Датчик давления тензорезистивного типа с тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системой

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к датчикам давления с тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системой (НиМЭМС), предназначенным для использования при воздействии нестационарных температур и повышенных виброускорений. Технический результат: уменьшение погрешности измерения. Сущность: датчик содержит корпус (1), установленную в нем НиМЭМС, состоящую из мембраны (2), выполненной за одно целое с основанием (3). На мембране сформирована гетерогенная структура (4) из тонких пленок. В структуре (4) образованы тензорезисторы, расположенные по окружности на периферии мембраны. На основании со стороны подачи измеряемой среды симметрично продольной оси датчика закреплена и размещена внутри основания с зазором относительно мембраны и периферийного основания в области, прилегающей к мембране, цилиндрическая втулка (7) с отверстием (8). Элементы первой и второй измерительной цепи, расположенные вне корпуса, размещены в общем экране (9) из материала с высокой теплопроводностью. Характеристики элементов конструкции датчика связаны соответствующим соотношением. 1 ил.

 

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 нестационарных температур и повышенных виброускорений.

Известна конструкция датчика давления тензорезистивного типа с тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системой (НиМЭМС) [1], который предназначен для измерения давления в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды, содержащий корпус, тонкопленочную нано- и микроэлектромеханическую систему, состоящую из упругого элемента в виде круглой жесткозащемленной мембраны, выполненной за одно целое с основанием, на которой расположены соединенные в мостовую схему окружные и радиальные тензорезисторы, выполненные в виде соединенных тонкопленочными перемычками одинакового количества имеющих одинаковую форму тензоэлементов, расположенных по окружности на периферии мембраны, выводные проводники, соединяющие тензорезисторы с гермовыводами.

Недостатком известной конструкции является сравнительно большая погрешность при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды. Одной из причин является взаимодействие множества последовательно и встречно включенных термоэдс, возникающих на границах разделов тензоэлементов и перемычек вследствие случайным образом распределенных по поверхности чувствительного элемента неоднородностей структуры и неидентичности физических характеристик тензоэлементов и перемычек, находящихся в нестационарном температурном поле. Недостатком известной конструкции является сравнительно большая погрешность при воздействии повышенных (более 10000 мс^-2) виброускорений, которые вызывают несимметричное и неравномерное нестационарное температурное поле и, соответственно, аналогичные явления, описанные при воздействии нестационарных температур.

Известен датчик давления тензорезистивного типа с тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системой (НиМЭМС) [2], выбранный в качестве прототипа, содержащий корпус, установленную в нем НиМЭМС, состоящую из упругого элемента - круглой мембраны, выполненной за одно целое с периферийным основанием, сформированной на ней гетерогенной структуры из тонких пленок материалов, в которой образованы включенные соответственно в противоположные плечи измерительного моста воспринимающие деформацию разного знака от измеряемого давления тензорезисторы, выполненные в виде соединенных тонкопленочными перемычками одинакового количества, имеющих одинаковую форму тензоэлементов, расположенных по окружности на периферии мембраны, измерительные и питающие электрические цепи, соединяющие тонкопленочную НиМЭМС с выходом датчика, а характеристики элементов конструкции датчика связаны соотношением.

Недостатком известной конструкции является сравнительно большая погрешность при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды и повышенных (более 10000 мс^-2) виброускорений, которые вызывают несимметричные и неравномерные нестационарные температурные поля, которые вследствие неоптимальности и невозможности учета соотношений характеристик всех элементов конструкции датчиков давления тензорезистивного типа с тонкопленочными НиМЭМС для экстремальных условий эксплуатации приводят к появлению нескомпенсированной термоэдс.

Целью предлагаемого изобретения является уменьшение погрешности измерения датчиков давления тензорезистивного типа с тонкопленочными НиМЭМС для экстремальных условий эксплуатации в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды и повышенных виброускорений за счет уменьшения суммарной интегральной термоэдс путем оптимизации и возможности учета соотношений характеристик всех элементов конструкции датчиков давления.

