Датчик давления

(я)5 0 0 04 НИ фиФь ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОВЕДОМСТВО, СССР(ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(56) Авторское свидетельство СССРЬЬ 1337691, кл. 6 01 1 9/04, 1984.Авторское свидетельство ССРМ 1696919, кл. С 01 1 9/04, 1988.(57) Использование: датчик относится к измерительной технике и может быть использован в различных областях науки итехники, связанных с измерением давленияв условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды. Цепь: повышение технологичности и точности в условиях воздействия нестацйонарных температур. Сущность изобретения: в датчике давления, содержаЩЕм"корпус 1, мембрану 2 радиуса В с утолщенным периферийным основанием 3, закрепленные на плана)ной стороне мембраны пару окружных 4 и пару радиальных 5 тензорезисторов, вклаченнйх соотаетстаей)(6 в противоположные плечи мостовой измерительной схемы, при этом тензорезисторы каждой пары расположены симметрично отно(;ительновзаимно перпендикуйярных бсей мембраны, а соответственно каждый окружной и радиальный1784647 10 20 1г= го - 1 тр3 25 30 40 45 тензореэисторы выполнены виде нескольких 1-тензорезисторов и )-тензореэисторов, соединенных соответствующими низкоомньили перелычками 6, причем каждый тензоэлемент выполнен в форме квадрата со стороны а и расположен одной своей частью на мембране, а другой - на периферийном основании. Одна из сторон квадрата каждого 1-тензоэлемента параллельна одной из взаимйо перпендйкулярных осей мембраны, причем координата У 1 вершины угла Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике, в частности к датчйкам, предназначенным для использования в различных областях науки и техники, связанных с измерением давления в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды,Известен датчик для измерения давления в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды, содержащий корпус, упругий элемент в виде круглой мембраны, выполненной за одно целое с опорным основанием, на которой расположены соединенные в мостовую схему тензорезисторы, размещенные на дуге окружности и по радиусу мембраны, причем окружные тензорезисторы своей срединной частью размещены на окружности с радиу- сом где го - расстояние от центра мембраны до середины тензорезистора, размещенного в радиальном направлении;Ьр - длина тензорезистора, размещенного в радиальном направлении.Недостаткол известной конструкции является низкая технологичность, Это связано с тем, что при выполнении фотооригиналов тенэосхелы точность задания координат тензорезисторов, расположенных по дуге окружности, существенно ниже точности задания координат прямолинейных тензорезисторов. Точность изготовления фотошаблонов в области дуговых тензореэисторов также хуже точности изготовления фотошаблонов в области прямолинейных тензорезисторов. В силу этих причин точность формирования размеров тензорезисторов, расположенных по дуге, значительно хуже точности формирования размеров прямолинейных тензорезисторов. Недостаточная точность размеров дуквадрата 1-тензоэлемента окружного тензорезистора, ближайшей к началу прямоугольной системы координат, образованной осями Х и У, параллельными соответствующими взаимно перпендикулярным осям мембраны, проходящим через ее центр. удовлетворяет заявляемому соотношению. Положительный эффект: повышение технологичности и повышение точности в условиях воздействия нестационарной температуры в 1,4 раза. 2 ил. говых тензорезисторов приводит к значительному разбросу сопротивлений этих тенэорезисторов, что, приводит к неоправданному разбросу начального выходного сигнала мостовой схемы датчика и необходимости вследствие этого дополнительной подгонки тензорезисторов за счет измерения их площади (например, лазерным лучом) или дополнительной настройки датчика при помощи внешнего дополнительного резистора, подключенного к мостовой схеме. Кроме того, недостаточная точность выполнения тенэорезисторов приводит к