры V-Au) и равномерно размещенных по периферии мембраны идентичных тензоэлементов 31 (из структуры Х20Н75Ю, толщиной не более 100 нм), дополнительный резистор 27, выполненный из того же материала, что и тензорезисторы тензомоста датчика. Дополнительный резистор 27 сформирован на основании 10 за границей 11 мембраны (фиг.3) в зоне, нечувствительной к механическим деформациям от давления.

Устройство для измерения давления с частотным выходом на основе нано- и микроэлектромеханической системы (НиМЭМС) работает следующим образом.

Измеряемое давление Р воздействует на упругий элемент - мембрану тензорезисторного датчика давления 1 (фиг.1), деформация которой с помощью тензорезисторов тензомоста преобразуется в напряжение, подаваемое на вход частотного преобразователя 2 (фиг.4). На выходе частотного преобразователя 2 сигнала с тензомоста генерируется сигнал прямоугольной формы типа «меандр» с частотой, пропорциональной измеряемому давлению. Питание датчика осуществляется от двухполярного источника постоянного напряжения, не требующего стабилизации в силу того, что питание тензомоста 18 (фиг.4) осуществляется напряжением с выхода частотного преобразователя 2, амплитуда которого не влияет на частоту выходного сигнала устройства.

В установившемся режиме работы устройства с выхода компаратора 22 преобразователя следуют разнополярные импульсы амплитудой ±U0. Пусть в момент времени t1 произошла смена полярности выходного напряжения с -U0 на +U0. При этом напряжение на выходе интегратора 19 обусловлено положительным "скачком" напряжения с одной из вершин измерительной диагонали тензомоста 18, равным (где εR=ΔR/R - относительное изменение сопротивления тензомоста 18 под действием давления, - коэффициент, равный отношению эквивалентного сопротивления параллельного соединения тензомоста 18, с сопротивлением R, и делителя напряжения 25, состоящего из двух резисторов с общим сопротивлением Rд=aR, к сопротивлению тензомоста 18) и отрицательным "скачком" через конденсатор 23, равным , где С23 - емкость конденсатора 23, C21 - емкость конденсатора 21. Напряжение питания тензомоста Ucd при подключенном дополнительном резисторе 27 будет определяться выражением

где - отношение сопротивлений дополнительного резистора 27 и тензомоста 18.

С учетом начальных условий имеем:

Под действием напряжения разбаланса тензомоста 18, равного , и напряжения с выхода резистивного делителя напряжения 25, равного , где εда/а - разбаланс делителя напряжения 25, напряжение на выходе интегратора 19 будет увеличиваться до положительного порогового уровня компаратора 22, равного .

В момент равенства порога срабатывания и напряжения на выходе интегратора вновь произойдет смена полярности выходного напряжения.

При этом напряжение на выходе интегратора будет равно

где R24 и R26 - соответственно сопротивления первого и второго резисторов интегратора 19, C21 - емкость конденсатора 21 в цепи отрицательной обратной связи интегратора 19, Tк - период колебаний выходного сигнала.

Для момента равенства напряжений на выходе интегратора и порогового уровня компаратора справедливо выражение

Решая выражение (6) относительно периода следования импульсов выходного сигнала Tк, получим выражение для выходной частоты преобразователя

В том случае, когда первый и второй резисторы интегратора 19 равны R24=R26=Rи, выражение (7) принимает вид

При этом начальная частота выходного сигнала при нулевом разбалансе (εR=0) тензомоста 18 будет равна

а девиация частоты в зависимости от измеряемого давления

Диапазон изменения выходной частоты преобразователя в зависимости от заданного разбаланса тензомоста 18, который соответствует заданному диапазону измеряемого давления, можно устанавливать с помощью емкости конденсатора C23 и сопротивления интегратора Rи, а начальную частоту - с помощью соотношения резисторов делителя 25 напряжения εд.

Введение в схему дополнительного резистора 27 уменьшает напряжение питания тензомоста 18, снижает мощность, выделяемую тензорезисторами, и не сказывается на чувствительности устройства, поскольку функция преобразования не зависит от напряжения питания. Снижение мощности, выделяемой тензорезисторами, позволяет снизить температуру разогрева тензорезисторов от протекающего через них тока. При этом снижается энергопотребление датчика давления 1.

Выражения (7)-(10) были получены без учета влияния температуры разогрева тензомоста и не учитывают погрешность преобразования, связанную с изменением сопротивлений тензорезисторов и дополнительного резистора 27.

С учетом влияния температуры для выходной частоты преобразователя выражение (7) принимает вид

где значения , , , зависят от относительного изменения сопротивлений тензорезисторов, связанных с изменением температуры тензомоста и величиной температурного коэффициента сопротивления материала тензорезисторов.