Поставленная цель достигается тем, что в датчике давления тензорезистивного типа с тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системой (НиМЭМС), содержащем корпус, установленную в нем НиМЭМС, состоящую из упругого элемента - круглой мембраны, выполненной за одно целое с периферийным основанием, сформированной на ней гетерогенной структуры из тонких пленок материалов, в которой образованы включенные соответственно в противоположные плечи измерительного моста воспринимающие деформацию разного знака от измеряемого давления тензорезисторы, выполненные в виде соединенных тонкопленочными перемычками одинакового количества, имеющих одинаковую форму тензоэлементов, расположенных по окружности на периферии мембраны, измерительные и питающие электрические цепи, соединяющие тонкопленочную НиМЭМС с выходом датчика в соответствии с предлагаемым изобретением, на периферийном основании со стороны подачи измеряемой среды симметрично продольной оси датчика плотно закреплена и размещена внутри периферийного основания с зазором относительно мембраны и периферийного основания в области, прилегающей к мембране, цилиндрическая втулка с цилиндрическим отверстием вдоль ее оси, при этом корпус, элементы НиМЭМС, а также расположенные внутри корпуса и вне корпуса в области, прилегающей к нему, элементы первой и второй измерительной цепи, соединяющей НиМЭМС с выходом датчика, размещены симметрично продольной оси датчика, причем элементы первой и второй измерительной цепи, расположенные вне корпуса, размещены в общем экране из материала с высокой теплопроводностью и характеристики элементов конструкции датчика связаны соотношением

где 4 - количество тензорезисторов в мостовой измерительной схеме НиМЭМС; I - количество тензоэлементов в тензорезисторе; M - количество термоэлектрических структур в тензоэлементе; S_jim - коэффициент термоэдс контактирующих материалов m-й термоэлектрической структуры i-го тензоэлемента j-го тензорезистора; T_jim - температура контактирующих материалов m-й термоэлектрической структуры i-го тензоэлемента j-го тензорезистора; σ_αji(T) - коэффициент Томсона для материала i-го тензоэлемента j-го тензорезистора; T_jiH, T_jiK - температура соответственно в начале и конце i-го тензоэлемента j-го тензорезистора; - сопротивление j-го тензорезистора; R_j0 - сопротивление j-го тензорезистора при начальной среднеинтегральной температуре j-го тензорезистора; α_j - температурный коэффициент сопротивления j-го тензорезистора; ΔT_j - изменение среднеинтегральной температуры j-го тензорезистора; T_AnH, T_AnK, T_BnH, T_BnK - температура в начале и конце n-й термоэлектрической неоднородности соответственно первой и второй измерительной цепи, соединяющей НиМЭМС с выходом датчика; S_An, S_Bn - коэффициент термоэдс контактирующих материалов n-й термоэлектрической неоднородности соответственно первой и второй измерительной цепи, соединяющей НиМЭМС с выходом датчика; σ_αAn(T), σ_αBn(T) - коэффициент Томсона материала n-й термоэлектрической неоднородности соответственно первой и второй измерительной цепи, соединяющей НиМЭМС с выходом датчика; ΔU - допустимая абсолютная погрешность при воздействии нестационарной температуры и повышенных виброускорений.

Заявляемая конструкция датчика давления тензорезистивного типа с тонкопленочной НиМЭМС представлена на фиг.1. Она содержит корпус 1, установленную в нем НиМЭМС, состоящую из упругого элемента - круглой мембраны 2, выполненной за одно целое с периферийным основанием 3, сформированной на ней гетерогенной структуры 4 из тонких пленок материалов, в которой образованы включенные соответственно в противоположные плечи измерительного моста воспринимающие деформацию разного знака от измеряемого давления тензорезисторы, выполненные в виде соединенных тонкопленочными перемычками одинакового количества, имеющих одинаковую форму тензоэлементов, расположенных по окружности на периферии мембраны. Измерительные 5 и питающие 6 электрические цепи соединяют тонкопленочную НиМЭМС с выходом датчика. На периферийном основании со стороны подачи измеряемой среды симметрично продольной оси датчика плотно закреплена и размещена внутри периферийного основания с зазором относительно мембраны и периферийного основания в области, прилегающей к мембране, цилиндрическая втулка 7 с цилиндрическим отверстием 8 вдоль ее оси. При этом корпус, элементы НиМЭМС, а также расположенные внутри корпуса и вне корпуса в области, прилегающей к нему, элементы первой и второй измерительной цепи, соединяющей НиМЭМС с выходом датчика, размещены симметрично продольной оси датчика, причем элементы первой и второй измерительной цепи, расположенные вне корпуса, размещены в общем экране 9 из материала с высокой теплопроводностью и характеристики элементов конструкции датчика связаны заявляемым соотношением.

Для обоснования наличия причинно-следственной связи между совокупностью признаков и достигаемым техническим результатом рассмотрим более подробно конструкцию датчика давления тензорезистивного типа с тонкопленочной НиМЭМС в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды, направленной под углом к оси датчика, и повышенных виброускорений.