различной реакции тензорезисторов на воздействие нестационарной температуры измеряемой среды вследствие различной величины сопротивления радиальных и окружных тензорезисторов, т,к. при подготовке и настройке невозможно добиться строго идентичного изменения сопротивлений тензорезисторов,Известна конструкция датчика давления, выбранная в качестве прототипа, содержащая корпус, мембрану радиуса Я с утолщенным периферийным основанием,закрепленные на планарчой стороне мембраны пару окружных и радиальных тензорезисторов, включенных соответственно в противоположные плечи мостовой измерительной схемы, при этом тензорезисторы каждой пары расположены симметрично относительно взаимно перпендикулярных осей мембраны, а соответственно каждый окружной и радиальный тензорезисторы выполнены в виде нескольких 1-тензоэлементов и -тензоэлементов, соединенных соответствующими н.лзкоомными перемычками, причем каждый тензоэлемент выполнен в форме квадрата со стороны а и расположен одной своей частью на мембране, а другой - на периферийном основании,. Недостатком известной конструкции является низкая технологичность, Это связано с тем, что при выполнении фотооригиналов точность задания координат510 20 25 30 50 тензоэлементов, стороны которых расположены под углом к осям координат, существенно ниже точности задания координат.тензоэлементов, стороны которых параллельны осям координат. Учитывая, что в известной конструкции из общего количества тензоалементов порядка 20 - 30 может иметься не более четырех тензоэлементов, стороны которых параллельны осям координат(по 1 в окружном и радиальном тензорезисторе), а стороны остальных тензоэлементов расположены под углом к осям координат, то точность задания координат радиальных и окружных тензорезисторов определяется точностью задания координат тензоэлементов, сторонй которых расположены под углом к осям координат.Различная величина углов расположения сторон тензоэлементов еще больше ухудшает точность выполнения размеров тензоэлементов на фотоаригинале, Недостаточная точность выполнения размеров тензоэлементов приводит к разбросу сопротивлений тензорезисторов, а следовательно. и разбросу начального выходного сигнала мостовой схемы датчика и необходимости дополнительной подгонки площади тензоэлементов или дополнительной настройки датчика, Кроме того, дополнительная подгонка или настройка не может обеспечить строго идентичного изменения сопротивлений отдельных тензоэлементов.Поэтому при воздействии нестационарнай температуры измеряемой среды реакция отдельных тензоэлементов, а следовательно; и окружных, и радиальных тензорезисторов на изменение температуры измеряемой среды будет различно вследствие различной величины сопротивлений отдельных тензоэлементов. В связи с этим в известном .датчике давления несмотря на размещение тензоэлементов в области одинакового изменения температур существует все же определенная погрешность от термоудара.Кроме того, в известной конструкции низкоомные перемычки и контактные площадки также выполнены под различными угламик координатным осям, что значительно снижает точность формирования размеров низкоомных перемычек и контактных площадок.Целью иэобоетения является повышение технологичности и уменьшение погрешности от воздействия цестациойарной температуры измеряемой среды за счетвыполненйя сторон тензоэлемецтов параллельно или перпендикулярно -к осям прямоугольной системы координат и увеЛй.чения точности формирования сопротивлений тецзоэлементов окружных и радиальных тенэорезисторов.