Наклеиваемый полупроводниковый тензорезисторный датчик деформаций для прочностных испытаний



Наклеиваемый полупроводниковый тензорезисторный датчик деформаций для прочностных испытаний
Наклеиваемый полупроводниковый тензорезисторный датчик деформаций для прочностных испытаний
Наклеиваемый полупроводниковый тензорезисторный датчик деформаций для прочностных испытаний
Наклеиваемый полупроводниковый тензорезисторный датчик деформаций для прочностных испытаний

 


Владельцы патента RU 2548600:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение им. С.А. Лавочкина" (RU)

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения деформаций в условиях однородных деформационных полей в процессе прочностных испытаний. Сущность: датчик включает в себя носитель 1 из тонкой металлической фольги. В носителе 1 посредством прямоугольных отверстий 2 образованы две тонкие нити 3 и площадка 4 между ними. На носитель 1 осаждена в вакууме тонкая разделительная диэлектрическая пленка 5, которая повторяет форму носителя 1. На диэлектрическую пленку 5 осаждены тензочувствительные элементы 6, 7 из моносульфида самария, которые соединены в мост Уитстона, и металлические контактные площадки 8, которые являются входными и выходными контактами датчика. В носителе 1 могут быть дополнительно выполнены две сквозные прорези, каждая из которых начинается от середины соответствующего крайнего прямоугольного отверстия 2 и перпендикулярна ему, образуя площадки, на которых выполнены металлические контактные площадки. Технический результат: увеличение выходного сигнала, температурная независимость. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Полупроводниковый наклеиваемый тензорезисторный датчик деформаций предназначен для измерения деформаций на деталях машин и механизмов в условиях однородных деформационных полей в процессе прочностных испытаний.

Проведенный поиск выявил известность наклеиваемых фольговых тензорезисторных мостов («Тензометрия в машиностроении», Москва, «Машиностроение», 1975 г., стр.81, табл.13), этот мост предназначен для наклейки на упругие элементы (мембраны) датчиков давлений, при этом мембраны должны быть определенного диаметра и иметь зоны сжатия и растяжения. Тензорезисторы (ТР), являющиеся составными частями этого моста, находятся в этих зонах и два из них, включенные в противоположные плечи моста, растягиваются, а два других сжимаются. При этих условиях сигналы всех четырех ТР складываются. Описанный тензорезисторный мост предназначен только для упругого элемента определенных типа и размера и совершенно не пригоден для измерения, собственно, деформаций при прочностных испытаниях. Известны также полупроводниковые тензорезисторные датчики (патенты: RU 2346250 от 05.07.2007, RU 2367061 от 15.05.2008 и WO 9924804 публ. 20.05.1999). В указанных конструкциях тензорезисторы соединяются в мост Уитстона, при этом два из них, находящихся на периферии, включены в противоположные плечи моста, а центральные - в другие противоположные плечи. Периферийные тензорезисторы находятся в зоне сжатия, а центральные в зоне растяжения. Только при этих условиях складываются сигналы всех четырех тензорезисторов. Эти измерительные тензорезисторные схемы выполнены интегрально с упругим элементом, они не могут быть от него отделены и установлены в другое место, а предназначены они также не для измерения деформаций, а для измерения давления. Следует иметь в виду, что конкретно каждый ТР в измерительной схеме работает от воздействия деформации, что отражено в названии ТР, но не измеряет ее, а измеряет давление. Каждый тензорезисторный датчик механической величины (сила, давление, перемещение, ускорение и т.д.) имеет деформированные зоны, в которых устанавливаются ТР. Величина деформации, как правило, пропорциональна измеряемой механической величине, но они не измеряют деформацию, так как в указанных датчиках это не нужно и невозможно ввиду того, что под каждым ТР она разная, отличаясь по величине и знаку.

При строгом рассмотрении приведенные устройства не могут служить ни аналогами, ни прототипами предлагаемого решения и, прежде всего потому, что предназначены для измерения любых механических величин, прежде всего давления, кроме, собственно, деформации.