Плотное закрепление на периферийном основании со стороны подачи измеряемой среды симметрично продольной оси датчика и размещение внутри периферийного основания цилиндрической втулки с цилиндрическим отверстием вдоль ее оси обеспечивает осесимметрирование тепловых потоков, а следовательно, идентичность температур, имеющих одинаковую форму тензоэлементов, расположенных по окружности на периферии мембраны, и минимизацию влияния нестационарной температуры измеряемой среды. Наличие зазора втулки относительно мембраны и периферийного основания в области, прилегающей к мембране, устраняет возможное в противном случае негативное влияние несимметричных термодеформаций на тензоэлементы. Размещение симметрично продольной оси датчика корпуса элементов НиМЭМС, а также расположенных внутри корпуса и вне корпуса в области, прилегающей к нему элементов первой и второй измерительной цепи, соединяющей НиМЭМС с выходом датчика, обеспечивает минимальную погрешность при воздействии нестационарной температуры измеряемой и окружающей среды, а также повышенных виброускорений за счет взаимной компенсации встречно включенных термоэдс, возникающих в том числе в кабельной перемычке датчика. Размещение расположенных вне корпуса элементов первой и второй измерительной цепи в общем экране из материала с высокой теплопроводностью выравнивает температуры этих элементов, возникающих в результате воздействия повышенных виброускорений.

При всем многообразии конструктивно-технологических решений, применяемых при создании датчиков давления тензорезистивного типа с тонкопленочными НиМЭМС для экстремальных условий эксплуатации, в их структуре можно выделить общие подсистемы и элементы, определяющие характер термоэлектрических явлений при воздействии нестационарных температур и виброускорений. К ним, в самом общем виде, можно отнести: чувствительный элемент в виде НиМЭМС, питающие и измерительные электрические цепи, соединяющие НиМЭМС с выходом датчика. В датчиках давления тензорезистивного типа с тонкопленочными НиМЭМС, как правило, две питающие и две измерительные электрические цепи. Кроме того, в датчиках, предназначенных для экстремальных условий эксплуатации, с целью исключения влияния жестких воздействующих факторов на разъем датчика эти цепи частично выполняются в виде гибкой кабельной перемычки, соединяющей корпус датчика и разъем.

После проведения дополнительного анализа, синтеза и обобщения приведенного в прототипе выражения для математической модели неинформативного преобразования термоэдс в выходной сигнал ТТДД при воздействии нестационарных температур и виброускорений получим

где T=f(T_ни, T_но, W); T_ни - нестационарная температура измеряемой среды; T_но - нестационарная температура окружающей среды; W - амплитуда виброускорений; 4 - количество тензорезисторов в мостовой измерительной схеме НиМЭМС; I - количество тензоэлементов в тензорезисторе; M - количество термоэлектрических структур в тензоэлементе; E_jim(T) - m-я термоэдс i-го тензоэлемента j-го тензорезистора; T_jiH - температура в начале i-го тензоэлемента j-го тензорезистора; T_jiK - температура в конце i-го тензоэлемента j-го тензорезистора; σ_αji(T) - коэффициент Томсона для материала i-го тензоэлемента j-го тензорезистора; - сопротивление j-го тензорезистора; E_An(T), E_Bn(T) - термоэдс n-й термоэлектрической неоднородности соответственно первой и второй измерительной цепи, соединяющей тонкопленочную НиМЭМС-структуру с выходом датчика, T_AnH, T_AnK, T_BnH, T_BnK - температура в начале и конце n-й термоэлектрической неоднородности соответственно первой и второй измерительной цепи, соединяющей тонкопленочную НиМЭМС-структуру с выходом датчика; σ_αAn(T), σ_αBn(T) - коэффициент Томсона материала n-й термоэлектрической неоднородности соответственно первой и второй измерительной цепи, соединяющей тонкопленочную НиМЭМС-структуру с выходом датчика.

Выражение (2) при U_вых(T)=0 является общим условием минимизации нескомпенсированной термоэдс ТТДД при воздействии нестационарных температур и виброускорений. Для проведения качественного анализа влияния нестационарных температур и виброускорений рассмотрим полученную модель при достаточно малых различиях температур элементов. В этом случае, условно пренебрегая нелинейным характером распределения температур в пределах конкретных элементов, можно представить выражение для упрощенной математической модели неинформативного преобразования термоэдс в выходной сигнал ТТДД в виде

где S_jim - коэффициент термоэдс контактирующих материалов m-й термоэлектрической структуры i-го тензоэлемента j-го тензорезистора; T_jim - температура контактирующих материалов m-й термоэлектрической структуры i-го тензоэлемента j-го тензорезистора; R_j0 - сопротивление j-го тензорезистора при начальной среднеинтегральной температуре j-го тензорезистора; α_j - температурный коэффициент сопротивления j-го тензорезистора; ΔT_j - изменение среднеинтегральной температуры j-го тензорезистора; S_An, S_Bn - коэффициент термоэдс контактирующих материалов n-й термоэлектрической неоднородности соответственно первой и второй измерительной цепи, соединяющей тонкопленочную НиМЭМС-структуру с выходом датчика; T_An, T_Bn - температура n-й термоэлектрической неоднородности соответственно первой и второй измерительной цепи, соединяющей тонкопленочную НиМЭМС-структуру с выходом датчика.

