Высокоточный датчик давления на основе нано- и микроэлектромеханической системы



Высокоточный датчик давления на основе нано- и микроэлектромеханической системы
Высокоточный датчик давления на основе нано- и микроэлектромеханической системы
Высокоточный датчик давления на основе нано- и микроэлектромеханической системы
Высокоточный датчик давления на основе нано- и микроэлектромеханической системы
Высокоточный датчик давления на основе нано- и микроэлектромеханической системы

 

G01L9/00 - Измерение постоянного или медленно меняющегося давления газообразных и жидких веществ или сыпучих материалов с помощью электрических или магнитных элементов, чувствительных к механическому давлению; передача и индикация перемещений элементов, чувствительных к механическому воздействию, используемых для измерения давления с помощью электрических или магнитных средств (измерение разности двух или более величин давления G01L 13/00; одновременное измерение двух и более величин давления G01L 15/00; вакуумметры G01L 21/00)

Владельцы патента RU 2541714:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенский государственный университет " (ПГУ) (RU)

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления жидких и газообразных средств. Датчик содержит корпус, установленную в нем нано- и микроэлектромеханическую систему (НиМЭМС), состоящую из упругого элемента - мембраны с жестким центром, с периферийным основанием в виде оболочки вращения, образованной на ней гетерогенной структуры из тонких пленок материалов, в которой сформированы контактные площадки, первые радиальные тензорезисторы из одинаковых тензоэлементов, расположенных по одной окружности мембраны, и вторые радиальные тензорезисторы из одинаковых тензоэлементов, расположенных по другой окружности на мембране, соединенные перемычками, включенные в измерительный мост. Радиус жесткого центра определен из соотношения: rж.ц.=0,42rм, где rм - радиус мембраны. При этом тензоэлементы первых радиальных тензорезисторов расположены по окружности, радиус которой определен из соотношения r1=0,444rм, а тензоэлементы вторых радиальных тензорезисторов расположены по окружности, радиус которой определен из соотношения r2=0,733 rм. Техническим результатом изобретения является повышение точности за счет повышения чувствительности при одновременном уменьшении нелинейности. 5 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к датчикам, предназначенным для прецизионных измерений в различных областях науки и техники, и может быть использовано для измерения давления жидких и газообразных сред.

Датчики давления на основе нано- и микроэлектромеханических систем относятся к изделиям нано- и микросистемной техники. Они содержат нано- и микроэлектромеханические системы (НиМЭМС), состоящие из упругого элемента (УЭ) простой (мембрана, стержень, балка и т.п.) или сложной формы (мембрана с жестким центром, две мембраны, соединенные между собой штоком, и др.), гетерогенной структуры, герметизирующей контактной колодки, соединительных проводников. Гетерогенная структура состоит из нано- и микроразмерных тонкопленочных диэлектрических, тензорезистивных, контактных и других слоев, сформированных на мембране. Толщина тензорезистивного слоя в НиМЭМС таких датчиков составляет 40-100 нм. Элементы (тензорезисторы, контактные проводники и др.), образованные в гетерогенной структуре, объединяются в измерительную цепь, как правило, в мостовую [1-3].

Известны тензорезисторные датчики давления на основе НиМЭМС с тензорезисторами, расположенными на мембране в радиальном направлении и соединенными в мостовую измерительную цепь [4, 5]. Однако они имеют невысокую чувствительность из-за неоптимального расположения тензорезисторов по радиусу мембраны. Тензорезисторы располагают в радиальном направлении от центральной части мембраны до ее периферии. При таком расположении относительные радиальные деформации в каждой точке по радиусу мембраны различны и принимают значения от положительных значений до отрицательных. Относительные изменения сопротивлений тензорезисторов определяются среднеинтегральным значением относительных радиальных деформаций в местах их расположения, и поэтому они не велики (не максимальны).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является датчик давления с тонкопленочной тензорезисторной НиМЭМС, выбранный в качестве прототипа [6]. Датчик содержит корпус, круглую мембрану с жестким центром, с периферийным основанием в виде оболочки вращения. Тензорезисторы выполнены в виде одинакового количества тензоэлементов, имеющих одинаковую форму. Радиальные тензоэлементы, включенные в два противоположных плеча измерительного моста, расположены на периферии мембраны. Два других плеча измерительного моста выполнены в виде радиальных тензоэлементов, расположенных на границе тонкой части мембраны и жесткого центра, выполненного на мембране. Отношение радиуса жесткого центра rж.ц. к радиусу мембраны rм выбрано более 0,5.

