Тензорезисторный датчик давления на основе тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системы



Тензорезисторный датчик давления на основе тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системы
Тензорезисторный датчик давления на основе тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системы

 


Владельцы патента RU 2547886:

Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" (RU)

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к тензорезисторным датчикам давления на основе тонкопленочных нано- и микроэлектромеханических систем (НиМЭМС). Техническим результатом изобретения является повышение временной и температурной стабильности, ресурса, срока службы и чувствительности, а также уменьшение погрешности от нелинейности статической характеристики датчика. Датчик содержит корпус со штуцером, мембрану, упругую балку в виде прямоугольного параллелепипеда, на внешней поверхности которого размещены тензорезисторы. В боковых гранях балки под зонами размещения тензорезисторов выполнены сквозные выемки, образующие утолщения вне зон размещения тензорезисторов и перемычку, соединяющую концы балки между собой. В центральной части перемычки выполнено отверстие с размерами, превышающими поперечные размеры штока. Сквозные выемки выполнены в виде элементов торовых поверхностей, размещенных симметрично относительно поперечной оси балки, а перемычка - в виде цилиндрического кольца и элементов торовых поверхностей, отделенных от рабочей части балки прорезями, выполненными параллельно продольной оси балки. Тензорезисторы размещены симметрично продольной оси балки на минимально возможном расстоянии друг от друга. Радиус торовых поверхностей и расстояние между внешней поверхностью балки и центрами радиусов торовых поверхностей связаны соответствующими соотношениями. 2 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике, в частности к тензорезисторным датчикам давления на основе тонкопленочных нано- и микроэлектромеханических систем (НиМЭМС) с мостовой измерительной цепью, предназначенным для использования в системах управления, контроля и диагностики технически сложных объектов длительного функционирования в условиях воздействия широкого диапазона температур и виброускорений в составе изделий авиационной и ракетной техники.

Известен датчик давления, содержащий корпус со штуцером, основание, упругую балку, тензорезисторы, соединенные в мостовую схему, мембрану, шток, пропущенный через отверстие основания, контактную площадку, первые дополнительные выступы, сформированные на периферии основания симметрично его центра, четыре цилиндрических сквозных отверстия, продольные оси которых перпендикулярны продольной оси упругой балки, вторые дополнительные выступы, сформированные на основании на удалении от первых дополнительных выступов, микропровода, контакты [1].

Недостатком известной конструкции является сравнительно низкая временная и температурная стабильность в условиях воздействия широкого диапазона температур и виброускорений, объясняемая недостаточной жесткостью закрепления балки и влиянием на балку напряжений и деформаций, возникающих в основании при воздействии дестабилизирующих факторов на датчик. Кроме того, точность измерений недостаточна вследствие ограниченной чувствительности примененной упругой балки из-за невозможности изготовления очень тонких балок вследствие потери устойчивости в результате воздействия остаточных деформаций после механической обработки поверхности размещения тензорезисторов из-за отсутствия жесткой фиксации и идентичности фиксации концов балки при ее изготовлении и закреплении на основании.

Недостатком известного датчика являются также ограниченные функциональные возможности, заключающиеся в невозможности размещения на балке дополнительных тензорезисторов и других элементов, необходимых для организации дополнительного независимого канала измерения или для организации систем диагностирования вследствие ограниченных поперечных размеров балки в местах размещения тензорезисторов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является датчик давления, содержащий корпус со штуцером, мембрану, связанную при помощи штока с центральной частью, закрепленной на основании своими концами упругой балки в виде прямоугольного параллелепипеда. На внешней поверхности прямоугольного параллелепипеда параллельно продольной оси балки размещены тензорезисторы, а в его боковых гранях под зонами размещения тензорезисторов выполнены сквозные выемки, образующие утолщения вне зон размещения тензорезисторов и перемычку, соединяющую концы балки между собой. В центральной части перемычки симметрично относительно поперечной оси балки выполнено сквозное отверстие с размерами, превышающими поперечные размеры штока, и шток частично размещен в отверстии перемычки [2].

Недостатком известной конструкции является сравнительно низкая временная и температурная стабильность в условиях воздействия широкого диапазона температур и виброускорений, объясняемая недостаточной жесткостью фиксации концов балки при изготовлении и влиянием на балку напряжений и деформаций, возникающих в основании при воздействии дестабилизирующих факторов на датчик вследствие отсутствия компенсации этих напряжений и деформаций.

