Интегральный датчик абсолютного давления

Авторы патента:

G01L9/12 - путем измерения изменений электрической емкости

Владельцы патента RU 2470273:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева" (НГТУ) (RU)

Изобретение относится к измерительной технике. Техническим результатом является исключение влияния линейных ускорений на чувствительность датчика. Интегральный датчик абсолютного давления содержит проводящую кремниевую мембрану с жестким центром, первую и вторую стеклянные обкладки, соединенные жестко с кремниевой мембраной. В первой стеклянной обкладке имеется приемное отверстие. Между первой стеклянной обкладкой и кремниевой мембраной образована входная камера. Между второй стеклянной обкладкой и кремниевой мембраной образована вакуумированная камера, на внутренней поверхности второй стеклянной обкладки нанесены первый и второй неподвижные проводящие электроды. Первый электрод размещен против подвижного жесткого центра на кремниевой мембране. Второй электрод размещен против недеформируемой части на кремниевой мембране. Первый и второй неподвижные проводящие электроды подключены к входам электронного блока. В жестком центре кремниевой мембраны со стороны входной камеры вытравлено углубление в виде усеченной пирамиды, боковые стенки которой параллельны боковым стенкам жесткого центра. Толщина перегородки, образованной боковыми стенками усеченной пирамиды и жесткого центра, выполнена равной толщине гибкой части кремниевой мембраны. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники.

Известен интегральный датчик избыточного давления [1], содержащий кремниевую подложку, в которой сформирована мембрана, над которой через воздушный зазор расположен верхний электрод (обкладка), нанесенный на пластину, мембрана которого является нижним электродом (обкладкой). Мембрана выполнена с эпитаксиальным слоем фторида кальция и последующим эпитаксиальным слоем кремния, толщина которого определяет зазор между обкладками конденсатора, над которым расположен слой металлизации, являющийся верхним электродом, нанесенным на пластину кремния, присоединенную к эпитаксиальному слою кремния.

Известный датчик имеет низкую точность из-за влияния внешних условий.

Известен также интегральный датчик избыточного давления [2], содержащий генератор напряжения и усилитель, к входу и в цепь обратной связи которого подключены измерительный и эталонный конденсаторы датчика, дополнительно введены три двухпозиционных коммутационных ключа, блоки аддитивной и мультипликативной коррекции, синхронный детектор, делитель частоты, интегрирующий сумматор и ограничитель напряжения, а генератор выполнен в виде управляемого генератора с регулируемой амплитудой, причем выводы измерительного и эталонного конденсаторов датчика подключены соответственно к второму и первому выходам первого коммутационного ключа, соединенного входом с выходом усилителя и входом синхронного детектора, выход которого соединен с входом второго коммутационного ключа, первый выход которого подключен к входам блока мультипликативной коррекции и блока аддитивной коррекции, а второй выход - к первому входу интегрирующего сумматора, второй вход которого соединен с выходом блока аддитивной коррекции, выход блока мультипликативной коррекции подключен к управляющему входу генератора с регулируемой амплитудой, выход которого соединен с входом делителя частоты, входом ограничителя напряжения, опорным входом синхронного детектора и вторым входом третьего коммутационного ключа, соединенного по выходу с опорным конденсатором датчика, подключенным к входу усилителя, при этом выход ограничителя напряжения соединен с первым входом третьего коммутационного ключа, выход делителя частоты соединен с управляющими входами первого, второго и третьего коммутационных ключей, а выход интегрирующего сумматора является выходом устройства.

К недостаткам устройства относится нескомпенсированная погрешность нулевого уровня, т.к. имеющийся в известном устройстве блок компенсации аддитивной погрешности не связан со случайной погрешностью.

Наиболее близким к заявляемому устройству является интегральный датчик избыточного давления [3], содержащий проводящую кремниевую мембрану с жестким центром, первую и вторую стеклянные обкладки, соединенные жестко с кремниевой мембраной, в первой стеклянной обкладке имеется приемное отверстие, между первой стеклянной обкладкой и кремниевой мембраной образована входная камера, соединенная приемным отверстием с измеряемым давлением, между второй стеклянной обкладкой и кремниевой мембраной образована вакуумированная камера, на внутренней поверхности второй стеклянной обкладки нанесены первый и второй неподвижные проводящие электроды, первый электрод размещен против подвижного жесткого центра на кремниевой мембране, второй электрод размещен против недеформируемой части на кремниевой мембране, первый и второй неподвижные проводящие электроды подключены к входам электронного блока.