Предлагаемое техническое решение направлено на достижение следующего технического результата: 1) удвоение выходного сигнала; 2) температурная независимость. В тензометрии это является большой проблемой. Температурный коэффициент сопротивления (ТКС) наклеенного ТР определяется не только ТКС материала чувствительного элемента ТР, но и разницей температурных коэффициентов линейного расширения (ТКЛР) материала чувствительного элемента ТР и материала, на который он наклеен. Весь спектр ТКЛР конструкционных материалов умещается в интервале 8·10-6÷24·10-6. Температурно независимый ТР называется самокомпенсированным ТР. У такого ТР ТКС материала погашается разницей ТКЛР. Понятно, что невозможно изготовить самокомпенсированные ТР для всех материалов, поэтому в мировой практике приняты три величины ТКЛР, для которых компенсируются ТР: 1) сталь (11·10-6); 2) медь (16·10-6); 3) алюминий (24·10-6). Признавая важность второго технического результата, обозначенного выше, поясним, как это достигается. Все четыре ТР в предлагаемом техническом решении осаждаются за один технологический процесс при одних и тех же режимах, следовательно они имеют равные ТКС. В предлагаемой конструкции, все четыре плеча моста Уитстона дают одинаковые приращения сопротивления от температуры, что совершенно не отражается на выходном сигнале. Таким образом, получаем термокомпенсированный датчик деформаций для любого ТКЛР и для любой температуры.

Ниже при раскрытии изобретения и рассмотрении его конкретной реализации будут названы и другие виды достигаемого технического результата.

Устройство и принцип работы датчика поясняются чертежами, на которых представлены:

Фиг.1 - носитель.

Фиг.2 - датчик деформации с указанием воздействия на датчик продольной (измеряемой) и поперечной (влияющей) деформаций.

Фиг.3 - датчик деформации с дополнительными прорезями в носителе.

Фиг.4 - включение в мост Уитстона четырех чувствительных элементов (тензорезисторов) датчика.

Предлагаемый датчик деформаций включает в себя носитель 1 (фиг.1), который изготовлен с помощью литографических операций из тонкой (примерно 0.01 мм) металлической (например, константановой) фольги. В носителе 1 посредством прямоугольных отверстий 2 образованы две тонкие нити 3 и площадка 4 между ними. На носитель 1 осаждена в вакууме тонкая (примерно 0.002 мм) разделительная диэлектрическая (например, из моноокиси кремния) пленка 5 (фиг.2), которая повторяет форму носителя 1.

На диэлектрическую пленку 5 через специальную маску осаждены тензочувствительные элементы 6, 7 из моносульфида самария толщиной примерно 0.0005 мм, которые соединены в мост Уитстона (фиг.4), и металлические (например, из никеля) контактные площадки 8, которые являются входными и выходными контактами датчика. Также в носителе 1 могут быть дополнительно выполнены две сквозные прорези 9 (фиг.3), каждая из которых начинается от середины соответствующего крайнего прямоугольного отверстия 2 и перпендикулярна ему, образуя площадки 10, на которых, на диэлектрической пленке 5, повторяющей форму носителя 1, выполнены металлические контактные площадки 8.

Указанные прорези 9 препятствуют возникновению механических напряжений или способствуют значительному их уменьшению на концевых участках датчика.

Датчик измеряет деформацию в продольном направлении, при этом влияние поперечной деформации должно быть исключено. Работа тензочувствительных элементов основывается на относительном изменении сопротивления ΔR/R от относительной деформации ε. Эти величины связаны между собой посредством коэффициента пропорциональности, называемым коэффициентом тензочувствительности К: ΔR/R=К·ε. В то же время изменение выходного напряжения моста Уитстона ΔU/U определяется относительным изменением сопротивления конкретного плеча. Эти две величины связаны формулой ΔU/U=1/4 ΔR/R=1/4 К·ε.