В выражении (3) U_вых(T) показывает величину нескомпенсированной термоэдс, возникающей при воздействии нестационарной температуры и повышенных виброускорений, и характеризует абсолютное значение погрешности U_вых(T)=ΔU. После преобразования выражения (3) ΔU получим заявляемое соотношение. Таким образом, техническим результатом заявляемого решения является уменьшение погрешности измерения при воздействии нестационарных температур и повышенных виброускорений за счет минимизации напряжения нескомпенсированной термоэдс путем оптимизации и возможности учета соотношений характеристик всех элементов конструкции датчиков давления тензорезистивного типа с тонкопленочными НиМЭМС для экстремальных условий эксплуатации.

Источники известности

1. RU Патент №2312319, МПК G01L 9/04. Бюл. №34. 10.12.2007.

2. RU Патент №2391641, МПК G01L 9/04. Бюл. №16. 10.06.2010.

Датчик давления с тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системой (НиМЭМС), содержащий корпус, установленную в нем НиМЭМС, состоящую из упругого элемента - круглой мембраны, выполненной за одно целое с периферийным основанием, сформированной на ней гетерогенной структуры из тонких пленок материалов, в которой образованы включенные соответственно в противоположные плечи измерительного моста воспринимающие деформацию разного знака от измеряемого давления тензорезисторы, выполненные в виде соединенных тонкопленочными перемычками одинакового количества имеющих одинаковую форму тензоэлементов, расположенных по окружности на периферии мембраны, измерительные и питающие электрические цепи, соединяющие тонкопленочную НиМЭМС с выходом датчика, отличающийся тем, что на периферийном основании со стороны подачи измеряемой среды, симметрично продольной оси датчика плотно закреплена и размещена внутри периферийного основания с зазором относительно мембраны и периферийного основания в области, прилегающей к мембране, цилиндрическая втулка с цилиндрическим отверстием вдоль ее оси, при этом корпус, элементы НиМЭМС, а также расположенные внутри корпуса и вне корпуса в области, прилегающей к нему, элементы первой и второй измерительных цепей, соединяющие НиМЭМС с выходом датчика, размещены симметрично продольной оси датчика, причем элементы первой и второй измерительных цепей, расположенные вне корпуса, размещены в общем экране из материала с высокой теплопроводностью и характеристики элементов конструкции датчика связаны соотношением

где 4 - количество тензорезисторов в мостовой измерительной схеме НиМЭМС; I - количество тензоэлементов в тензорезисторе; М - количество термоэлектрических структур в тензоэлементе; S_jim - коэффициент термоэдс контактирующих материалов m-й термоэлектрической структуры i-го тензоэлемента j-го тензорезистора; T_jim - температура контактирующих материалов m-й термоэлектрической структуры i-го тензоэлемента j-го тензорезистора; σ_αji(T) - коэффициент Томсона для материала i-го тензоэлемента j-го тензорезистора; T_jiH, T_jiK - температура соответственно в начале и конце i-го тензоэлемента j-го тензорезистора; - сопротивление j-го тензорезистора; R_j0 - сопротивление j-го тензорезистора при начальной среднеинтегральной температуре j-го тензорезистора; α_j - температурный коэффициент сопротивления j-го тензорезистора; ΔT_j - изменение среднеинтегральной температуры j-го тензорезистора; Т_AnH, Т_AnK, Т_BnH, N_BnK - температура в начале и конце n-й термоэлектрической неоднородности соответственно первой и второй измерительных цепей, соединяющих НиМЭМС с выходом датчика; A_An, S_Bn - коэффициент термоэдс контактирующих материалов n-й термоэлектрической неоднородности соответственно первой и второй измерительных цепей, соединяющих НиМЭМС с выходом датчика; σ_αAn(T), σ_αBn(T) - температура в начале и конце n-й термоэлектрической σ_αBn(T) - температура в начале и конце n-й термоэлектрической неоднородности соответственно первой и второй измерительных цепей, соединяющих НиМЭМС с выходом датчика; S_An, S_Bn - коэффициент термоэдс контактирующих материалов n-й термоэлектрической неоднородности соответственно первой и второй измерительной цепи, соединяющей НиМЭМС с выходом датчика; σ_αAn(T), σ_αBn(T) - коэффициент Томсона материала n-й термоэлектрической неоднородности соответственно первой и второй измерительных цепей, соединяющих НиМЭМС с выходом датчика; ΔU - абсолютная погрешность при воздействии нестационарной температуры и повышенных виброускорений.