Датчик давления, принятый за прототип, имеет невысокую точность в связи с тем, что он недостаточно чувствителен. При отношении радиуса жесткого центра rж.ц. к радиусу мембраны rм более 0,5 чувствительность мембраны с жестким центром относительно низкая и уменьшается с увеличением такого отношения. Кроме того, расположение одних радиальных тензоэлементов (тензорезисторов) на границе тонкой части мембраны и жесткого центра, а других на периферии мембраны в областях различных по величине относительных деформаций er приводит к тому, что относительные изменения сопротивлений eR одних и других радиальных тензоэлементов (тензорезисторов) будут различны. При этом возникает нелинейность измерительной цепи датчика, которая зависит от коэффициента симметрии k и относительных изменений сопротивлений плеч мостовой измерительной цепи eR1, eR2, eR3, eR4 [7]. Для тензорезисторных датчиков, у которых относительное изменение сопротивления одного плеча обычно не превышает 0,01, при k=1 величина нелинейности составляет ~0,3÷0,6%, если рабочими являются два плеча.

Таким образом, при изготовлении нано- и микроэлектромеханической системы датчика давления с мембраной, имеющей жесткий центр, когда одни радиальные тензоэлементы расположены на границе тонкой части мембраны и жесткого центра, а другие - на периферии мембраны, возникает погрешность от нелинейности мостовой измерительной цепи, которая обусловлена возникновением несимметрии сопротивлений и различием относительных изменений сопротивлений одних и других радиальных тензорезисторов при деформациях мембраны, так как восприятие относительных деформаций одними и другими радиальными тензоэлементами различается.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности путем повышения чувствительности при одновременном уменьшении нелинейности мостовой измерительной цепи датчика.

Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения датчиков давления, имеющих мембрану с жестким центром, путем повышения чувствительности при одновременном уменьшении нелинейности мостовой измерительной цепи датчика, за счет изготовления НиМЭМС с оптимальным соотношением между радиусом жесткого центра и радиусом мембраны, при котором разница между одними и другими радиальными деформациями по абсолютной величине минимальна, а чувствительность при этом максимальна, а также путем расположения радиальных тензоэлементов по двум определенным при этом окружностям с равными, но противоположными по знаку деформациями.

Это достигается тем, что в датчике давления на основе нано- и микроэлектромеханической системы, содержащем корпус, установленную в нем нано- и микроэлектромеханическую систему (НиМЭМС), состоящую из упругого элемента - мембраны с жестким центром, с периферийным основанием в виде оболочки вращения, образованной на ней гетерогенной структуры из тонких пленок материалов, в которой сформированы контактные площадки, первые радиальные тензорезисторы из одинаковых тензоэлементов, расположенных по одной окружности мембраны, и вторые радиальные тензорезисторы из одинаковых тензоэлементов, расположенных по другой окружности на мембране, соединенные перемычками, включенные в измерительный мост, в соответствии в с предлагаемым изобретением, радиус жесткого центра определен из соотношения: rж.ц.=0,42rм, где rм - радиус мембраны, при этом тензоэлементы первых радиальных тензорезисторов расположены по окружности, радиус которой определен из соотношения r1=0,444rм, а тензоэлементы вторых радиальных тензорезисторов расположены по окружности, радиус которой определен из соотношения r2=0,733rм.

На фиг.1 показана конструкция высокоточного датчика давления на основе НиМЭМС. Датчик содержит корпус 1 со штуцером 2, установленную в нем нано- и микроэлектромеханическую систему (НиМЭМС) 3, выводные проводники 4, кабельную перемычку 5, контактную колодку 6, герметизирующую втулку 7, соединительные проводники 8, выводные колки 9, диэлектрические втулки 10 (фиг.2).

На фиг.2 отдельно показана часть нано- и микроэлектромеханической системы (НиМЭМС) 3 датчика, содержащая упругий элемент - мембрану 11 с жестким центром 12, с периферийным основанием 13 в виде оболочки вращения за границей 14 мембраны с жестким центром, гетерогенную структуру 15.

Гетерогенная структура 15 (фиг.2) образована на планарной стороне металлической мембраны 11 с жестким центром 12 методами тонкопленочной технологии из нано- и микроразмерных пленок материалов, содержащая тонкопленочные диэлектрические, тензорезистивные и контактные слои.

