Датчик давления

) ( ) 1 . 9/04 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ЗОБРЕТЕН ОПИС ТЕЛ ЬСТВ АВТОРСКОМУ С 2 92365/24-10.1.2.90, Бюл. М 47М,Белозубов1.787 (088.8)вторское свидетельство СССР7691, кл. 0 01 1 9/04, 1986,(57) Изобретение относится к изм ной технике, в частности к датчика назначенным для использования ных областях науки и техники, свя измерением давления. Цель изобр1615578 5 10 15 20 25 30 повышение точности а условиях воздействия термоудара, увеличение теплостойкости и чувствительности. Для этого в датчике давления, содержащем корпус 1, упругий элемент в виде жесткозащемленной мембраны 2, выполненной за одно целое с опорным основанием 3, на которой расположены соединенные в мостовую схему тензорезисторы, размещенные по дуге окружности 4 и по радиусу мембраны 5, окружные и радиальные тензорезисторы выполнены в виде соединенных низкоомными перемычками 6 и 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 нестационарной температуры измеряемой среды (термоудара).Цель изобретения - повышение точности в условиях действия термоудара, увеличение теплостойкости и повышение чувствител ьности.На фиг. 1 изображен датчик давления, общий вид; на фиг. 2 - узлыина фиг, 1; на фиг, 3 - графики измерений.Датчик давления содержит корпус 1, упругий элемент в виде круглой жесткозащемленкой мембраны 2, выполненной за одно целое с опорным основанием 3, на которой расположены соединенные в мостовую схему тензорезисторы, размещенные по дуге окружности 4 и по радиусу мембраны 5. Окружные тензорезисторы и радиальные тензорезисторц выполнены в виде соединенных низкоомными перемычками 6 и равномерно размещенных по периферии мембраны идентичных резистивных квадратов 7. Каждый из квадратов касается двумя наиболее удаленными от центра мембраны вершинами 8 границы 9 раздела .мембраны и опорного основания,На поверхность мембраны и опорного основания нанесен диэлектрик 10 в виде структуры А 20 з - 902 толщиной 2 мкм, Тензорезйсторы выполнены с поверхностным сопротивлением 10 Ом/квадрат. Низкоомные перемычки 6 выполнены в видеструктуры Мо-М толщиной 1,5 мкм. Датчик давления работает следующим.образом,При воздействии на мембрану давления 40 в ней возникают радиальные и тангенциальные напряжения, которые приводят к появлению на планарной стороне мембраны равномерно размещенных по периферии мембраны идентичных резистивных квадратов 7; касающихся двумя наиболее удаленными от центра мембраны вершинами 8 границы 9 раздела мембраны и опорного основания, причем количество резистивных квадратов в окружных и радиальных тензорезисторак одинаково и равно отношению сопротивления тензорезистора к его поверхностному сопротивлению, а размеры сторон резистивных квадратов удовлетворяют представленному соотношению. 3 ил,радиальных ег и тангенциальных Сг деформаций (фиг. 2 и 3). Так как резистивные квадраты касаготся двумя наиболее удаленными от центра мембраны вершинами границы раздела мембраны и опорного основания, а также в связи с тем, что размеры сторон резистивных квадратов выбраны исходя из заявляемого соотношения, резистивный квадрат окружного тензорезистора узел , фиг, 2) подвергается воздействию растягивающих тангенциальных деформаций, направленных вдоль длины резистора, и сжимающих радиальных деформаций, направленных перпендикулярно длине резистора. В результате воздействия таких деформаций сопротивление резисторного квадрата окружного тензорезистора увеличивается, Вследствие аналогичных причин резистивный квадрат радиального тензорезистора (узел , фиг, 2), подвергается воздействию растягивающих тангенциальных деформаций, направленных перпендикулярно длине резистора, и сжимающих радиальных деформаций, направленных вдоль длины. резистора.В результате воздействия таких деформаций сопротивление резистивного квадрата радиального тензорезистора уменьшается, В связи с тем, что окружные и радиальные тензорезисторы выполнены е виде последовательно соединенных низкоомными перемычками и равномерно размещенных по периферии мембраны идентичных квадратов, то изменение сопротивления окружных и радиальных тензорезисторов будет равно сумме изменений сопротивлений соответствующих резистивных квадратов, а также изменения сопротивлений соответствующих оезистивных квадратов равны между собой, Увеличение сопротивлений противоположно включенных окружных резисторов и уменьшение противоположно вклю 1615578ценных радиальных резисторов преобразуется мостовой схемой в-электрический сигнал, который поступает на выходные контактц датчика. При воздействии нестационарной температуры измеряемой среды 5(термоудара) вследствие