На фиг. 1 изображен общий вид предлагаемого датчика давления; на фиг. 2 - фрагмент окружного тензорезистора в увеличенном масштабе. Толщины диэлектрической, резистивной и контактной пленок для наглядности несколькоувеличены,Датчик давления содеркит вакуумированный корпус 1, мембрану 2, выполненную за одно целое с опорным основанием 3. включенные в противоположные плечи измерительного мостаокружные 4 и радиальные 5 тензорезисторы, выполненные в виде идентичных соединенных ниэкоомными перемычками 6 тензоэлементов 7. Тенэоэлементы частичнорасполойИ 1 ьгна"периферии мембраны, частично на опорном основании, симметрично двумвзаимно"перпейдикулярным осям 8 мембраны, приведенным через ее центр, Все стороны тензоэлементов взаимно параллельны или перпендикулярны к осям мембраны, а координаты левого ниж-. него угла 9 каждого тензозлемента в прямоугольной системе координат, образованной осями, параллельны соответствующим осям мембраны и удовлетворяют заявляемому соотношению.Определение координат проводилось следующим образом. Для тейзорезисторов. равноудаленных от оси ординат (в нашем случае окружных), задавались значения Х и определялись по заявляемому соотношению для тензорезисторов, равноудаленцых от оси ординат, значения Уь Для тензорезисторов, равнбудаленнах от"бсйабсцисс в нашем случае радиальных), задавались значения У и определялись по заявляемому соотношению для тензорезисторов, равцоудаленных от оси абсцисс, значения Хь Определение координат проводилось ца ПЭВМ, По результатам определения построена топология, изображенная на фиг, 1, Раздельное определение координат тецзоэлементов радиальных и окружных тензарезисторов связано с необходимостью повышения точности определения координат. В случае использования для определения коордйнат тецзоэлементов,равноудаленных от оси абсцисс, соотношения для определения координат тензорезисторов, равноудаленйых от оси ординат,зцачител ьно уменьшается точность вследствие возмокности появления неопределец 55 ности значений обратных тригонометрических функций. Аналогичные явления будут наблюдаться при использовании соотношения для "определения координат тензорезисторов, равноудалецных от5 10 20 30 ао 50 оси абсцисс, для окружных тензорезисто.ров,Корпус и упругий элемент выполнены из сплава 70 НХБМО, На поверхности мембраны и опорного основания нанесен диэлектрик 10 о виде структуры А 20 з - Я 02 толщиной 3 мкм. Тензорезисторы выполнены из сплава П 65 ХС с поверхностным сопротивлением 110 Ом/квадрат, Низкоомные перемцчки выполнены о виде структуры Ч-й толщиной 1,5 мкм,: Датчик работает следующим образом, Давление измеряемой среды воздействует йа мембрану, Под воздействием измеряемого давления на мембрану в ней возникают радиальные и тангенциальные напряжения, которые приводят к появлению на планарной стороне мембраны ради альныхегитангенциальных одеформаций (см. фиг, 2), Так как размеры и местоположение тензоэлементов выбраны в соответствии с заявляемйм решенлем, то каждый тензоэлемент окружного тензо. резистора подвергается воздействию сжимающих радиальных деформаций е, направленнйх под углом а к продольной оси тензоэлемента; и воздействию растягивающих тангенциальных деформаций, направленньа под углом 3 к продольной оси тензоэлемента, Из фиг. 2 видно, что деформации ег раскладываются на деформации, направленные перпендикулярно к оси тензоэлемента ег и вдоль оси тензоэлемента еДеформации я, раскладываются на деформации, направленные вдоль оси тензоэлемента е и деформации, направленные перпендикулярно к осй тензоэлемента е,д, В результате совместного воздействия продольных и поперечных деформаций сопротивление тензоэлементоо окружного тензореэистора, а следовательно, и всего окружного тензорезистора увеличивается от воздействия измеряемого давления. Аналогичные процессы происходят в радиальном тензорезисторе, но в силу расположения продольных осей тензоэлементов этого тензорезистора преимущественно параллельно радиусу мембраны сопротивление этих тензоэлементов уменьшится от воздействйя измеряемого давления.Увеличение сопротивлений противопо ложно включенных окружнйх тензореэисторов и уменьшение противоположно включенных радиальных тензореэисторов преобразуется мостовой схемойв электрический сигнал, который поступает на выходные контакты датчика. При воздействии нестационарной температуры измеряемой среды в предлагаемом датчике проходят процессы, аналогичные процессам в прототипе, т.