Датчик абсолютного давления повышенной точности на основе полупроводникового чувствительного элемента с жестким центром

Авторы патента:

Васильев Валерий Анатольевич (RU)

Москалев Сергей Александрович (RU)

G01L9/04 - резисторных тензометров

Владельцы патента RU 2507490:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенский государственный университет" (ПГУ) (RU)

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления в жидких и газообразных агрессивных средах. Датчик абсолютного давления содержит корпус со штуцером, герметизирующую контактную колодку, металлическую мембрану, несжимаемую жидкость, полупроводниковый чувствительный элемент, состоящий из стеклянного основания и квадратного профилированного полупроводникового кристалла, в центре тонкой части которого сформирован жесткий центр квадратной формы, на рабочей части полупроводникового кристалла сформирована мостовая измерительная цепь, состоящая из четырех тензорезисторов. Размер жесткого центра определяется из соотношения: $l_{ж . ц .} >^{h_{ж . ц .}} /_{1,432} .$ Центры одних тензорезисторов, включенных в противоположные плечи мостовой измерительной цепи и воспринимающих относительные положительные деформации, расположены на расстоянии от центра кристалла, определенном из соотношения

Центры других тензорезисторов, включенных в противоположные плечи мостовой измерительной цепи и воспринимающих относительные отрицательные деформации, расположены на расстоянии от центра кристалла, определенном из соотношения

7 ил., 2 табл.

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления жидких и газообразных агрессивных сред.

Известна конструкция датчика давления с чувствительным элементом на основе структуры «кремний на сапфире» [1], который жестко соединен высокотемпературным стеклоприпоем с керамической чашкой (с образованием полости) и установлен методом поверхностного монтажа на герметично закрепленную между корпусом и крышкой эластичную гофрированную мембрану, содержащую токоведущие дорожки. При деформации сформированных на чувствительном элементе тензорезисторов, включенных в мостовую измерительную цепь, на ее выходе возникает электрический сигнал, прямо пропорциональный приложенному измеряемому давлению.

Известна конструкция чувствительного элемента датчика давления мембранного типа [2], представляющая собой монокристаллический кремниевый кристалл n-типа проводимости, планарная сторона которого ориентирована по кристаллографической плоскости (100) с углублением на тыльной стороне кристалла, образующим квадратную в плане мембрану. На планарной стороне мембраны сформированы четыре однополосковых тензорезистора p-типа проводимости таким образом, что их продольные оси параллельны одной из главных осей мембраны, совпадающей с кристаллографическим направлением [110].

Известна конструкция полупроводникового датчика абсолютного давления, чувствительный элемент которого выполнен в виде монокристаллической кремниевой пластины, с одной рабочей стороны которой сформированы диффузионные резисторы и герметично присоединена защитная крышка с вакуумной полостью, со второй стороны выполнено углубление, образующее мембрану под тензорезисторами, на мембране сформирован жесткий центр [3].

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является конструкция полупроводникового датчика абсолютного давления, выбранного в качестве прототипа [4]. Такой датчик содержит корпус со штуцером, герметизирующую контактную колодку, металлическую мембрану, несжимаемую жидкость, полупроводниковый чувствительный элемент, состоящий из стеклянного основания и профилированного полупроводникового кристалла (квадратного), в центре тонкой части которого сформирован жесткий центр (квадратной формы). Профилированный полупроводниковый кристалл соединен электростатическим способом со стеклянным основанием в вакууме, между ними образована вакуумированная полость, обеспечивающая измерение абсолютных давлений. На рабочей части чувствительного элемента сформированы тензорезисторы, объединенные в мостовую измерительную цепь.

Существенные признаки прототипа, общие с заявленным устройством, следующие: корпус со штуцером, герметизирующая контактная колодка, металлическая мембрана, несжимаемая жидкость.