Недостатком известного устройства является чувствительность датчика давлений к линейным ускорениям, поскольку масса жесткого центра преобразователя перемещений одновременно работает в составе с упругой мембраной, как акселерометр. При этом в результаты измерений давления вносится неустранимая в известном устройстве погрешность.

Решаемая задача - устранение погрешностей измерений.

Технический результат - исключение влияния линейных ускорений на чувствительность датчика.

Этот технический результат достигается тем, что в интегральном датчике абсолютного давления, содержащем проводящую кремниевую мембрану с жестким центром, первую и вторую стеклянные обкладки, соединенные жестко с кремниевой мембраной, в первой стеклянной обкладке имеется приемное отверстие, между первой стеклянной обкладкой и кремниевой мембраной образована входная камера, между второй стеклянной обкладкой и кремниевой мембраной образована вакуумированная камера, на внутренней поверхности второй стеклянной обкладки нанесены первый и второй неподвижные проводящие электроды, первый электрод размещен против подвижного жесткого центра на кремниевой мембране, второй электрод размещен против недеформируемой части на кремниевой мембране, первый и второй неподвижные проводящие электроды подключены к входам электронного блока, в жестком центре кремниевой мембраны со стороны входной камеры вытравлено углубление в виде усеченной пирамиды, боковые стенки которой параллельны боковым стенкам жесткого центра, толщина перегородки, образованной боковыми стенками усеченной пирамиды и жесткого центра, выполнена равной толщине гибкой части кремниевой мембраны; электронный блок выполнен в виде широтно-импульсного преобразователя, в котором первый и второй неподвижные проводящие электроды включены последовательно с первым и вторым резисторами и совместно образуют времязадающие цепочки симметричного мультивибратора на R-S триггере, центральный электрод емкостей, которым является жесткий центр кремниевой мембраны, заземлен, параллельно емкостям включены первый и второй ключи, управляющие входы которых перекрестно соединены с первым и вторым выходами R-S триггера.

Технический результат достигается за счет снижения массы жесткого центра. Широтно-импульсный преобразователь обеспечивает режим стыковки датчика с микроконтроллерами.

На фиг.1 приведен продольный разрез заявляемого устройства, а на фиг.2 - электрическая схема устройства.

К первой стеклянной обкладке 1 приварена молекулярной сваркой кремниевая мембрана 2. К кремниевой мембране 2 приварена молекулярной сваркой вторая стеклянная обкладка 3. В кремниевой мембране 2 выполнена гибкая часть 4 и жесткий центр 5, являющийся одновременно подвижным электродом емкостного датчика перемещений. Между кремниевой мембраной 2 и первой стеклянной обкладкой 1, имеющей приемное отверстие, образована входная камера 6 для приема измеряемых давлений. На второй стеклянной обкладке 3 нанесены первый 7 и второй 8 неподвижные проводящие электроды емкостного преобразователя перемещений. Между кремниевой мембраной 2 и второй стеклянной обкладкой 3 образована герметичная вакуумированная камера 9, внутри которой размещены все электроды: подвижный 5 и неподвижные 7, 8. Недеформируемая часть 10 на кремниевой мембране 2 предназначена для выполнения компенсационной емкости между ней и электродом 8. Площади электродов 7 и 8 выполнены равными, что необходимо для балансировки емкостного датчика перемещений в нейтральном состоянии. Снижение погрешности от действия линейных ускорений абсолютного давления достигнуто снижением массы жесткого центра, для чего в нем со стороны входной камеры 6 вытравлено углубление 11 в виде усеченной пирамиды. Для снижения жесткости гибкой части 4 мембраны боковые стенки усеченной пирамиды выполнены параллельными боковым стенкам жесткого центра, а толщина образованной перегородки равна толщине гибкой части кремниевой мембраны. Перегородки являются дополнением к гибкой части мембраны, при этом снижается ее общая жесткость.