В гетерогенной структуре 15 сформированы радиальные тензорезисторы 16, 17, 18, 19 (фиг.3), а также тонкопленочные перемычки 20, 21 и контактные площадки 22. Тензорезисторы 16-19 (R1-R4) образуют плечи мостовой измерительной цепи, они выполнены в виде одинакового количества тензоэлементов 23, имеющих одинаковую форму (например, квадратную). Радиус жесткого центра 12 мембраны 11 (см. фиг.2) имеет значение, которое определено из соотношения: rж.ц.=0,42rм, где rм - радиус мембраны. При этом тензоэлементы 23 первых радиальных тензорезисторов 17 и 19 расположены по окружности, радиус которой определен из соотношения r1=0,444rм, а тензоэлементы вторых радиальных тензорезисторов 16 и 18 расположены по окружности, радиус которой определен из соотношения r2=0,733rм. Так, если радиус мембраны равен rм=4 мм, то rж.ц.=0,42rм=1,68 мм. При этом r1=0,444rм=1,776 мм, а r2=0,733rм=2,932 мм.

Датчик давления работает следующим образом. Измеряемое давление Р воздействует на мембрану 11 с жестким центром 12 (см. фиг.2). В результате этого возникают деформации планарной (плоской) поверхности мембраны, которые воспринимаются тензорезисторами 16-19 (см. фиг.3), включенными в мостовую измерительную цепь. Изменение сопротивлений тензорезисторов преобразуется мостовой измерительной цепью в выходное напряжение. В связи с размещением радиальных тензорезисторов 17 и 19 (из идентичных тензоэлементов 23) на мембране по одной окружности, радиус которой r1 определен по приведенному соотношению, они оказываются расположенными в зоне максимальных относительных положительных радиальных деформаций. Так как тензорезисторы 16 и 18 (из идентичных тензоэлементов 23) расположены по другой окружности мембраны с радиусом r2, который определен по другому приведенному соотношению, они оказываются в зоне отрицательных радиальных деформаций, причем равных по абсолютной величине положительным.

Выражения для радиусов r1 и r2 были получены на основе моделирования деформаций упругого элемента - мембраны с жестким центром, с периферийным основанием в виде оболочки вращения, методом конечных элементов [8].

Для значений толщин мембраны в интервале 0,1-0,3 мм (обычно используемых на практике) изменялось отношение радиуса жесткого центра к радиусу мембраны, определялись положения экстремумов положительных и отрицательных относительных деформаций на мембране. На фиг.4 представлены зависимости экстремумов положительных ermax (кривая 1) и отрицательных ermin (кривая 2) относительных деформаций плоской поверхности мембраны. Кривая 3 представляет собой инвертированную кривую 2 (то есть ). Из сравнения кривых 1 и 3 видно, что при определенном значении rж.ц./rм существует минимальная разница между ermax и . Установлено, что при отношении радиуса жесткого центра к радиусу мембраны, равном rж.ц./rм=0,42 (см. фиг.4), обеспечивается минимум разности абсолютных значений положительных и отрицательных относительных деформаций, при этом величины относительных деформаций принимают близкие и наибольшие значения.

Предлагаемый высокоточный датчик давления имеет высокую точность в связи с повышением чувствительности за счет уменьшения радиуса жесткого центра. При отношении радиуса жесткого центра rж.ц. к радиусу мембраны rм, равном 0,42, чувствительность мембраны с жестким центром выше, чем когда это отношение больше 0,5 (как у прототипа).

Благодаря тому что в предлагаемом датчике давления отношение радиуса жесткого центра к радиусу мембраны выбрано равным rж.ц./rм=0,42, повышается чувствительность при одновременном уменьшении нелинейности выходного сигнала (за счет повышения линейности преобразования в мостовой измерительной цепи), так как разница между абсолютными значениями относительных деформаций и соответственно относительными изменениями сопротивлений мостовой измерительной цепи минимальна, при этом деформации и относительные изменения сопротивлений имеют наибольшее значение.

На фиг.5 представлена зависимость относительной радиальной деформации er мембраны от текущей координаты x/rм при rж.ц.=0,42rм. Благодаря тому, что тензоэлементы 23 первых радиальных тензорезисторов 17 и 19 расположены по окружности, радиус которой определен из соотношения r1=0,444rм, значение их относительной деформации er положительно и максимально. Поскольку тензоэлементы вторых радиальных тензорезисторов 16 и 18 расположены по окружности, радиус которой определен из соотношения r2=0,733rм, значение их относительной деформации er отрицательно и равно по абсолютной величине положительной относительной деформации. При таком размещении тензоэлементов их относительные деформации равны по абсолютной величине. В связи с тем что тензорезисторы 16 (R1) и 18 (R3), а также тензорезисторы 17 (R2) и 19 (R4) включены соответственно в противоположные плечи мостовой измерительной цепи, их относительные изменения сопротивлений (которые равны по абсолютной величине, так как равны по абсолютной величине относительные деформации в местах расположения их тензоэлементов) складываются.