е. вследствие практических идентичного удаления тензоэлементов окружных и радиальных тензорезисторов от центра мембраны и силы симметричности расположения тензоэлементов относительно осей мембраны температура тензоэлементов окружных и радиальных тейэорезисторов практически одинакова. Одинаковая темпе-. ратура радиальных и окружных тензорезисторов в каждый конкретный момент времени вызывает одинаковые изменения сопротивлений тензорезисторов, которые вследствие включения терморезисторов в мостовую схему взаимно компенсируются. Причем, так как в предлагаемой конструкции точность выполнения сопротивленил тензоэлементов выше, чем в прототипе, то изменения сопротивлений отдельных тензозлементов и противоположно включенных окружных и радиальных тензорезисторов более близкие, по сравнению с прототипом. а следовательно, и погрешность от воздействия нестационарной температуры измеряемой среды в предлагаемой конструкции будет меньше.Тензоэлементы частйчно расположены на периферийном основакии для уме.ьшения погрешности от воздействия нестационарной температуры измеряемой среды,т.к, скорость изменения температуры на опорном основании меньше, чем на мембраке, и для обеспечения максимума чувствительности о связи с тем, что максимальные деформации сосредоточены на границе мембраны и опорного основания. Тензоэлементы размещены симметрично двум взаимно перпендикулярным осям мембраны, проведенным через ее центр, с целью повышения технологичности,т,к, позволяет упростить расчет и построение координат тензоэлементов и с целью уменьшения погрешности при воздействии нестациойарной температуры измеряемой среды. Все стороны тензоэлементов озаимно параллельны или перпендикулярны к осям симметрии мембраны для повышения технологичности и точности формирования тензорезисторов вследствие повышения точности и упрощения формирования размеров тенэоэлементов. Повышение точности формирования сопротивлений тензорезйсторов уменьшает погрешность от воздействия нестационарной температуры измеряемой среды вследствие повышения идентичности реакции отдельных тензоэлементов на изменение температуры, Оси прямоугольной системы координат5 10 20 25 30 35 40 45 ЯА 8 СО = ЯАОЕР или параллельны соответствующим осям мембраны для упрощения построения координат тензоэлементов, т.к. не требуется перестройка координатографа на угол, отличный От 90 о, и для повышения точности формирования сопротивлений тензоэлементов. В связи с тем, что построение тецзаэлементов на координатографе происходит снизу вверх и слева направо, координаты левого нижнего угла тензоэлемецта при известном размере его стороны полностью определяют местоположение каждого тензоэлемента.Для обоснования заявляемого соотношения обратимся к фиг, 2,Рассматривая более подробно тензорезистивные элементы, можно заметить, что площадь части тензоэлемента, расположенного на мембране, ограниченная окружность мембраны, равна х +д х 1+дЯА 8 СО =11(х)дх - / 2(х)ОХ.х х- Площадь части тензоэлемента, расположенной на опорном основании ограниченной окружностыа мембраны, равна х +о х+ ЯАОее =, Г 2(х)бх -3(х)ах х хПри воздействии нестационарной температуры измеряемой среды максимальная идентичность изменения сопротивлений тензозлементов наблюдается при равенстве площадеи части тензоэлемецта, расположенного на мембране, и части тензоэлемента, расположенного на огорнам основании,1 Лаксимум деформаций, воспринимаемых тензоэлементам, также будет в случае равенства площади части тецзоэлемента; расположенного на мембране, площади части тензаэлемента, расположенного на опорном основании, т,е. х+д х 1+д 3 11(х)бх -12(х)бх = х . х Х +д Х +д т 2(х)ох "13(х)ах х х Проведя необходимые преобразования,получим заявляемые соотношения,В связи с тем, что заявляемое решение позволяет выполнять тензоэлементы, низкоомные перемычки и контактные площадки полностью в направлении, параллельном или перпендикулярном к координатным осям без применения направлений, отличающихся от перпендикулярности или параллельности, технологичность заявляемой конструкции по сравнению с прототипом будет выше за счет упрощения изготовления фотооригиналов и упрощения расчета топологии, т.