Другим недостатком известного датчика является недостаточная точность измерений вследствие ограниченной чувствительности упругой балки из-за невозможности изготовления достаточно тонких балок вследствие потери устойчивости в результате воздействия остаточных деформаций после механической обработки поверхности размещения тензорезисторов из-за отсутствия жесткой фиксации и идентичности фиксации концов балки при ее изготовлении и закреплении на основании.

Целью изобретения является повышение временной и температурной стабильности, ресурса, срока службы и чувствительности в условиях воздействия широкого диапазона температур и виброускорений за счет повышения жесткости и идентичности фиксации концов балки при ее изготовлении и установке на основание, компенсации напряжений и деформаций, возникающих в основании при воздействии широкого диапазона температур и виброускорений.

Поставленная цель достигается тем, что в тензорезисторном датчике давления на основе тонкопленочной НИМЭМС, содержащем корпус со штуцером, мембрану, связанную при помощи штока с центральной частью, закрепленной на основании своими концами упругой балки в виде прямоугольного параллелепипеда, на внешней поверхности которого размещены тензорезисторы, а в его боковых гранях под зонами размещения тензорезисторов выполнены сквозные выемки, образующие утолщения вне зон размещения тензорезисторов и перемычку, соединяющую концы балки между собой, а в центральной части перемычки симметрично относительно поперечной оси балки выполнено сквозное отверстие с размерами, превышающими поперечные размеры штока, и шток частично размещен в отверстии перемычки, в соответствии с заявляемым изобретением сквозные выемки выполнены в виде элементов торовых поверхностей, размещенных симметрично относительно поперечной оси балки, а перемычка выполнена в виде цилиндрического кольца и элементов торовых поверхностей, отделенных от рабочей части балки прорезями, выполненными параллельно продольной оси балки, при этом тензорезисторы размещены симметрично продольной оси балки на минимально возможном расстоянии друг от друга, а элементы торовых поверхностей сопрягаются с центральной частью балки и цилиндрическим кольцом, и цилиндрическое кольцо выполнено заодно целое с концами балки и закреплено на основании, на равном удалении от концов балки, причем радиус r торовых поверхностей и расстояние L между внешней поверхностью балки и центрами радиусов торовых поверхностей выбраны по соотношениям

r=(7…10)D, L=r+Hmin,

где D - внутренний диаметр цилиндрического кольца,

Hmin - минимальная толщина балки.

Обоснование наличия причинно-следственной связи между достигнутым техническим результатом и конструкцией датчика проведем следующим образом. Выполнение сквозных выемок в виде элементов торовых поверхностей, размещенных симметрично относительно поперечной оси балки, обеспечивает равномерность и близость по абсолютной величине деформаций в зоне размещения тензорезисторов, что повышает температурную и временную стабильность. Перемычка выполнена в виде цилиндрического кольца и элементов торовых поверхностей жесткости и идентичности фиксации концов балки при ее изготовлении и установке на основание. Отделение от рабочей части балки прорезями, выполненными параллельно продольной оси балки, уменьшает влияние на балку напряжений и деформаций, возникающих в основании при воздействии широкого диапазона температур и виброускорений. Тензорезисторы размещены симметрично продольной оси балки на минимально возможном расстоянии друг от друга для обеспечения идентичности деформаций (по абсолютной величине), воспринимаемых тензорезисторами при измерении давления, а следовательно, для повышения временной и температурной стабильности. Кроме того, предлагаемое размещение тензорезисторов обеспечивает минимальную погрешность от нелинейности градуировочной характеристики датчика вследствие минимальности влияния в этом случае несоосности штока и балки. Сопряжение элементов торовых поверхностей с центральной частью балки и цилиндрическим кольцом дополнительно обеспечивает равномерность распределения деформаций в балке от измеряемого давления. Цилиндрическое кольцо выполнено заодно целое с концами балки и закреплено на основании, на равном удалении от концов балки для обеспечения повышения жесткости и идентичности фиксации концов балки при ее изготовлении и установке на основание, компенсации напряжений и деформаций, возникающих в основании при воздействии широкого диапазона температур и виброускорений. Заявляемые соотношения радиуса r торовых поверхностей и расстояния L между внешней поверхностью балки и центрами радиусов торовых поверхностей дополнительно обеспечивают равномерность распределения деформаций в балке от измеряемого давления, а следовательно, повышает временную и температурную стабильность, ресурс, срок службы и чувствительность датчика.