Математическое моделирование устройства с учетом реально возможных значений параметров схемы и заданных диапазонов разбаланса тензомоста, температуры разогрева датчика давления, частоты выходного сигнала, конкретных значений температурного коэффициента сопротивления тензорезисторов и дополнительного резистора позволило получить графические зависимости выходного сигнала от изменения перечисленных выше параметров и произвести сравнительную оценку заявляемого устройства с прототипом.

На фиг.6 показана зависимость частоты выходного сигнала от разбаланса тензомоста εR согласно выражению (7) в диапазоне от - 0,01 до +0,01, без учета влияния температуры, при следующих параметрах схемы: сопротивление тензомоста R=700 Ом, сопротивление резистивного делителя напряжения R=140 кОм (a=200), при этом относительный разбаланс делителя напряжения εд=0,04, сопротивления интегратора R24=27778 Ом и R26=35714 Ом, емкость конденсатора C23=40 пФ при отсутствии дополнительного резистора 27 (n=0).

Из графика фиг.6 видно, что зависимость частоты выходного сигнала от разбаланса тензомоста изменяется от 3000 Гц при εR=-0,01 до 11000 Гц при εR=+0,01 и равна 7000 Гц при εR=0, носит линейный характер во всем диапазоне разбаланса (как в отрицательной, так и в положительной области), что может быть использовано в дифференциальных датчиках давления и по сравнению с прототипом [5], который работает только при одностороннем разбалансе тензомоста, расширяет функциональные возможности устройства.

При включении в схему устройства дополнительного резистора 27 с увеличением соотношения n=R27/R (n=1, n=4) уменьшение частоты выходного сигнала компенсируется увеличением емкости конденсатора C23.

На фиг.7 показаны зависимости при: n=0, C23=40 пФ; n=1, C23=20 пФ; n=4, С23=10 пФ; остальные параметры оставались неизменными.

Из графика фиг.7 видно, что с увеличением n сохраняется линейный характер зависимости, но несколько изменяется наклон. Однако с помощью разбаланса εд делителя напряжения можно установить ту же начальную частоту, что и при n=0, а с помощью резисторов интегратора R24 и R26 можно изменить чувствительность, или диапазон изменения выходной частоты, и тем самым изменить наклон прямой частотной зависимости.

При повышении температуры измеряемой среды происходит разогрев тензомоста как за счет разогрева датчика от воздействия среды, так и за счет протекания тока через тензорезисторы, что ограничивает повышение чувствительности датчиков давления путем повышения напряжения питания тензомоста и соответственно увеличения амплитуды сигнала с выхода измерительной диагонали тензомоста из-за ограниченной мощности тензорезисторов. С повышением температуры и увеличением разбаланса тензомоста сказываются температурные изменения сопротивлений тензорезисторов, которые приводят к дополнительной погрешности преобразования.

На фиг.8 показана температурная зависимость (11) выходной частоты преобразователя (фиг.4) с изменением температуры в диапазоне от 0 до 150°С с учетом указанного выше значения температурного коэффициента сопротивления материала тензорезисторов при отсутствии добавленного резистора 27 (n=0) и разбалансе тензомоста, равном εR=0,01.

Из графика зависимости (фиг.8) видно, что частота выходного сигнала уменьшается с ростом температуры и относительная температурная погрешность для данного случая составляет 3%.

Уменьшить данную погрешность или полностью ее компенсировать можно путем введения в схему частотного преобразователя (фиг.4) дополнительного резистора 27. При этом следует отметить, что величина и расположение данного резистора в схеме преобразователя по-разному влияют на частоту выходного сигнала.

Так, если дополнительный резистор расположить непосредственно в микроэлектронном модуле 8 устройства (фиг.2), считая, что сопротивление его не изменяется с увеличением температуры, а изменяется только сопротивление тензомоста, то частота выходного сигнала частотного преобразователя устройства будет увеличиваться.

При расположении дополнительного резистора на мембране, выполнив его из того же материала, что и тензорезисторы, и расположив его по контуру за периферией мембраны на ее основании в зоне, нечувствительной к механическим деформациям от воздействия измеряемого давления, при температуре разогрева, близкой к температуре тензорезисторов, частота выходного сигнала частотного преобразователя устройства будет уменьшаться.

И, наконец, если выполнить дополнительный резистор составным из двух частей, когда одна часть будет установлена в микроэлектронном модуле (как в первом случае), а другая часть - на мембране (как во втором случае), при различных соотношениях можно добиться полной компенсации температурной погрешности преобразования для определенных диапазонов температуры и измеряемого давления.

