Термокомпенсированный интегральный датчик давления (его варианты)

Союз СоветскихСоциалистическихРеслублик ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Заявитель 154) ТЕРМОКОИПЕНСИРОВАННЫЙ ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ( ЕГО ВАРИАНТЫ) 2 Изобретение относится к приборост роению, а точнее к приборам первичной информации, и может быть использовано при измерении давления жидких и газообразных сред с помощью полупроводниковых тензорезисторных преобразователей, работающих в условиях изменяющейся температуры окружающей среды.Известны термокомпенсированные полупроводниковые тенэорезисторные преобразователи, содержащие мостовую измерительную схему с компенсацион- ными резисторами 13Недостатками подобных тенэореэисторных преобразователей являются трудности получения точных значений компенсационных резисторов и трудоемкость операций по настройке термокомпенсации, а также уменьшение чувствительности преобразователя.Наиболее близким по технической сущнЬсти и достигаемому результату является термокомпенсированный интегральный датчик давлений, содержащий жестко .заделаннуюв основании мембрану, выполненную из монокристаллического материала, с полупроводниковыми термочувствительными, тенэочувствительными и нагревательными элементами 12. Однако данное устройство не позволяет повыситв точность измеренийпри изменении температуры окружающей среды. Это обусловлено тем, что 5 расположенные на линии нулевых радиальных деформаций нагревательныеэлементы создают два направлениятемпературы по толщине и радиусумембраны, один из которых направлен О от линии нулевых радиальных деформаций к центру мембраны, а другойот линии нулевых радиальных деформаций к заделке. Возникающие пиэтом за счет темоупругих напряженийизгибающие моменты вызывают выпучивание мембраны, которое искажает деформированное состояние мембраны, чувствительность датчика и, таким образом,вносит погрешность в измере О нияе Кроме того, нагревательные и термочувствительные элементы расположе" ны рядом, на линии нулевых радиальных деформаций, и при увеличении теплоты, выделяемой нагревательными элементами, происходит нагрев термочувствительных элементов, что приводит к снижению точности измерений датчика при изменении температуры окружающей среды.Цель изобретения - повышение точ-,ности измерений за счет уменьшениятемпературной погрешности.Поставленная цель достигаетсятем, что в термокомпенсированном.интегральном датчике давлений по пер вому варианту, содержащем жестко за-.деланную в основании мембрану, выполненную из монокристаллического материала, с расположенными на ней полупроводниковыми тензочувствительными,нагревательными и термочувствительными элементами, термочувствительныеэлементы расположены на основаниимембраны, а тензочувствительные элементы выполнены с длиной, не превышающей 0,05 а и расположены от центра мембраны на расстояние, выбранном из соотношения 0,450,5,нагревательные элементы расположены в центральной части мембранына площади, центр которой совпадаетс центром мембраны, а расстояние отцентра мембраны по линии контураплощади определяется соотношением с,/с = 0,2,где а - сторона квадратной или диаметр круглой мембраны;В - расстояние от центра мем.браны до линии контура расположения тензочувствительныхэлементов;. 30с - расстояние от центра мембраны до линии контура площади расположения нагревательных элементов. 10 В термокомпенсированном интеграль-/ ном датчике давления по второму варианту,. содержащем жестко заделанную в основании мембрану, выполненную из монокристаллического материала, с 40 расположенными на ней полупроводниковыми тензочувствительными, нагревательными и термочувствительными элементами, термочувствительные элементы расположены по основании мембраны, . 45 тензочувствительные элементы выполнены .с длиной, не превышающей 0,05 с, и расположены в центральной части мембраны на площади, центр которой совпадает с центром мембраны, а расстояние от центра мембраны до линии контура площади определяется соотношением 0(,/с 0,05, нагревательные элементы расположены от центра мембраны на расстоянии, определяемом соотношением с 1/а = 03гце о - сторона квадратной или диаметркруглой мамбраны;Ъ - расстояние от центра мембраны до линии контура площадирасположения тензочувствительных элементов;с - расстояние от центра мембраны до линии контура расположения нагревательных элементов. 65 На фиг.1 изображен термокомпенсированный интегральный датчик по первомуварианту;на фиг. 2 - то же, по второмуварианту,Устройство содержит основание 1,в котором жестко заделана мембрана 2 .из монокристаллического кремния (100)с расположенными на ней термочувствительными 3, тензочувствительными 4и нагревательными 5 элементами, измерительный мост б, усилитель 7.ирегулирующий элемент 8.Терморезистор 3 расположен нанечувствительном к давлению основании 1, не воспринимает теплоту отнагревательных резисторов 5 и реагирует только на изменение температуры окружающей средй.Тензорезисторы 4 р-типа проводи-мости ориентированы в плоскости мембраны 2 в направлении максимальнойтензочувствительности (110 ), соединены в мостовую измерительную схему,расположены между линией 9 заделкии линией на поверхности мембраны, эквидистантной линии конутра мембраныв заделке и отстоящей оу центра мембраны на .