На фиг.1 показана конструкция предлагаемого датчика. На фиг.2 - балка с перемычкой в виде цилиндрического кольца. Соотношения между элементами конструкции для наглядности изменены.

Датчик содержит корпус 1 со штуцером 2, мембрану 3, связанную при помощи штока 4 с центральной частью 5, закрепленной на основании 6 своими концами 7 упругой балки 8 в виде прямоугольного параллелепипеда, на внешней поверхности которого параллельно продольной оси 9 балки 8 размещены тензорезисторы 10. В боковых гранях балки 8 под зонами размещения тензорезисторов 10 выполнены сквозные выемки 11, образующие утолщения 12 вне зон размещения тензорезисторов 10 и перемычку 13, соединяющую концы 7 балки 8 между собой. В центральной части перемычки 13 симметрично относительно поперечной оси 14 балки 8 выполнено отверстие 15 с размерами, превышающими поперечные размеры штока 4, который частично размещен в отверстии 15 перемычки 13. Сквозные выемки 11 выполнены в виде элементов торовых поверхностей 16, размещенных симметрично относительно поперечной оси 14 балки 8, а перемычка 13 - в виде цилиндрического кольца 17 и элементов торовых поверхностей 16, отделенных от рабочей части балки 8 прорезями 18, выполненными параллельно продольной оси 9 балки 8. Тензорезисторы 10 размещены симметрично продольной оси 9 балки 8 на минимально возможном (определяемом возможностями технологии) расстоянии друг от друга. Тензорезисторы 10 имеют контактные площадки 19. Элементы торовых поверхностей 16 сопрягаются с центральной частью 5 балки 8 и цилиндрическим кольцом 17. Цилиндрическое кольцо 17 выполнено заодно целое с концами 7 балки 8 и закреплено на основании 6 в местах закрепления 20, на равном удалении от концов 7 балки 8. Радиус r торовых поверхностей 16 и расстояние L между внешней поверхностью балки 8 и центрами радиусов торовых поверхностей 16 выбраны по заявляемым соотношениям.

Датчик работает следующим образом. Измеряемое давление воздействует на мембрану 3. Мембрана 3, а вместе с ней и упругая балка 8 деформируются. Деформация упругой балки 8 воспринимается размещенными на ней тензорезисторами 10. Изменения сопротивлений тензорезисторов 10, вызванные деформацией балки 8, преобразуются мостовой измерительной цепью, в которую включены тензорезисторы 10, в выходное напряжение, снимаемое с внешних выводов 21 датчика.

В связи с выполнением конструкции в соответствии с заявляемым решением обеспечивается повышение временной и температурной стабильности, ресурса, срока службы и чувствительности в условиях воздействия широкого диапазона температур и виброускорений за счет повышения жесткости и идентичности фиксации концов балки при ее изготовлении и установке на основание, компенсации напряжений и деформаций, возникающих в основании при воздействии широкого диапазона температур и виброускорений. Кроме того, предлагаемое решение обеспечивает минимальную погрешность от нелинейности статической характеристики датчика вследствие минимальности влияния в этом случае несоосности штока и балки.

Таким образом, техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение временной и температурной стабильности, ресурса, срока службы и чувствительности в условиях воздействия широкого диапазона температур и виброускорений за счет повышения жесткости и идентичности фиксации концов балки при ее изготовлении и установке на основание, компенсации напряжений и деформаций, возникающих в основании при воздействия широкого диапазона температур и виброускорений. Кроме того, предлагаемое решение обеспечивает минимальную погрешность от нелинейности статической характеристики датчика вследствие минимальности влияния в этом случае несоосности штока и балки.