На фиг.2 приведена электрическая схема датчика.

Электронный блок выполнен в виде широтно-импульсного преобразователя, в котором первый и второй неподвижные проводящие электроды включены последовательно с первым и вторым резисторами и совместно представляют времязадающие цепочки симметричного мультивибратора на R-S триггере. Центральным электродом емкостей является жесткий центр 5 кремниевой мембраны, который заземлен.

Схема включает в свой состав первый 12 и второй 13 ключи, соединенные параллельно с первой 14 и второй 15 измерительными емкостями. Первая 14 и вторая 15 измерительные емкости соединены последовательно с первым 16 и вторым 17 резисторами, а точки их соединений одновременно соединены со входами R и S R-S триггера 18. Вторыми концами резисторы 16 и 17 соединены с первым и вторым выходами R-S триггера. Управляющие входы первого 12 и второго 13 ключей перекрестно соединены с первым и вторым выходами R-S триггера 18.

Предложенный датчик работает следующим образом. Перемещение жесткого центра мембраны прямо пропорционально действующей сумме сил от абсолютного давления и от инерции:

где G - жесткость деформируемой части мембраны; Δх - перемещение жесткого центра мембраны; р_а - абсолютное давление; S - площадь мембраны; m - масса жесткого центра мембраны; j - ускорение, действующее на жесткий центр.

Пусть датчик абсолютного давления применяется на подвижном объекте. Из (1) видно, что измерение перемещения Δх, соответственно абсолютного давления р_а, всегда осуществляется с ошибкой, привносимой ускорением. Причем чем больше масса жесткого центра мембраны, тем больше ошибка. С целью снижения ошибки в заявляемом изобретении снижена масса жесткого центра мембраны посредством выполнения в нем со стороны входной камеры углубления 11 в виде усеченной пирамиды:

где m_угл - масса, удаленная из углубления жесткого центра мембраны.

Величина этой массы может достигать до 70% от массы жесткого центра. Формула (2) показывает, что цель изобретения по первому пункту достигнута.

Работа датчика абсолютного давления в режиме широтно-импульсной модуляции осуществляется следующим образом. Первая 14 и вторая 15 измерительные емкости включены последовательно с первым 16 и вторым 17 резисторами и представляют времязадающие цепочки симметричного мультивибратора на R-S триггере 18. Посредством первого 12 и второго 13 ключей, управляемых перекрестно сигналами с выходов R-S триггера 18, осуществляется заряд-разряд измерительных емкостей 14 и 15. Первая емкость 14 является переменной и зависит от действующего абсолютного давления, вторая емкость 15 является постоянной и выполняет функции температурной компенсации. Длительность импульса τ на прямом выходе R-S триггера является функционально зависимой от величины первой емкости 14, соответственно зависит от действующего абсолютного давления. Выход R-S триггера, например на КМОП-структурах, непосредственно стыкуется со входами микроконтроллеров. Масштабирование сигнала и преобразование его к стандартному виду осуществляется программно.

Отмечая приведенные обоснования, можно заключить, что технический результат изобретения полностью достигнут.

Источники информации

1. Величко А.А., Илюшин В.А., Филимонова Н.И. Патент РФ №2251087 Емкостной датчик давления МПК G01L 9/12 27.04.2005.

2. Белозубов Е.М., Маланин В.П. Устройство формирования выходного сигнала емкостного датчика давления. Патент РФ №2053490, G01L 9/12, 27.01.1996.

3. Вавилов В.Д. Исследования интегральных датчиков давлений. Нижегородский государственный технический университет. Нижний Новгород, 2006. 32 с.