Общим недостатком конструкций чувствительных элементов датчиков давления, описанных в [1-4], является сравнительно большая нелинейность измерительной цепи, которая обусловлена тем, что расположенные на кристалле тензорезисторы, воспринимающие относительные положительные деформации, и тензорезисторы, воспринимающие относительные отрицательные деформации, неодинаково деформируются. Вследствие этого происходит неодинаковое изменение сопротивлений тензорезисторов смежных плеч мостовой измерительной цепи. Появляется погрешность от нелинейности мостовой измерительной цепи, снижающая точность измерения. Нелинейность измерительной цепи датчика зависит от коэффициента симметрии k и относительных изменений сопротивлений плеч измерительной цепи ε₁, ε₂, ε₃, ε₄ [5]. Для тензорезисторных датчиков, у которых относительное изменение сопротивления одного плеча обычно не превышает 0,01, при k=1 величина нелинейности составляет ~ 0,3÷0,6%, если рабочими являются два плеча. Кроме того, известные технические решения не обеспечивают высокую чувствительность (из-за неоптимального расположения тензорезисторов на кристалле), технологичность (из-за отсутствия возможности оптимального расположения тензорезисторов при различных отношениях размера жесткого центра квадратной формы к размеру тонкой части квадратного полупроводникового чувствительного элемента) и надежность (из-за возможности разрушения тонкой части полупроводникового кристалла при воздействии перегружающих давлений).

Целью изобретения является повышение точности за счет уменьшения нелинейности измерительной цепи датчика.

Данная цель достигается тем, что в известном датчике абсолютного давления, содержащем корпус со штуцером, герметизирующую контактную колодку, металлическую мембрану, несжимаемую жидкость, полупроводниковый чувствительный элемент, состоящий из стеклянного основания и квадратного профилированного полупроводникового кристалла, в центре тонкой части которого сформирован жесткий центр квадратной формы, на рабочей части полупроводникового кристалла сформирована мостовая измерительная цепь, состоящая из четырех тензорезисторов, в соответствии с предлагаемым решением, размер жесткого центра определен из соотношения:

где h_ж.ц. - толщина жесткого центра, которая выбрана из соотношения:

где h_т.ч. - толщина тонкой части полупроводникового кристалла, при этом центры одних тензорезисторов, включенных в противоположные плечи мостовой измерительной цепи и воспринимающих относительные положительные деформации, расположены на расстоянии от центра кристалла, определенном из соотношения:

где L_т.ч. - размер тонкой части полупроводникового кристалла;

r₁(L_т.ч., l_ж.ц.) - относительное расстояние до места расположения центров тензорезисторов, воспринимающих относительные положительные деформации;

l_ж.ц. - размер жесткого центра, размещенного в центре тонкой части полупроводникового кристалла;

k - полиномиальный коэффициент, принимающий значения в соответствии с таблицей 1;

нижний индекс i - индекс, определяющий полиномиальный коэффициент в соответствии с таблицей 1;

верхний индекс i - степень, в которую возводится переменная $\frac{l_{ж . ц .}}{L_{т . ч .}}$ в соответствии с таблицей 1;

Таблица 1
индекс i	коэффициент k_i
0	0,904
1	0,048
2	0,061

а центры других тензорезисторов, включенных в противоположные плечи мостовой измерительной цепи и воспринимающих относительные отрицательные деформации, расположены на расстоянии от центра кристалла, определенного из соотношения:

где r₂(L_т.ч., l_ж.ц.) - относительное расстояние до места расположения центров тензорезисторов, воспринимающих относительные отрицательные деформации;

l - полиномиальный коэффициент, принимающий значения в соответствии с таблицей 2;

нижний индекс i - индекс, определяющий полиномиальный коэффициент в соответствии с таблицей 2;

верхний индекс i - степень, в которую возводится переменная $\frac{l_{ж . ц .}}{L_{т . ч .}}$ в соответствии с таблицей 2;

Таблица 2
индекс i	коэффициент l_i
0	0,079
1	0,936
2	-0,031

На фиг.1 показана конструкция предлагаемого датчика абсолютного давления повышенной точности. Датчик содержит корпус 1 со штуцером 2, герметизирующую контактную колодку 3, металлическую мембрану 4, несжимаемую жидкость 5, полупроводниковый чувствительный элемент 6. Несжимаемая жидкость заливается через трубку 7, расположенную в контактной колодке 3.

