Датчик давления

(71) Научно-исследовательский институт физических измерений(57) Использование: датчикмерите: ьной технике и можзован в различных облтехники, связанных с измерв условиях воздействия шина температур, Цель: повышусловиях воздействия широтемператур. Сущность изобчике давления, содержаще относится к изет быть испольастях науки и ением давления рокого диапаэоение точности в кого диапазона ретения: в датм Корпус и заИзобретение относится к ной технике, в частности к дат назначенным для исполь различных областях науки и т занных с измерением давлени диапазоне температур,Известна конструкция да ния. содержащая корпус, упруг виде круглой жесткозащемлен ны, выполненной за одно цело основанием, на которой распо динительные в мостовую схем сторы, размещенные по дуге о по радиусу мембраны, приче тензорезисторы своей среди размещены по окружности с р итель- предния в и, свяизме чикам зова ехник я в широ 1г=г- - 1,3 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР тчика давлеий элемент в ной мембрае с опорным ложены соеу тенэорезикружности и м окружныенной частью адиусом крепленную в нем мембрану, расположенные на мембране идентичные окружные тензорезисторы, соединенные одинаковыми перемычками, расположенными симметрично центру мембраны, и идентичные радиальные тензорезисторы, соединенные одинаковыми внутренними и одинаковыми внешними перемычками с соединительными участками, расположенными симметрично центру мембраны, в соответствии с изобретением, в нем каждая перемычка выполнена в виде многослойной структуры с расположенным под контактным слоем, слоем резистивного материала, повторяющим конфигурацию контактного слоя, при этом размеры перемычек выполнены в соответствии с заявляемым соотношением, Положительный эффект: повышение точности в условиях воздействия широкого диапазона температур в 2 раза, 3 ил,где го - расстояние от центр до середины тензорезистора, р щ в радиальном направлении;1 тр - длина тензорезистора, размещенного в радиальном направлении,Недостатком известной конструкции является невысокая точность в условиях воздействия широкого диапазона температур вследствие различия сопротивлений перемычек, включенных в соседние плечи моста, Различное значение сопротивлений перемычек, включенных в соседние плечи мостовой схемы, приводит к значительному ухудшению точности в широком диапазоне температур вследствие существенно большего (на 1-2 порядка) ТКС перемычек, по сравнению с ТКС тензорезисторов,3 17Известна конструкция датчика давления, выбранная в качестве прототипа, содержащая мембрану, идентичные тенэоэлементы окружных тензорезисторов, соединенными идентичными перемычками, расположенными симметрично центру мембраны и идентичные тензоэлементы радиальных тенэорезисторов, соединенные идентичными перемычками, расположенными симметрично центру мембраны.1 Но Недостатком известной конструкции является сравнительно невысокая точность, в условиях воздействия широкого диапазона температур вследствие различия сопротивлений перемычек, включенных в соседние плечи мостовой схемы. Даже сравнительно небольшие отличия сопротивлений перемычек, включенных в соседние плечи мостовой схемы, приводят к существенному ухудшению точности вследствие значительного превышения ТКС перемычек ТКС тензорезисторов. Так, при использовании в качестве перемычек пленки из золота ТКС = 3,9 х 10 С разница сопротивлений перемычек, включенных в соседние плечи мостовой схемы, 0,5 Ом в температурном диапазоне 300 С эквивалентна изменению сопротивления тензорезистора Л й = 3,3 10 0,5 300 = 0,5 Ом, что от номинального изменения сопротивления тензорезистора от максимального изменяемого давления 4 Ом составляет 12 оь, т.е. погрешность измерения в диапазоне температур 300 С только от различий сопротивлений перемычек,1 1 щах + 1 1 в 1 п + -2 рвах + 60410 4включенных в соседние плечи мостовой схемы, может составить 12 О от номинальноговыходного сигнала. Сопротивление тензоэлементов, несмотря на сравнительно большие значения (порядка сотен Ом), приноситменьший вклад в температурную погрешностьвследствие идентичности размеров тензоэлементов и существенно меньшего значения ТКСтензореэисторов 10 - 10 С .)Целью изобретения является повышение точности в условиях воздействия широкого диапазона температур за счетуменьшения температурной погрешностивследствие уменьшения переходных сопротивлений и выравнивания сопротивленийперемычек, соединяющих тензоэлементыокружных и радиальных тензорезисторов.Указанная цель достигается тем, что вдатчике давления, содержащем корпус, закрепленную в нем мембрану, расположенные на мембране идентичные окружныетензорезисторы, соединенные одинаковыми перемычками, расположенными симметрично центру мембраны, и идентичныерадиальные тензореэисторы, соединенныеодинаковыми внутренними и одинаковымивнешними перемычками с соединительными участками, расположенными симметрично центру мембраны, каждая перемычкаЗО выполнена в виде многослойной металлической структуры с расположенными под контактнь 1 м слоем, реэисгивного материала,повторяющим конфигурацию контактногослоя, при этом размеры перемычек выпол 35,нены в соответствии с соотношением1-овах +1 ощ 1 п2 Н, сЬя дТНр- 1гр. ь +2 а игде Но - ширина перемычки, соединяющей окружные тензорезисторы;Нр - ширина перемычки, соединяющей радиальные тензореэисторы;опах.