к. при расчете топологии цет необходимости введения дополнительных углавйх координат. Изготовление фотаоригиналав па предлагаемому решению также упрощено, т.к. все элементы топологии выполняются коардинатографам без дополнительной поднастройки угла. Кроме того, в предлагаемой конструкции повышается точность задания координат тензоэлементов за счет того, чта при расчете топологии тензоэлемента це требуется пересчета из-за различного углового положения тензаэлемецтав относительно кобрдинатных осей. Кроме того, точность выполнения каординат тензоэлементав повышается также за счеттого, что при выполнении фатооригинала ца координатаграфе все элементы тенэасхемы ВыпОлняются при их одинаковом угловом положении,Повышенная точность формирования сопротивлений тенэарезисторав пазволлет существенно уменьшить или устранить полностью подгоначные и настроечные работы по применению цачальнага выходцс го слгнала да требуемого уровня, чта также существенно повышает технологичность конструкции. Кроме того, повышение точности формирования сопротивлений тензорезистаров уменьшает погрешность датчика в условиях воздействия цестацианарнай температуры измеряемой среды вследствие повышения идентичности реакции отдельных тецзаэлементав на изменение температуры из-за близкого значения сопротивлений этих тензаэлементав. Техника-экономическим преимущест-. вом предлагаемого датчика давления, по сравнению с прототипам, является повышение технологичности и уменьшение погрешности ат воздействия нестациоцарной температуры измеряемой среды в 1,4 раза, за счет выполнения сторон тензаэлементов параллельно или перпендикулярна к осям прямоугольной системы координат и увеличения точности формирования сопротивлений тенэоэлементов окружных и радиальных тензорезистаров в 2,5 раза.178484 Т Формула изобретенийДатчик давления, содержащий корпус, мембрану радиуса Й с утолщенным периферийнйм основанием, закрепленные на планарной стороне мембраны пару окружных и 5 пару радиальных тензорезисторов; включенных соответственно 8 противоположные плечи мостовой измерительной схемй, при этом тейзореэисторй каждой пары расположенй симметрично относительно взаймно 10 йерпендикулярных осей мембраны; а соответствейно каждый окружной тензорозистор и радиальный тензорезйсторвыполнен в виде йескольких 1-тензоэлементови -тензоэлементов, соединенных соответствую щйми низкоомнымиперемычками, причем каждый тензоалемент выполнен в форме квадрата со стороной а и расположен одной своей частью на мембране, а другой - на периферийномосновании, о т л и ч а ю.щ и Йс я тем, что с целью повышения технологйчнОсти и повышения точности ВуслООиях э воздействия нестационарных температур, в нем однаиз сторон квадрата, каждого тензоэлемента параллельна одной иэвзаимно 25: перпендикулярных осей мембраны, причем г координата У вершины угла квадрата 1-тензоэлемента окружного тенэорезйстора,р ближайшей к началу прямоугольной систе-: т мы координат, образованной осями Х, У; 30 к Х;-Хоы, Х;-Хгсе 1 п агсвсп а. т =У - + -Я ЯаФа координата Х аналоги квадрата тензоэлемента зорезистора удовлетвор ной верши радиально ет соо.ткошООГс 515 угла теннию;ю; - Хо ф У; -У а 1 ча 4Рур Е. БелозуГВнтЗл орректор С, Л дактор 8 аз 4359ВНИИПИ Тираж . Подписноерственного комитета по изобретениям и откры 113035. Москва, Ж, Раушская наб., 415 м при ГКНТ СССР ВОдст 88 н МО-иэдэтВл Иск Пр, Ужгород, ул Составител Трубченко ТехредМ.Мпараллельными соответствующими взаимно перпендикулярным осям мембраны, проходящим через ее центр, удовлетворяетсоотношению: . де Хо, Уо - кооодинаты центра мембра%, ф- координаты вершины угла к ата "соответственно 1-тензоэлемеита ейзоэлемента, ближайшей к на ООр,пинйт,