На фиг.9-14 относительное изменение сопротивлений εR обозначено через букву Е.

На фиг.9, 10 и 11 показаны зависимости частоты выходного сигнала от температуры в диапазоне от 0 до +150°С при n=1 (R27=R=700 Ом), разбалансе тензомоста (εR=0; 0,005; 0,01) и при различных вариантах размещения дополнительного резистора 27:

1 вариант - в микроэлектронном модуле (в схеме),

2 вариант - на мембране датчика (на ТМ),

3 вариант - комбинированный (комбин.), когда одна часть установлена в микроэлектронном модуле, а другая часть - на мембране.

Из графиков (фиг.9, 10, 11) видно, что при размещении дополнительного резистора 27 в микроэлектронном модуле (см. - в схеме) частота выходного сигнала увеличивается при росте температуры тензомоста на мембране, а при размещении его на мембране (см. - на ТМ) она уменьшается. Полная компенсация температурной погрешности преобразования, при котором частота выходного сигнала остается неизменной для конкретного диапазона разбаланса тензомоста, осуществляется при комбинированном размещении дополнительного резистора (см. - комбин.).

На фиг.12, 13, 14 показаны аналогичные зависимости частоты выходного сигнала при n=4 (R27=4R=2800 Ом).

Следует отметить, что для полной компенсации температурной погрешности в случае комбинированного размещения дополнительного резистора (комбин.) с увеличением его номинала следует изменять соотношение частей, размещенных на мембране и в микроэлектронном модуле преобразователя (Rтм/Rсх). Причем, чем больше значение n, тем большая составная часть его должна быть на мембране в зоне расположения тензомоста (ТМ). Так, например, при разбалансе εR=0,005 для n=1 это соотношение будет равно 0,551, а для и=4 оно равно 0,717, т.е. меньшая часть дополнительного резистора должна размещаться в микроэлектронном модуле, а большая часть - на мембране.

На фиг.15 показана зависимость соотношения частей дополнительного резистора R27, при котором осуществляется компенсация температурной погрешности, от диапазона разбаланса тензомоста (εR=0; 0,005; 0,01) и величины n=R27/R (1; 4; 10), где Rтм - часть резистора, размещенная на мембране, Rсх - на микроэлектронном модуле (схеме). При этом R27=Rтм+Rсх.

Таким образом, для заданных значений диапазона измеряемых давлений, температуры разогрева тензомоста, частотного диапазона выходного сигнала устройства, путем правильного подбора параметров элементов схемы частотного преобразователя сигнала с выхода тензомоста можно значительно уменьшить (или полностью компенсировать) погрешность измерения устройства, связанную с изменением температуры измеряемой среды и с разогревом тензомоста датчика давления.

Схема принципиальная электрическая устройства была смоделирована с помощью компьютерной программы «Micro-Cap» и представлена на фиг.16. На фиг.17 показаны формы и амплитуды сигналов с выхода компаратора устройства (верхняя диаграмма) и с выхода интегратора (нижняя диаграмма), а также частота выходного сигнала (в правом верхнем углу). Результаты схемотехнического компьютерного моделирования подтвердили справедливость выведенных выражений и результатов математического моделирования.

Источники информации

1. Васильев В.А. Технологические особенности твердотельных мембранных чувствительных элементов. // Вестник Московского государственного технического университета. Сер. Приборостроение. - М., 2002 - №4. - С.97-108.

2. Белозубов Е.М. Патент РФ №2031355, 6G01B 7/16. Способ термокомпенсации тензомоста. Бюл. №8 от 20.03.95.

3. Белозубов Е.М. Патент РФ №1615578 5G01L 9/04. Датчик давления. Опубл. 23.12.90. Бюл. №47.

4. Белозубов Е.М., Белозубова Н.Е. Тонкопленочные тензорезисторные датчики давления - изделия нано- и микросистемной техники. // Нано- и микросистемная техника - М., 2007. - №.12. - С.49-51.

5. Громков Н.В., Михотин В.Д., Шахов Э.К., Шляндин В.М. А.с. СССР №828406, М. Кл. H03K 13/20. Опубл. 07.05.81. Бюл. №17.