оеь - максимальная и минимальная длина перемычки, соединяющей окружные тензореэисторы;11 роах, 11 рап - МаКСИМаЛЬНая И МИНИ- мальная длина соединительных участков внешней перемычки, соединяющей радиальные тензорезисторы;12 рвзх, .2 ре 1 о - МаКСИМаЛЬНая И МИНИ- мальная длина соединительных уча.тков внутренней перемычки, соединяющей радиальные тензорезисторы;а - размер сторонь 1 тензорезистора, сопрягающейся с перемычкой.л= 3,14,На фиг, 1 изображен общий вид предлагаемого датчика давления; на фиг, 2 - фрагмент топологии окружных тензореэисторов;на фиг. 3 - фрагмент топологии радиальныхтенэорезисторов.Датчик давления содержит корпус 1, мембраку 2, идентичные окружные тензорезисторы 3, соединенные идентичными перемычками 4, расположенными симметрично центру мембраны, и идентичные радиальные тензорезисторы 5, соединенные идентичными перемычками 6 и 7, расположенными симметрично центру мембраны, 5 О Перемычки выполнены в виде многослойной структуры с располокенным под контактным слоем резистивным слоем, повторяющим конфигурацию контактного слоя. Например, резисторы выполнены из 55 пленки материала П 65 ХС, а перемычки ввиде пленочной композиции молибден-никель. В этом случае резистивный слой из сплава П 65 ХС сформирован таким образом, что его конфигурация совпадает с конфигу17604 10 40 2 Н Но Ьрмакс, мальная дл нешней и льные тен ни- щей ксимальная и миниительных участков акс, 1-2 рмин длина сое маль рацией тензоэлементов и перемычек. Изготовление такой структуры проводят следующим образом. Напыляют методом тонкопленочной технологии тензорезистивный слой из сплава П 65 ХС слоем на мембрану. Через маски напыляют перемычки и контактные площадки (незаштрихованные участки топологии на фиг, 1), Проводят формирование тензоэлементов с помощью фотолитографии. Размеры перемычек выполнены в соответствии с предлагаемым соотношением.Учитывая, что местоположение тензоэлементов и размеры перемычек окружных тензорезисторов во многом определяются размерами тензоэлементов бывает необходимым выравнивание сопротивлений перемычек осуществлять вариацией шириной перемычек радиальных тензорезисторов.Датчик давления работает следующим образом, При воздействии на мембранудавления в ней возникают радиальные и тангенциальные напряжения, которые приводят к появлению на планарной стороне мембраны радиальных и тангенциальных деформаций. В результате воздействия деформаций на тензоэлементы окружных и радиальных тензорезисторов сопротивление окружных тензорезисторов возрастает, а сопротивление радиальных тензорезисторов уменьшается, Увеличение сопротивлений противоположно вкл 1 оченных окружных тензорезисторов и уменьшение сопротивлений противоположно включенных радиальных тензорезисторов преобразуется мостовой схемой в электрический сигнал, который поступает на выходные контакты датчика. При изменении температуры вследствие одинаковости сопротивлений перемычек, соединяющих тензоэлементы окружных тензорезисторов и сопротивлений перемычек, соединяющих тензоэлементы радиальных тензорезисторов, изменения сопротивлений перемычек соседних плеч мостовой схемы от температуры будут близки друг к другу, а следовательно, будет минимально изменение выходного сигнала датчика от температуры, т.е. в результате 1 макс+ Ьмин + -2 рмакс + -2 рми де Но - ширина перемычки, соединяющекружные тензорезисторы;Нр - ширина перемычки, соединяющеадиальные тензорезисторы;.омакс, 1 омин - максимальная и мимальная длина перемычки, соединяюкружные тензорезисторы; 10 6выравнивания сопротивлений перемычек происходит повышение точности измерений в широком диапазоне температур. Кроме того, при изменении температуры вследствие выполнения перемычек в виде многослойной структуры с расположенным под контактным слоем резистивным слоем, повторяющим конфигурацию контактного слоя, обеспечивается минимальность переходного сопротивления тензоэлемент-перемычка, а следовательно, и минимизация влияния изменения этого переходного сопротивления от температуры на характеристики датчика.Технико-экономическим преимуществом предлагаемого датчика давления, по сравнению с прототипом, является повышение точности в условиях воздействия широкого диапазона температур в 2 раза, за счетуменьшения температурной погрешности вследствие уменьшения переходных сопротивлений и выравнивания сопротивлений перемычек, соединяющих окружные и радиальные тензорезисторы. Другим преимуществом данной конструкции является повышение технологичности вследствие упрощения процесса формирования перемычек.Формула изобретения Датчик давления, содержащий корпус, закрепленную в нем мембрану, расположенные на мембране идентичные окружные тензорезисторы, соединенные одинаковыми перемычками, расположенными симметрично центру в мембраны, и идентичные радиальные тензорезисторы, соединенные одинаковыми внутренними и одинаковыми внешними перемычками с соединительными участками, расположенными симметрично центру мембраны, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности в условиях воздействия температуры в широком диапазоне, в нем каждая перемычка выполнена в виде многослойной металлической структуры с расположеннь 1 м под контактным слоем слоем резистивного материала, повторяющим конфигурацию контактного слоя, при этом размеры перемычек выполнены в соответствии с соотношением 1 рмин - МаКСИМаЛЬНая И МИНИ- ина соединительных участков еремычки, соединяющей радиорезисторь 1;1760410 Риг 2 (лпдериупа/ Составитель Е.БелозубовТехред М,Моргентал Корректор М.Андрушен едакто роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 Заказ 3181 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5