Рассмотрим работу датчика деформаций, которая поясняется фиг.2 и 4.

В общем случае на наклеенный датчик деформации действует плоское деформационное поле с неизвестными величинами и направлением главных деформаций (напряжений). Это поле всегда можно разложить на две перпендикулярные составляющие. Отвлекаясь от того, как это делается, мы должны знать, что в общем случае на датчик действует продольная деформация εпрод, которая и подлежит измерению (фиг.2, фиг.3), и поперечная εпопер, влияние которой на датчик должно быть исключено. Тензочувствительные элементы 6, расположенные на нитях 3, могут деформироваться только вдоль нити 3, то есть на них воздействует только εпопер., напротив, тензочувствительные элементы 7, расположенные на площадке 4, испытывают воздействие как εпрод, так и εпопер и выходной сигнал пропорционален сумме этих деформаций εпродпопер. Теперь, зная в каком месте датчика стоит каждый из четырех тензочувствительных элементов 6, 7, просуммируем их выходные сигналы, помня, что сигналы от смежных плеч моста складываются с противоположными знаками. Сохраним индексы плеч моста, как они указаны на фиг.4.

ΔU/Uмоста=(1/4 К·εпрод+1/4 К·εпопер)7(1)-.(1/4 К·εпопер)6(1)+(1/4 К·εпрод+1/4 К·εпопер)7(2)-.(1/4 К·εпопер)6(2).

Считая равными выходные сигналы от тензочувствительных элементов, включенных в противоположные плечи моста, можно записать

ΔU/Uмоста=1/2 К·εпрод.

Как видим, на выходной диагонали моста удвоенное напряжение по сравнению с одиночным тензорезистором.

Что касается главного свойства изобретения - температурная независимость, то поскольку все четыре тензочувствительных элемента в предлагаемом техническом решении осаждаются за один технологический процесс при одних и тех же режимах, следовательно они имеют равные ТКС. В предлагаемой конструкции, поскольку все четыре плеча моста Уитстона дают одинаковые приращения сопротивления от температуры, это совершенно не отражается на выходном сигнале.

Таким образом, получаем термокомпенсированный датчик деформаций для любого ТКЛР и для любой температуры.

1. Наклеиваемый полупроводниковый тензорезисторный датчик деформаций для прочностных испытаний, характеризующийся тем, что он содержит носитель из металлической фольги, осажденную на нем и повторяющую его конфигурацию, диэлектрическую пленку, при этом в носителе посредством параллельных прямоугольных отверстий образованы две тонкие нити и площадка между ними, а на диэлектрической пленке выполнены металлические контактные площадки и четыре, соединенных в мост Уитстона, тензочувствительных элемента из поликристаллического моносульфида самария, при этом тензочувствительные элементы с одноосной чувствительностью сформированы на вышеуказанных тонких нитях и включены в противоположные плечи моста Уитстона, а два других тензочувствительных элемента для восприятия плоского деформационного поля сформированы на площадке, между двумя тонкими нитями.

2. Наклеиваемый полупроводниковый тензорезисторный датчик деформаций для прочностных испытаний по п.1, отличающийся тем, что в носителе дополнительно выполнены две сквозные прорези, каждая из которых начинается от середины соответствующего крайнего прямоугольного отверстия и перпендикулярна ему, образуя площадки, на которых, на диэлектрической пленке, выполнены металлические контактные площадки.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике. Наклеиваемый тензорезистор содержит полимерную подложку, выполненный на ней носитель из тонкой металлической фольги в виде прямоугольных площадок, соединенных полоской.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве чувствительного элемента в датчиках механических величин. Наклеиваемый полупроводниковый тензорезистор содержит полимерную подложку на которой одной своей поверхностью полностью лежит тензочувствительная полоска.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при конструировании микромеханических тензорезисторных акселерометров, работоспособных при повышенных температурах.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве чувствительного элемента в датчиках механических величин (силы, давления, веса, перемещения и т.д.).

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к интегральным преобразователям давления. .