В результате, кроме того что чувствительность и линейность датчика давления повышается за счет выполнения rж.ц.=0,42rм, при расположении радиальных тензоэлементов указанным образом в областях с одинаковыми по абсолютной величине относительными деформациями er1 и er2, относительные изменения сопротивлений всех радиальных тензорезисторов одинаковы по абсолютной величине. В связи с этим нелинейность мостовой измерительной цепи датчика практически не возникает (т.к. eR1=eR2=eR3=eR4).

Таким образом, благодаря отличительным признакам изобретения повышается точность путем повышения чувствительности при одновременном уменьшении нелинейности мостовой измерительной цепи датчика.

Предлагаемый датчик давления выгодно отличается от известных ранее и может найти широкое применение для прецизионных измерений давления жидких и газообразных сред.

Источники информации

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

2. Белозубов Е.М., Васильев В.А., Громков Н.В. Тонкопленочные нано- и микроэлектромеханические системы - основа современных и перспективных датчиков давления для ракетной и авиационной техники // Измерительная техника. - М., 2009. - №7. - С.35-38.

3. Патент РФ №2423678, МПК G01L 9/04, Бюл. №19 от 10.07.2010. Способ изготовления тонкопленочного датчика давления / Е.М. Белозубов, Н.Е. Белозубова.

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

5. Патент РФ №1569613, МПК G01L 9/04, Бюл. №21 от 07.06.90. Датчик давления / Е.М. Белозубов.

6. Патент РФ №2345341, МПК G01L 9/04, G01L 7/08. Бюл. №3 от 27.01.09. Датчик давления / Е.М. Белозубов, Н.Е. Белозубова.

7. Васильев В.А., Тихонов А.И. Анализ и синтез измерительных цепей преобразователей информации на основе твердотельных структур // Метрология. - М., 2003. - №1. - С.3-20.

8. Васильев В.А., Орехов Д.О., Чернов П.С. Методы моделирования нано- и микроструктур, устройств и систем // Инженерная физика. - М., 2013, №6. - С.58-66.

Высокоточный датчик давления на основе нано- и микроэлектромеханической системы, содержащий корпус, установленную в нем нано- и микроэлектромеханическую систему (НиМЭМС), состоящую из упругого элемента - мембраны с жестким центром, с периферийным основанием в виде оболочки вращения, образованной на ней гетерогенной структуры из тонких пленок материалов, в которой сформированы контактные площадки, первые радиальные тензорезисторы из одинаковых тензоэлементов, расположенных по одной окружности мембраны, и вторые радиальные тензорезисторы из одинаковых тензоэлементов, расположенных по другой окружности на мембране, соединенные перемычками, включенные в измерительный мост, отличающийся тем, что радиус жесткого центра определен из соотношения: rж.ц.=0,42rм, где rм - радиус мембраны, при этом тензоэлементы первых радиальных тензорезисторов расположены по окружности, радиус которой определен из соотношения r1=0,444rм, а тензоэлементы вторых радиальных тензорезисторов расположены по окружности, радиус которой определен из соотношения r2=0,733rм.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к датчикам давления, используемым для измерения технологической текучей среды и дифференциального давления. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерений давления.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к преобразователям давления, предназначенным для использования в различных областях науки и техники, связанных с измерением давления среды в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды.

Изобретение относится к преобразователям давления. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения давления за счет уменьшения содержания посторонних молекул, растворенных в газе или жидкости.

Предлагаемое устройство относится к приборостроению и может быть использовано в системах дистанционного сбора информации о давлении в различных отраслях промышленности.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к тензорезисторным датчикам давления на основе тонкопленочных нано- и микроэлектромеханических систем (НиМЭМС) с мостовой измерительной цепью.

Изобретение относится к измерительной технике и активному неразрушающему контролю и может быть использовано для измерения давления контролируемой среды. Способ измерения давления контролируемой среды включает измерение сигналов колебаний давления в объекте исследования посредством датчика, преобразование сигналов через аналого-цифровой преобразователь и регистрацию получаемых цифровых сигналов.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к тензорезисторным датчикам давления на основе тонкопленочных нано- и микроэлектромеханических систем (НиМЭМС) с мостовой измерительной цепью, предназначенных для использования в системах управления, контроля и диагностики объектов длительного функционирования.