1. Устройство для измерения давления с частотным выходом на основе нано- и микроэлектромеханической системы (НиМЭМС), содержащее тензорезисторный датчик, состоящий из корпуса, установленное в нем НиМЭМС с упругим элементом в виде мембраны с основанием, сформированной на ней гетерогенной структурой из тонких пленок материалов, в которой образованы тензорезисторы, объединенные в тензомост, частотный преобразователь сигнала с выхода тензомоста, содержащий компаратор и интегратор, выполненный на операционном усилителе с первым конденсатором в цепи отрицательной обратной связи, выход которого подключен к первому входу компаратора, между выходом которого и инвертирующим входом операционного усилителя интегратора включен второй конденсатор, инвертирующий вход операционного усилителя интегратора через первый резистор соединен с одной из вершин измерительной диагонали тензомоста, а ее другая вершина подключена к неинвертирующему входу операционного усилителя интегратора и второму входу компаратора, отличающееся тем, что введен делитель напряжения из двух резисторов, второй резистор интегратора и дополнительный резистор, при этом делитель напряжения подключен параллельно диагонали питания тензомоста датчика, выход делителя напряжения через второй резистор интегратора соединен с инвертирующим входом операционного усилителя интегратора, первая вершина диагонали питания тензомоста через дополнительный резистор подключена к выходу компаратора, а вторая вершина - к шине «земля».

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительный резистор выполнен из того же материала, что и тензорезисторы тензомоста датчика, установлен по контуру за периферией мембраны на ее основании.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительный резистор состоит из двух частей, первая из которых выполнена из того же материала, что и тензорезисторы тензомоста датчика, установлена по контуру за периферией мембраны на ее основании, а вторая - из резистивного материала и расположена за пределами мембраны в датчике или частотном преобразователе сигнала.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления жидких и газообразных агрессивных сред. .

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 нестационарных температур и повышенных виброускорений.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления в условиях воздействия температур измеряемой среды как в системах автоматического контроля, так и в цифровых приборах специального и универсального назначения.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при изготовлении датчиков давления повышенной точности, устойчивых к воздействию нестационарных температур.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к датчикам, предназначен для использования в различных областях науки, связанных с измерением давления в условиях воздействия нестационарных температур и повышенных виброускорений.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения давления в условиях воздействия нестационарных температур (термоудара) измеряемой среды.

Изобретение относится к датчикам давления, включающим полупроводниковый чувствительный элемент на основе структуры «кремний на сапфире», выполненный по планарной микроэлектронной технологии.

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 нестационарных температур и повышенных виброускорений.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления в условиях нестационарных температур (термоудара) измеряемой среды.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения давления с повышенной точностью в широком диапазоне температур. .
Изобретение относится к получению композиционного материала на основе шунгита и гипса, который может быть использован в производстве экологически чистых строительных изделий - облицовочных плиток, стеновые блоков и панелей, для медицинских целей и в качестве средства для защиты от излучений.

Изобретение относится к медицине, онкологии, и может быть использовано для селективного разрушения опухолей. .

Изобретение относится к области оптического приборостроения, в частности к конструированию оптических элементов объективов и телескопов, где требуется высокое пропускание оптических элементов и их высокая износостойкость; к конструкции электро- и светоуправляемых жидкокристаллических пространственно-временных модуляторов света (ЖК-ПВМС), где необходима высокая лазерная прочность и высокий контраст при записи-считывании оптической информации, преобразовании сигнала из одного частотного диапазона в другой, при переключении потоков излучения без существенных потерь, при ограничении излучения; изобретение относится к конструкции линз, призм, оправ, световодов, голограммных элементов, нелинейных оптических фильтров, вращателей плоскости поляризации, др., где требуется высокая адгезия защитного или светопропускающего покрытия к поверхности подложки для предотвращения царапин, микроскопических щелей, других дефектов, существенно изменяющих процессы прохождения светового излучения через указанные оптические элементы и могущих вызвать изменение плоскости поляризации последних.

Изобретение относится к катализаторам электровосстановления кислорода воздуха. .
Изобретение относится к области композиционных полимерных материалов биомедицинского назначения, содержащих наряду с биосовместимыми полимерами-структурообразователями (2-12 мас.%), наполнители в виде стабилизированного амфифильными сополимерами малеиновой кислоты (0,02-0,6 мас.%) наноразмерного серебра (0,007-0,3 мас.%), а также лечебные вещества (0,01-0,6 мас.%) и воду и может быть использовано для получения способом криоструктурирования наполненных комплексом стабилизированного наноразмерного серебра и лечебными веществами макропористых полимерных гидрогелей и пленок с регулируемыми прочностными и диффузионными (по отношению к серебру) характеристиками.
Изобретение относится к технологии обработки волокнистых материалов в легкой промышленности. .

Изобретение относится к средствам вычислительной техники и может быть использовано в оптических устройствах обработки информации при разработке и создании оптических вычислительных машин и приемо-передающих устройств
Наверх