расстоянии 0,45 0,50,где а - сторона квадратной или диаметр круглой мембраны. Размер длины тензорезистора составляет не более0,5 сЯНагревательные резисторы 5 р -типапроводимости орентированы в плоскости мембраны 2 в направлении минимальной тензочувствительности (100 ),чем обеспечивается их невосприимчивость к деформации мембраны, расположены в центральной области мембраны на участке площади, центр которой совпадает с центром мембраны, и линия контура 10 которой эквидйстантна линии контура мембраны в заделке 9, а расстояние с от центра мембраны до линии контура 10 указанной площади равно с=0,2 сВ качестве монокристаллическогоматериала мембраны 2 по второму варианту используется кремний р-типа проводимости с плоскостью кристаллографической ориентации (100), На мембране 2 расположены термочувствительные 3, тенэочувствительные 4 и нагревательные 5 элементы. Устройство также содержит измерительный мост 6, усилитель 7 и регулирующий элемент 8.Терморезистор 3, как и в первом варианте устройства, расположен на нечувствительном к давлению основании 1, не воспринимает теплоту от нагревательных резисторов 5 и реагирует только на изменение температуры ок-. ружающей среды.Нагревательные резисторы 5 ориентированы в плоскости мембраны 2 в направлении минимальной тензочувст,вительности ( 110 ), чем обеспечиваетсяих.невосприимчивость к деформациимембраны, расположены по контуру мембраны между заделкой 9 и линией, отс- тоящей от центра мембраны на расстоянии срО,За.Тензорезисторы 4 выполнены длиной, не превышающей 0,05 а, ориентированы в плоскости мембраны 2 в направлении максимальной тензочувствительности 100), соединены в мостовую измерительную схему, расположены в центральной области мембраны на участке 10 площади, центр которой совпадает с центром мембраны и линия конутра 10 которой эквидистантна линии контура мембраны в заделке 9, а расстояние Ь от центра мембраны долинин контура, 51указанной площади определяется соотношением 0 Ь/а0,05.Работа устройства происходит следующим образом. В исходном состоянии при тарировочной температуре сигнал на выходе термочувствительного измерительного моста б и усилителя 7 равен нулю, выход регулирующего элемента 8 закрыт и ток через нагревательные резисторы 5 не протекает. Выходной сигнал датчика будет пропорционален измеряемому давлению.При повышении температуры окружа-.30 ющей среды выходной сигнал датчика ,будет отличаться от выходного сигнала при тарировочной температуре, вследствие температурной зависимости сопротивления и коэффициента тензочувствительности тензорезисторов 4. Одновременно с выхода термочувствительного моста б сигнал,пропорциональный температуре окружающей среды, поступает на вход усилителя 40 7, где усиливается и подается на вход регулирующего элемента 8, который, в свою очередь, открывается и регулирует величину тока, протекающего через нагревательные резисторы 5. Выделяемая на нагревательных резисторах 5 теплота создает строго однонаправленный градиент температуры по толщине и стороне мембраны, который направлен от центра мембраны к заделке 9 (во втором варианте устройства градиент температуры по толщине и стороне мембраны направлен от заделки 9 к центру мембраны ). Воз никающий при этом за счет термоупругих напряжений момент вызывает прогиб мембраны 2 и появление дополнительных компенсационных механических напряжений. Тензорезисторы 4 воспринимают зти компенсационные напряжения, сопротивление их изменяется, Таким 60 образом, предлагаемое усуройство позволяет скомпенсировать температурную погрешность датчика и тем самым повысить точность измерений при изменении температуры окружающей среды. б 5 формула изобретения 1. Термокомпенсированный интегральный датчик давления, содержащийжестко заделанную в основании мембрану, выполненную из монокристаллического материала, с расположеннымина ней полупроводниковыми тензочувствительными, нагревательными и термочувствительными элементами, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с цельюповышения точности измерений за счетуменьшения температурной погрешности,в нем термочувствительные элементырасположены на основании мембраны,тензочувствительные элементы выполнены с длиной, не превышающей 0,05 йи расположены от центра мембраны нарасстоянии, выбранном из соотношения0,45 Ь/а 0,5, нагревательные элементы расположены в центральной частимембраны на площади, центр которойсовпадает с центром мембраны, а расстояние от центрамембраны до линииплощади определяется соотношениемс/а = 0,2 ггде а - сторона квадратной или диаметр круглой мембраны,Ь - расстояние от центра мембраны до линии контура расположения тензочувствительныхэлементов;ос - расстояние от центра мембра-.ны до линии контура площадирасположения нагревательныхэлементов.2. Термокомпенсированный интегральный датчик давления, содержащий жестко заделанную в основании мембрану,выполненную из монокристаллическогоматериала, с расположенными на нейполупроводниковыми, термочувствительными, тензочувствительными и нагревательными элементами, о т л и ч аю щ и й с я тем, что, с целью повы-шения точности измерений за счетуменьшения температурной погрешности,в нем термочувствительные элементырасположены на основаниимембраны,тензочувствительные элементы выполнены с длиной, не превышающей 0,050 ,и расположены в центральной частимембраны на площади, центр которойсовпадает с центром мембраны, а расстояние от .центра мембраны до линииконтура площади определяется соотношением 0 СЬ/а0,05, нагревательные элементы расположены от центрамембраны на расстоянии, определяемомсоотношением с(Ь =0,3,где а - сторона квадратной или диаметр круглой мембраныррасстояние от центра мембраны1до линии контура площади расположения тензочувствительных элементов;С - расстояние от центра мембра"1ны до линии контура располо.принятые во внимание при экспертизе Составитель В,Казаковтор М.Янович ТехредЛ.Пекарь Корректор И. Ватрушкинаэ аказ 136 Виал ППП "Патент", г.ужгород, ул. Проектная,4 ИИПпо35,Тираж 871 Государственного ко лам изобретений и о осква, Ж, Раушск 1. Патент США Р 324525,кл. 73-885, 1966.2. Патент ГДР Р 110343,кл. О, 01 Ь 1/22, 1974 (прототип . Подписноегета СССРрытийнаб., д,4/