1. Интегральный датчик абсолютного давления, содержащий проводящую кремниевую мембрану с жестким центром, первую и вторую стеклянные обкладки, соединенные жестко с кремниевой мембраной, в первой стеклянной обкладке имеется приемное отверстие, между первой стеклянной обкладкой и кремниевой мембраной образована входная камера, между второй стеклянной обкладкой и кремниевой мембраной образована вакуумированная камера, на внутренней поверхности второй стеклянной обкладки нанесены первый и второй неподвижные проводящие электроды, первый электрод размещен против подвижного жесткого центра на кремниевой мембране, второй электрод размещен против недеформируемой части на кремниевой мембране, первый и второй неподвижные проводящие электроды подключены к входам электронного блока, отличающийся тем, что в жестком центре кремниевой мембраны со стороны входной камеры вытравлено углубление в виде усеченной пирамиды, боковые стенки которой параллельны боковым стенкам жесткого центра, толщина перегородки, образованной боковыми стенками усеченной пирамиды и жесткого центра, выполнена равной толщине гибкой части кремниевой мембраны.

2. Интегральный датчик абсолютного давления по п.1, отличающийся тем, что электронный блок выполнен в виде широтно-импульсного преобразователя, в котором первый и второй неподвижные проводящие электроды включены последовательно с первым и вторым резисторами и совместно представляют времязадающие цепочки симметричного мультивибратора на R-S триггере, центральный электрод емкостей, которым является жесткий центр кремниевой мембраны, заземлен, параллельно емкостям включены первый и второй ключи, управляющие входы которых перекрестно соединены с первым и вторым выходами R-S триггера.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для калибровки датчиков пульсаций давления. .

Датчик давления // 2439515

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения избыточного давления в агрессивных высокотемпературных средах. .

Датчик давления жидкости и газа // 2434211

Устройство для измерения давления или силы // 2427811

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления жидких и газообразных сред или механической силы в электронных системах контроля, защиты и управления.

Измерительный преобразователь давления // 2423679

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения давления. .

Способ измерения пульсаций давления // 2419076

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к измерению пульсаций давления в аэродинамическом эксперименте. .

Обнаружение повреждения датчика давления // 2407997

Датчик давления с использованием сжимаемого корпуса датчика // 2400719

Изобретение относится к передатчикам давления, используемым в системах управления промышленными процессами, в частности, изобретение относится к датчику давления для использования в передатчике давления.

Датчик избыточного давления // 2392593

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в системах контроля и регулирования давления. .

Устройство для измерения звукового давления // 2384826

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения звукового давления в авиационной технике, на кораблях и подводных лодках и т.д., а также для обнаружения течей теплоносителя трубопроводов.

Устройство для измерения звукового давления // 2476841

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения звукового давления

Устройство для измерения давления, температуры и теплового потока // 2476842

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для одновременного измерения в заданном участке температуры, теплового потока и давления

Емкостный датчик давления // 2485464

Изобретение относится к измерительной технике, в частности для измерения статического и динамического давления без нарушения целостности обтекания потока газа и изделий

Конструкция измерительного преобразователя давлений с емкостным сенсором // 2532236

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к датчикам давления, и может быть использовано при измерении разности давлений жидкостей и газов. Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции и повышение точности измерений. Измерительный преобразователь давлений с емкостным сенсором содержит связанные между собой корпус чувствительного элемента, имеющий центральную камеру, разделенную электропроводной мембраной на две полости. При этом полость электропроводящей мембраны соединена двумя параллельными между собой и чувствительным элементом заливочными капиллярами и снабжена токопроводящими выводами. Два разделительных узла с расположенными параллельно друг другу разделительными гофрированными мембранами имеют подмембранные полости, сообщающиеся с полостью электропроводящей мембраны. Вогнутая рабочая поверхность полости выполнена металлизированной снаружи полностью. Электропроводная мембрана чувствительного элемента расположена перпендикулярно по отношению к разделительным гофрированным мембранам. Заливочные капилляры полости электрочувствительной мембраны развернуты в противоположных направлениях и соединены с ее полостью горизонтальным каналом. Разделительные гофрированные мембраны расположены каждая в своем корпусе с противолежащих сторон от корпуса чувствительного элемента. Подмембранные полости разделительных гофрированных мембран соединены с подводящими разделительную жидкость отдельными заливочными капиллярами. 2 ил.