Источники известности

1. RU патент №2082125 C2, G01L 9/04. Датчик давления. Опубл. 20.06.97. БИ №17.

2. RU патент №2166741 C2, G01L 9/04. Датчик давления. Опубл. 10.05.2001. БИ №13.

Тензорезисторный датчик давления на основе тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системы, содержащий корпус со штуцером, мембрану, связанную при помощи штока с центральной частью, закрепленной на основании концами упругой балки в виде прямоугольного параллелепипеда, на внешней поверхности которого размещены тензорезисторы, а в его боковых гранях под зонами размещения тензорезисторов выполнены сквозные выемки, образующие утолщения вне зон размещения тензорезисторов и перемычку, соединяющую концы балки между собой, а в центральной части перемычки симметрично относительно поперечной оси балки выполнено сквозное отверстие с размерами, превышающими поперечные размеры штока, и шток частично размещен в отверстии перемычки, отличающийся тем, что сквозные выемки выполнены в виде элементов торовых поверхностей, размещенных симметрично относительно поперечной оси балки, а перемычка выполнена в виде цилиндрического кольца и элементов торовых поверхностей, отделенных от рабочей части балки прорезями, выполненными параллельно продольной оси балки, при этом тензорезисторы размещены симметрично продольной оси балки на минимально возможном расстоянии друг от друга, а элементы торовых поверхностей сопрягаются с центральной частью балки и цилиндрическим кольцом, и цилиндрическое кольцо выполнено заодно целое с концами балки и закреплено на основании, на равном удалении от концов балки, причем радиус r торовых поверхностей и расстояние L между внешней поверхностью балки и центрами радиусов торовых поверхностей выбраны по соотношениям
r=(7…10)D, L=r+Hmin,
где D - внутренний диаметр цилиндрического кольца,
Hmin - минимальная толщина балки.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в технологии изготовления малогабаритных тонкопленочных датчиков механических величин, работоспособных в широком диапазоне температур.

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 направлено на повышение точности измерения и стабильности технических характеристик датчиков давления. Способ измерения давления заключается в размещении датчика давления на основе тензорезистивного моста в исследуемую среду, регистрации напряжений с питающей и измерительной диагоналей моста, их преобразовании в аналоговый сигнал постоянного тока и определении по этим сигналам давления.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в технологии изготовления малогабаритных тонкопленочных датчиков механических величин, работоспособных в широком диапазоне температур.

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности, к преобразователям малых давлений и может быть использовано в разработке и изготовлении малогабаритных полупроводниковых преобразователей давления, работоспособных при повышенных температурах.

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к преобразователям малых давлений высокотемпературных сред, и может быть использовано в разработке и изготовлении малогабаритных полупроводниковых преобразователей давления, работоспособных при повышенных температурах.

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для измерения давления при автоматизации контроля технологических процессов. Техническим результатом изобретения является уменьшение температурной погрешности и повышение быстродействия.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для прецизионных измерений давления жидких и газообразных сред. Сущность: датчик содержит корпус, установленную в нем нано- и микроэлектромеханическую систему (НиМЭМС), состоящую из упругого элемента в виде мембраны с жестким центром, заделанной по контуру в опорное основание, образованной на ней гетерогенной структуры из тонких пленок материалов, герметизирующей контактной колодки и соединительных проводников.

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении давления жидких и газообразных сред. Заявленная группа изобретений включает способ измерения давления с использованием тензорезисторного датчика давления на основе нано- и микроэлектромеханической системы (НиМЭМС) и интеллектуальный датчик давления на основе НиМЭМС.

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

Изобретение относится к энергетическому кабелю для передачи или распределения электроэнергии, особенно электроэнергии среднего или высокого напряжения. Кабель содержит по меньшей мере один электрический проводник и по меньшей мере один электроизоляционный слой, окружающий указанный электрический проводник, при этом по меньшей мере один электроизоляционный слой содержит: (a) термопластичный полимерный материал, который выбран из по меньшей мере одного сополимера (i) пропилена с по меньшей мере одним олефиновым сомономером, выбранным из этилена и α-олефина, за исключением пропилена, причем у указанного сополимера температура плавления составляет 130°C и более и энтальпия плавления составляет 20-90 Дж/г; (b) по меньшей мере один наноразмерный неорганический наполнитель.

Изобретение относится к нанотехнологии и может быть использовано для маркирования молекул, квантовой обработки информации, магнитометрии и синтеза алмаза химическим осаждением из газовой фазы.

Изобретение относится к биотехнологии. Описаны вакцины против гриппа, содержащие антиген штамма А/Калифорния/7/09 (H1N1) и адъювант, представляющий собой сферические аморфные наночастицы бетулина, или модифицированный фуллерен, или наночастицы гидроксиапатита.
Изобретение относится к медицине, а именно к хирургической оториноларингологии. Выполняют разрез слизистой оболочки и надхрящницы от перегородки носа до места прикрепления нижней носовой раковины.
Изобретение относится к области медицины и ветеринарии, а именно - направленной доставке лекарственных средств в живом организме. Задачей предлагаемого изобретения является упрощение адресной доставки лекарственного средства в онкологическую опухоль и повышения локальности доставки лекарств в опухоль.