различных термических сопротивлений сравнительно тонкоймембраны и массивного опорного основания на мембране возникает неравномерноеполе температур, фиг. 3, где приведена экспериментально определенная зависимостьраспределения температуры нэ планарнойстороне упругого элемента через 0,1 с послеподачи на мембрану датчика давления жидкого азота с температурой Тс. В связи с тем, 15что размеры сторон резистивных квадратоврадиальных и окружных тенэорезистароводинаковы, а все резистивные квадратысвоими наиболее удаленными от центрамембраны вершинами касаются границы 20раздела мембраны и опорного основания,то несмотря на нестационарный характеризменения температуры на ппэнарной стороне мембраны температура резистивныхквадратов окружных и радиальных тензорезисторов (фиг. 3), изменяясь, со временембудет одинакова в каждый конкретный момент времени, Одинаковая температура радиальных и окружных тензореэисторов вкаждый конкретный момент времени выэывает одинаковые изменения сопротивленийтензорезисторов, которые вследствие включения тензореэисторов в мостовую схемувзаимно компенсируются,Так как радиальные деформации будут 35гравны 0 при г = - , то с целью обеспече 3ния нахождения резистивных квадратов взоне максимального воздействия рэдиапьг 40ных деформаций величина разности г - - - ,характеризующая расстояние от опорногооснования до точки, где радиальные деформации меняют знак (т.е, область отрицательных сжимающих значений радиальных 45деформаций), уменьшена в два раза, Этимсамым достигается то, что резистивныеквадраты располагаются в области максимальнь 1 х отрицательных радиальных деформаций, В связи с тем, что размеры резистивных квадратов существенно меньше радиуса мембраны, можно сказать, что, выбраввеличину размера стороны квадрата меньше 0,5 г -- ;), заведомо помещают резичЗ"55стивные квадраты в области наибольшихотрицательных радиальных деформаций.Вследствие того, что окружные и радиальные тензорезисторц выполнены в видепоследовательно соединенных ниэкоомными перемычками и равномерно размещенных по периферии мембраны идентичных квадратов, касающихся двумя наиболее удаленными от центра мембраны ершинами границы раздела мембраны и опорного основания, а также в связи с одинаковым количеством реэистивных квадратов, мощность, выделяемая в каждом резистивном квадрате от напряжения питания, будет одинакова и будет одинакова температура перегрева относительно опорного основания каждого резистивного квадрата. Причем, так как все резистивные квадраты непосредственно примыкают к опорному основанию, то условия отвода тепла от саморазогрева реэистивньх квадратов полностью идентичны.Активная температурная погрешность датчика давления при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды от + 50 С до температуры жидкого азота не превышает 0,67,. Датчик может эксплуатироваться при температурах до +400 С. Чувствительность предлагаемого датчика давления при толщине мембраны 0,2 мм и радиусе 2,5 мм при напряжении питания 6 В составляет 0,38 м В /1 Л Пэ В,Преимуществом конструкции является также повышение чувствительности на 20 зэ счет размещения радиальных и окружных тензорезисторов в зоне максимального изменения радиальных деформаций, а также за счет суммирования воздействия радиальных и тэнгенциапьных деформаций. Зэ счет повышения чувствительности становится возможным при тех же самых конструктивных размерах изготавливать датчики давления на меньшие пределы измерения,Формула изобретенияДатчик дэпения, содержащий корпус, мембрану с утоненной центральной частью радиуса г и периферийным утолщенным основанием, по которому мембрана закреплена в корпусе, окружные и рэдиэпьные тензорезисторы, закрепленные на мембране и соединенные перемычками и включенные соответственно в противоположные плечи измерительного моста, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышения точности в условиях воздействия термоудара, повышения чувствительности и тепло- стойкости, в нем пеоемычки выполнены из низкоомного материала, а тензорезисторы имеют форму квадрата и расположены по окружности, причем две вершины каждого квадрата расположены на радиусе г, количество окружных и радиальных тензорезисторов одинаково и равно отношению споро.1615578 тивления тензорезистора к его поверкност- стороны квадрата удовлетворяет соотношеному сопротивлению, при этом величина а нию а0,21 г,Редактор Е.П Тираж 466 Подписноедарственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ С 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 о-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагар Произво Заказ 3981 ВНИИП