Способ формирования газовой смеси для анализа и обработки материалов при переменном давлении // 2548949

Изобретение относится к области управления и регулирования на определенном уровне парциального давления кислорода в замкнутом объеме и может быть использовано при термическом анализе фазовых превращений и процессов диссоциации простых и сложных оксидов методами термогравиметрии, термодилатометрии, дифференциально-термического анализа в зависимости от изменения парциального давления кислорода в равновесной газовой атмосфере. Способ формирования газовой смеси для анализа и обработки материалов при переменном давлении включает подачу в систему инертного газа, измерение в нем парциального давления кислорода, сравнивание измеренного парциального давления кислорода с заданным и регулирование величины парциального давления кислорода в смеси кислородным насосом путем изменения силы тока, подаваемой на кислородный насос так, чтобы в системе поддерживалось заданное постоянное (индивидуальное для каждого опыта) давление кислорода в диапазоне -0.67>lgPo2>-24 (атм). Техническим результатом изобретения является возможность получения газовой смеси на основе инертного газа с заданным постоянным, точно контролируемым и регулируемым в широком диапазоне содержанием кислорода. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Устройство для измерения параметров потока // 2568962

Изобретение относится к измерительной технике для измерения параметров потока, в частности полного давления, давления скоростного напора, статического давления, пульсации и/или звукового давления, измерения величины и направления скорости в пространственных потоках. Устройство содержит датчики давления. Датчик давления содержит емкостные чувствительные элементы (ЕЧЭ), соосные с тензометрическим мостом (ТМ). ЕЧЭ через усилитель заряда и напряжения (УН) соединен с индикатором. ТМ на выходе имеет аппаратуру низкой частоты (АНЧ) и соединен с индикатором. Устройство содержит цилиндрический корпус, внутри которого расположен трех- и/или пятитрубчатый приемник, залитый мягким герметиком. Приемные части двух приемников срезаны под углом 45°. Устройство в рабочем участке аэродинамической трубе перемещается с помощью электромеханического сканера. Управление сканера осуществляется блоком управления. Соосные ТМ и ЕЧЭ монолитной конструкции расположены в трех трубках заподлицо с поверхностью среза этих приемников. Внутренние диаметры трубок 3 мм и больше, длиной от 0 до 30 мм. Материал корпуса и трубок - нержавеющая сталь. Техническим результатом изобретения является повышение качества и точности измерения давления. 4 ил.

Ёмкостной инерционный датчик давления, способ его сборки и способ измерения давления // 2589494

Группа изобретений относится к измерительной технике. Изобретения могут быть использованы для исследования переходных процессов в авиационной космической технике и в разных отраслях промышленности. Техническим результатом изобретения является уменьшение времени и затрат энергоресурсов ИО при переходе от одного установившегося к другому установившемуся режиму, за счет того что для увеличения времени наблюдения за переходным процессом в газовой среде используют инерционный емкостной датчик, ЧЭ датчика изготавливают из диэлектрика с минимальной скоростью распространения внутри его звуковой волны. Представлены конструкция и способ сборки инерционного емкостного датчика, а также способ измерения давления в составе измерительной аппаратуры. Емкостной инерционный датчик давления состоит из трех диэлектрических пленок. Первая диэлектрическая пленка содержит основной экран, вторая диэлектрическая пленка содержит нижние обкладки с выводами и экран. Обе пленки выполнены из твердого полиимида, на верхней поверхности третьей диэлектрической пленки сформирована ответная обкладка с выводом и экраном. Из слоев трех диэлектрических пленок собран пакет, пленки скреплены между собой и исследуемым объектом с помощью клея. В емкостном инерционном датчике давления третья диэлектрическая пленка выполнена из мягкого диэлектрика, на ее поверхности сформирована объединенная ответная обкладка, все обкладки с выводами и экраны выполнены из медной или никелевой фольги, причем обкладки с выводами и экраны на поверхностях второй и третьей диэлектрических пленок сформированы методом фотолитографии, толщина фольги из меди или никеля от 5 до 20 мкм. 3 н.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