Изобретение относится к способу получения катализатора путем покрытия ячеистых тел кристаллическим слоем металла с каталитическими свойствами. Перед нанесением покрытия на поверхности ячеистых тел кристаллического слоя металла упомянутые поверхности предварительно покрывают порошком из драгоценных металлов, имеющим размер частиц <10 мкм.

Изобретение относится к вакуумной микроэлектронике. Способ создания сверхбыстродействующего вакуумного туннельного фотодиода с наноструктурированным эмиттером включает измерение фототока вакуумного фотодиода, возникающего при облучении непрерывным или импульсным оптическим излучением эмиттера при установке определенного значения ускоряющего напряжения на аноде, при этом облучают планарную поверхность наноструктурированного эмиттера лазерным пучком с длиной волны, выбранной из УФ-, видимого или ИК-диапазона при энергии фотона меньше работы выхода электронов из эмиттера, устанавливают фиксированное значение напряжения на аноде U, не превышающее значение, определяемое из заданного соотношения.

Группа изобретений относится к медицине, конкретно к абсорбирующим нетканым материалам, содержащим дисперсные сорбенты. Описан антисептический сорбционный материал, обладающий противовоспалительным, ранозаживляющим, абсорбирующим, вяжущим и антисептическим действием, представляющий собой микроволокнистую матрицу с закрепленным на ее волокнах дисперсным сорбентом, содержащим высокопористые частицы гидрата оксида алюминия и частицы оксида цинка.

Группа изобретений относится к медицине и касается стабильной композиции наноструктурированного силденафила, ингибирующей цГМФ-специфичную фосфодиэстеразу типа 5 (PDEV), содержащей наноструктурированное основание силденафила или его фармацевтически приемлемые соли, имеющие средний размер частиц менее чем примерно 500 нм, стабилизатор, где композицию получают в проточном реакторе непрерывного действия на основе микроструйной техники и где композиция обладает полуаморфной структурой.

Изобретение относится к медицине, а именно к хирургии. Описано биоактивное раневое покрытие на основе гидрогелевого нанокомпозита, которое содержит антимикробный и антиоксидантный компоненты: модифицированный серебром монтмориллонит и фуллеренол, направленные на оптимизацию течения раневого процесса, профилактику развития и подавление раневой инфекции.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению литого композиционного материала (ЛКМ) на основе алюминиевого сплава для изготовления циклически и термически нагруженных до 230°С деталей авиационного назначения - лопаток вентилятора и ступеней компрессора низкого давления перспективных авиационных двигателей и газоперекачивающих аппаратов. Литой композиционный материал на основе алюминиевого сплава системы Al-Cu-Mg-Ag содержит армирующие дискретные керамические частицы оксида алюминия зернистостью 10-100 нм в количестве 0,2-10 об.% и диборида титана зернистостью 0,5-1,5 мкм в количестве, при котором содержание титана в сплаве составляет 0,1-0,2 мас.%. Способ получения ЛКМ включает получение модифицированной лигатуры Al-Ti-B путем сухой механофрикционной обработки в размольно-смесительном устройстве крупнозернистого порошка или стружки лигатуры Al-Ti-B, выбранной из ряда AlTi3B1, AlTi5B0,2, AlTi5B0,6, AlTi5B1, введения в нее в заданном количестве дискретных керамических частиц оксида алюминия зернистостью 10-100 нм, перемешивания до получения однородной консистенции, дальнейшей высокоэнергетической механической обработки полученной смеси, ее брикетирования посредством холодного изостатического прессования под давлением 200-400 МПа для достижения плотности свыше 60% от теоретической, введение полученных брикетов в расплав алюминиевого сплава системы Al-Cu-Mg-Ag, перегретый до 750-850°С, выдержку при заданной температуре в течение 20-60 минут, разливку со скоростью затвердевания не менее 70 К/сек и окончательную термообработку путем проведения гомогенизирующего отжига при 450-500°С в течение 2-24 часов, нагрева до 510-520°С с выдержкой в течение 1-5 часов, закалки в воду и последующего искусственного старения при температуре 190-250°С в течение 2-10 часов. Техническим результатом изобретения является повышение жаропрочности и трещиностойкости ЛКМ за счет равномерного распределения наноразмерных керамических частиц оксида алюминия в объеме отливки. 2 н.п. ф-лы.
Наверх