Изобретение относится к измерительной технике. .

Изобретение относится к измерительной технике. .

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 и может быть использовано как в прочностных испытаниях для определения напряженного состояния конструкций, так и в качестве чувствительного элемента в датчиках механических величин (силы, давления, веса, перемещения и т.д.).

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в прочностных испытаниях для определения напряженного состояния конструкций и в качестве чувствительного элемента в датчиках механических величин (силы, давления, веса, перемещения и т.д.).

Изобретение относится к измерительной технике. Сущность: в выходную диагональ мостовой цепи устанавливают термозависимый технологический резистор Rαт, номинал которого больше возможных значений компенсационного термозависимого резистора Rα.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при настройке тензорезисторной датчиковой аппаратуры с мостовой измерительной цепью по мультипликативной температурной погрешности.

Изобретение относится к измерительной технике. Сущность: в выходную диагональ мостовой цепи устанавливают термозависимый технологический резистор Rαm, номинал которого больше возможных значений компенсационного термозависимого резистора Rα.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при настройке тензорезисторной датчиковой аппаратуры с мостовой измерительной цепью по мультипликативной температурной погрешности.

Изобретение относится к измерительной технике. Устройство для измерения динамических деформаций содержит измерительные тензорезисторы, опорные резисторы, усилитель, электронно-вычислительную машину с программным обеспечением, источник постоянного напряжения, эталонный резистор, коммутатор, блок управления, аналоговую программируемую многофункциональную плату с программным обеспечением, подключенную к ЭВМ.

Изобретение относится к способу измерения прогиба металлических, деревянных и других по материалу балок при поперечном изгибе от эксплуатационной нагрузки и других причин в процессе эксплуатации балки.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при настройке тензорезисторных датчиков с мостовой измерительной цепью по мультипликативной температурной погрешности.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения деформаций немагнитных материалов. Способ измерения деформаций из немагнитных материалов характеризуется тем, что на поверхности или внутри объекта размещают постоянные дипольные источники магнитного поля, например на основе магнитов из сплава неодим-железо-бор, при этом для вычисления параметров линейной (вдоль прямой линии) деформации используют как минимум два магнита не лежащие в одной точке, для вычисления параметров плоской деформации - минимум три магнита, не лежащие на одной прямой, для вычисления параметров объемной деформации - минимум четыре магнита, не лежащие в одной плоскости.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам измерения деформаций и напряжений на поверхности деталей машин, подвергающихся циклическому нагружению.

Изобретение относится к измерительной технике. Способ заключается в том, что при сопротивлении нагрузки Rн>500кОм определяют температурный коэффициент чувствительности (ТКЧ) мостовой цепи α+ до и α- до при температуре t+ и t-, соответствующей верхнему и нижнему пределу рабочего диапазона температур, и нелинейность ТКЧ мостовой цепи (Δαдо=α+ до-α- до).

Способ определения напряжений в конструкции без снятия статических нагрузок может быть использован для оценки прочности конструкции и прогнозирования ее несущей способности. Измерения поверхностных деформаций ε производят в контролируемых точках на конструкции, находящейся в напряженно-деформированном состоянии. Контролируемые точки выбирают таким образом, что они имеют возможность дополнительного нагружения независимо от конструкции. В контролируемых точках создают с помощью известной внешней силы P дополнительные напряжения, совпадающие по направлению с измеряемыми, ступенчато увеличивают деформацию на Δε, измеряют изменение внешней силы ΔPi. Нагружение увеличивают до тех пор, пока K = | Δ P i + 1 Δ P i − 1 | * Δ ε не увеличится до значения, соответствующего нормированному отклонению от закона Гука механической характеристики материала конструкции. Деформацию конструкции определяют, вычитая из известного значения деформации для заранее известной механической характеристики материала конструкции измеренную дополнительную деформацию. Техническим результатом изобретения является упрощение процесса измерения и ненарушение целостности исследуемой конструкции. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.
Наверх