Изобретение относится к датчика давления и может быть использовано в устройствах для регистрации давления текучих сред. Техническим результатом является улучшение конструкции и функциональных возможностей устройства.

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может найти применение для месторождений, на которых достижение рентабельного дебита возможно только при снижении забойных давлений ниже давления насыщения.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давлений жидких и газообразных агрессивных сред в условиях воздействия широкого диапазона стационарных и нестационарных температур.

Использование: для изготовления сверхпроводниковых туннельных или джозефсоновских переходов. Сущность изобретения заключается в том, что способ изготовления сверхпроводящих наноэлементов с туннельными или джозефсоновскими переходами включает формирование нанопроводов из веществ, обладающих сверхпроводящими свойствами, и преобразование их в несверхпроводящие в выбранных разделительных участках заданной ширины за счет селективного изменения атомного состава путем воздействия пучком ускоренных частиц через защитную маску с заданным рельефом.

Изобретение относится к области преобразования электрической энергии в тепловую посредством дугового разряда в генераторе низкотемпературной плазмы (плазмотроне) и может быть использовано в энергетике для розжига и подсветки пылеугольного факела в топочных устройствах, в металлургической и химической промышленности, для получения ультрадисперсной сажи, которая является сырьем для получения наноструктурированного технического углерода.

Группа изобретений относится к области нанотехнологий, в частности к технологиям получения углеродных наноструктур и наноматериалов для применения в качестве подложек для нанесенных катализаторов, высокопрочных наполнителей, и касается полых углеродных наночастиц, углеродного наноматериала и способа его получения.

Автоматизированная технологическая линия для поверхностной модификации наночастицами серебра полимерного волокнистого материала предназначена для получения антибактериального фильтровального материала.

Изобретение относится к способу получения биосовместимых высокодисперсных полилактидных частиц для in situ изготовления диагностических средств для позитронно-эмиссионной томографии посредством объединения указанных частиц с раствором, содержащим катионы галлия-68 (III).

Изобретение относится к нанотехнологии и может применяться при изготовлении планарных двухэлектродных резистивных элементов запоминающих устройств. Способ получения резистивного элемента памяти включает в себя создание проводящих электродов на непроводящей подложке, напыление в зазор между электродами металлической пленки и последующий термический отжиг пленки.

Изобретение может быть использовано при изготовлении люминесцентных материалов для лазеров, светодиодов, солнечных батарей и биометок. В реактор загружают 2,5-5% раствор желатина в дистиллированной воде при температуре 20-30°C, нагревают его до 40-90°C и заливают 96%-этанол в количестве 2,5% от объема раствора желатина.

Изобретение относится к области нанотехнологии, а именно к полимерным композиционным материалам с нанонаполнителями. Способ включает дезагрегацию наноразмерных частиц путем разбиения агрегатов наноразмерных частиц и последующее модифицирование полимерного материала наноразмерными частицами.

Изобретение относится к электролитическому способу получения наноразмерного порошка гексаборида церия, включающему синтез гексаборида церия из расплавленных сред в атмосфере очищенного и осушенного аргона.

Изобретение относится к способу формирования тонкопленочного защитного покрытия на базисах съемных зубных протезов, обтураторах и компонентах челюстно-лицевых протезов и может найти применение в стоматологии.

Изобретение относится к сельскому хозяйству. Способ включает извлечение полезного продукта, преимущественно растворимых биоусвояемых сахаров, и последующую утилизацию лигноцеллюлозных отходов. При извлечении полезного продукта солому злаковых культур подвергают глубокой переработке, а именно: диспергированию и ферментированию. Лигноцеллюлозные отходы после извлечения полезного продукта подвергают дополнительному дроблению до размера частиц не более пяти микрон. Затем смешивают с газообразным топливом и сжигают в камере сгорания газотурбинной установки для выработки электрической и тепловой энергии. При этом полученную в процессе сжигания электрическую и тепловую энергию используют непосредственно в процессе глубокой переработки соломы. Полезный продукт в виде наноструктурированного углеводного порошка используют в качестве сырья для получения биотоплива. Изобретение позволяет безотходным способом перерабатывать солому с получением ценного наноструктурированного порошка и одновременной выработкой тепловой и электрической энергии. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.
Наверх