Устройство для измерения давления в аэродинамических трубах // 2612733

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения полного и статическое давления, их пульсаций в аэродинамических трубах и стендах. Для измерения указанных давлений предложен датчик давления, содержащий тензометрические и емкостные чувствительные элементы. Чувствительные элементы между собой расположены соосно. А также предложены блоки вычитания, с целью выделения из полного и статического давления, пульсации давления. Соосные датчики от одного до нескольких десятков смонтированы на поверхности съемной заглушки (стенки аэродинамической трубы) и внутри гребенки (установлено в одно из сечений рабочей камеры трубы). Датчики, смонтированные заподлицо с гребенками и заглушкой, не нарушают обтекаемого потока. Предложенное устройство, состоящее из тензометрических мостов и емкостных чувствительных элементов, одновременно в заданной точке измеряет статическое давление и пульсации давления. Датчики, смонтированные на заглушке, одновременно можно располагать в разных сечениях камеры трубы. Технический результат заключается в возможности повышения точности измерения полного и статического давления, качества измерений без искажения потока. 3 ил.

Способ измерения пульсаций сверхзвукового потока и устройство для его реализации (варианты) // 2638086

Изобретения относятся к авиационной технике, а именно к измерительной технике для диагностики параметров потока, в частности к способам и устройствам для разделения суммарного поля пульсаций сверхзвукового потока на вихревую, энтропийную и акустическую моды (модовой декомпозиции). Способ включает измерение пульсаций сверхзвукового потока приемными датчиками пульсаций давления. Их чувствительные элементы размещены заподлицо с поверхностью устройства, установленного в диагностируемом сверхзвуковом потоке, вывод полученных сигналов с датчика на регистрирующую аппаратуру с аналого-цифровым преобразованием с записью и математической обработкой на ЭВМ. Способ реализуется устройством и его вариантами. Согласно изобретению, устройство устанавливают в диагностируемом сверхзвуковом потоке так, что поверхности устройства с датчиками пульсаций давления находятся под различными углами наклона относительно направления набегающего потока, регистрируют мгновенные показания всех датчиков пульсации давления и производят аналого-цифровое преобразование показаний, а математическую обработку ведут с использованием метода разделения мод - декомпозиции суммарного поля пульсаций сверхзвукового потока с помощью коэффициентов преобразования возмущений ударной волны и получают выделенные вихревую, энтропийную и акустическую моды пульсаций сверхзвукового потока. Один из вариантов устройства для измерения пульсаций сверхзвукового потока включает датчики пульсаций давления, размещенные заподлицо на поверхностях устройства, установленного на державке в диагностируемом сверхзвуковом потоке. Согласно изобретению устройство выполнено из четырех пластин с острыми передними кромками, установленными на крестообразной державке под разными углами наклона к потоку, с плечами в горизонтальной и вертикальной плоскости, на расстояниях, исключающих взаимодействие ударных волн, образующихся при обтекании каждой пластины, при этом датчики пульсаций давления размещены на каждой пластине устройства. Технический результат заключается в повышении точности измерения газодинамических параметров потока, достоверности и информативности методов исследования структуры потока. 4 н.п. ф-лы, 6 ил.

Модифицированная текучей ферросредой заполняющая текучая среда для преобразователей давления // 2643676

Изобретение относится к технологическим инструментам, используемым в промышленных системах управления процессом. Заявленный преобразователь давления для измерения давления технологической текучей среды содержит корпус преобразователя, датчик давления для измерения давления технологической текучей среды, причем датчик давления расположен в корпусе, и гидравлическую систему передачи. Причем гидравлическая система передачи содержит первую разделительную мембрану, расположенную на внешней стороне корпуса преобразователя; и первую разделительную трубку, проходящую от датчика давления к первой разделительной мембране; первую текучую ферросреду, расположенную в первой разделительной трубке для передачи изменения давления технологической текучей среды около первой разделительной мембраны на датчик; и электронную схему преобразователя, расположенную в корпусе, при этом электронная схема преобразователя выполнена с возможностью приема и обработки сигнала давления с датчика давления. Технический результат – увеличение емкости датчика давления, за счет чего повышается диапазон измерений и улучшается значение сигнал-шум. 3 н. и 29 з.п. ф-лы, 5 ил.