Датчик давления

 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к датчикам, предназначенным для использования в различных областях науки и техники, связанных с измерением давления. Цель изобретения - повышение точности в условиях воздействия термоудара, увеличение чувствительности и теплостойкости. 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 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 тензорезисторах одинакового и равно отношению сопротивления тензорезистора к его поверхностному сопротивлению, а размеры сторон резистивных квадратов удовлетворяют представленному соотношению. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1 !

) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (54) ДАТЧИК Д ЯВЛЕНИЯ 0 (21) 4492365/24-10 (22) 10.10.88 (46) 23.1.2.90, Бюл. ¹ 47 (72) Е.М, Белозубов (53) 531.787 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N 1337691, кл. G 01 1 9/04, 1986, М,, 1615578 А1 (5!)5 G 01 (9/04 (57) Изобретение относится к измерительной технике, в частности к датчикам, предназначенным для использования в различных областях науки и техники, связанных с измерением давления. Цель изобретения—

1615578

25

30 повышение точности а условиях воздействия термоудара, увеличение теплостойкости и чувствител ьности. Для этого в датчике да вления, 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 — узлы I u II на 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 тензорезисторы 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!203 — Я!02 толщиной 2 мкм, Тензорезйсторы выполнены с поверхностным сопротивлением 10 Ом/квадрат. Низкоомные перемычки 6 выполнены в виде структуры Mo-NI тTоoл щ и нHо0й A 11,5 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, резистиBíûé квадрат окружного тензорезистора (узел 1, 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 I!, 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 в 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 вклю1615578 ченных радиальных резисторов преобразуется мостовой схемой в-электрический сигнал, который поступает на выходные контакты датчика. При воздействии нестационарной температуры измеряемой среды 5 (термоудара) вследствие различных термических сопротивлений сравнительно тонкой мембраны и массивного опорного основания на мембране возникает неравномерное поле температур, фиг. 3, где приведена экс- 10 периментально определенная зависимость распределения температуры нз планарной стороне упругого элемента через 0,1 с после подачи на мембрану датчика давления жидкого азота с температурой Тс. В связи с тем, 15 что размеры сторон резистивных квадратов радиальных и окружных тенэорезистаров одинаковы, а все резистивные квадраты своими наиболее удаленными от центра мембраны вершинами касаются границы 20 раздела мембраны и опорного основания, то несмотря на нестационарный характер изменения температуры на ппанарной стороне мембраны температура резистивных квадратов окружных и радиальных тензоре- 25 зисторов (фиг. 3), изменяясь, со временем будет одинакова в каждый конкретный момент времени. Одинаковая темперзтура радиальных и окружных тензореэисторов в каждый конкретный момент времени выэы- 30 вает одинаковые изменения сопротивлений тензорезисторов, которые вследствие включения тензореэисторов в мостовую схему взаимно компенсируются, Так как радиальные деформации будут 35 г равны 0 при ri = —, то с целью обеспече 3 ния нахождения резистивных квадратов в зоне максимального воздействия радиапьг 40 ных деформаций величина разности r — -> —, характеризующая расстояние от опорного основания до точки, где радиальные деформации меняют знак (т.е, область отрицательных с>кимающих значений радиальных 45 деформаций), уменьшена в двз раза. Этим самым достигается то, что резистивные квадраты располагаются в области максимальных отрицательных радиальных деформаций. В связи стем, что размеры резистив- 50 ных квадратов существенно меньше радиуса мембраны, можно сказать, что, выбрав величину размера стороны квадрата меньше 0,5 (r — -г-), заведомо помещают резиг з"

55 стивные квадраты в области наибольших отрицательных радиальных деформаций.

Вследствие того, что окружные и радиальные тензорезисторы выполнены в виде последовательно соединенных ниэкоомными перемычками и равномерно размещенных по периферии мембраны илэнтичных квадратов, касающихся двумя наиболее удэленными 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 реэистивнь х квадратов полностью идентичны.

Активная температурная погрешность датчика давления при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды or

+ 50 С до температуры жидкого азота не превышает 0,6;4. 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 мВ/MПзВ.

Преимуществом конструкции является так>ке повышение чувствительности на 207р зэ счет размещения радиальных и окружных тензорезисторов в зоне максимального изменения радиальных деформаций, 3 тзк>ке за счет суммирования воздействия радиальных и тангенциапьных деформаций. 3а счет по вы шен и я чувствитеп ь ности становится возможным при тех же сзмых конструктивных размерах изготавливать датчики дзсlе ния нз меньшие пределы измерения.

Формула изобретения

Датчик давления, содержащий корпус, мембрану с утоненной центральной частью радиуса r и периферийным утолщенным основзнием, по которому мембрана закреплена в корпусе, окружные и рздиэпьные тензорезисторы, закрепленные на мембране и соединенные перемычками и включенные соответственно в противоположные плечи измерительного моста, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения точности в условиях воздействия термоудара, повышения чувствительности. и теплостойкости, s н еeм M пoеeремычки выполнены из низкоомного материала, а тензорезисторы имеют форму квадрата и расположены по окружности, причем две вершины каждого квадрата расположены на радиусе r, количество окружных и радиальных тензорезисторов одинаково и равно отношению сопро1615578

Составитель О.Слюсарев

Техред М,Моргентал Корректор Л,Пилипенко

Редактор Е.Папп

Заказ 3981 Тираж 466 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ С Р

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 101 тивления тензорезистора к его поверкност- стороны квадрата удовлетворяет соотношеному сопротивлени о, при этом величина а нию а 0,21 r,