На фиг.2 показана 3D-модель полупроводникового чувствительного элемента датчика абсолютного давления, состоящего из профилированного полупроводникового кристалла 8, соединенного электростатическим способом со стеклянным основанием 9 в вакууме. На тонкой части 10 полупроводникового кристалла 8 сформирован жесткий центр 11. Между полупроводниковым кристаллом 8 и стеклянным основанием 9 находится вакуумированная полость 12, обеспечивающая измерение абсолютного давления.

На рабочей части полупроводникового кристалла 8 сформирована мостовая измерительная цепь 13 (фиг.3,а), состоящая из четырех идентичных тензорезисторов 14-17 (фиг.3,б). Центры тензорезисторов 14, 16, воспринимающих относительные положительные деформации, расположены на расстоянии R₁ от центра кристалла, определенного из соотношения (3), а центры тензорезисторов 15, 17, воспринимающих относительные отрицательные деформации, расположены на расстоянии R₂ от центра кристалла, определенного из соотношения (4).

Рассмотрим пример.

Возьмем размер тонкой части полупроводникового кристалла L_т.ч.=2,5 мм, толщину тонкой части полупроводникового кристалла h_т.ч.=30 мкм.

В соответствии с выражением (2) определим минимальную толщину жесткого центра:

h_ж.ц.≥4·h_т.ч.=4·30 мкм=120 мкм.

Примем h_ж.ц.=200 мкм. В соответствии с выражением (1) определим минимальный размер жесткого центра:

Примем l_ж.ц.=1 мм.

Подставив значения в формулу (3), получим:

При этом относительное расстояние $r_{1} = \frac{2 R_{1}}{L_{т . ч .}} = \frac{2 \cdot 1,166 м м}{2,5 м м} = 0,933$

Аналогично вычислим расстояние R₂ в соответствии с формулой (4) и таблицей 2.

При этом относительное расстояние $r_{2} = \frac{2 R_{2}}{L_{т . ч .}} = \frac{2 \cdot 0,561 м м}{2,5 м м} = 0,449$

Соотношение для размера жесткого центра l_ж.ц. в соответствии с (1) определено исходя из того, что минимальный размер жесткого центра не может быть меньше, чем отношение толщины жесткого центра h_ж.ц. к тангенсу 6 угла α=54,4° - угла травления кремния [6], умноженное на 2 (фиг.3,а), т.е.

Соотношение для минимальной толщины жесткого центра h_ж.ц. в соответствии с (2) было получено в результате моделирования деформаций методом конечных элементов. При определенных значениях размера тонкой части полупроводникового кристалла L_т.ч., размера жесткого центра, размещенного в центре тонкой части полупроводникового кристалла, l_ж.ц., толщины тонкой части полупроводникового кристалла h_т.ч. изменялась толщина жесткого центра h_ж.ц. и фиксировались данные о максимальных относительных положительных деформациях и максимальных относительных отрицательных деформациях. По полученным данным были построены зависимости абсолютных значений максимальных относительных положительных деформаций 18 и максимальных относительных отрицательных деформаций 19 от отношения толщины жесткого центра h_ж.ц. к толщине тонкой части полупроводникового кристалла h_т.ч. (фиг.4). Из данных зависимостей установлено, что при выполнении соотношения (2) максимальные относительные положительные деформации и максимальные относительные отрицательные деформации принимают постоянные значения.

Соотношения для относительных расстояний расположения тензорезисторов r₁ и r₂, входящие в формулы (3) и (4), были получены в результате моделирования деформаций методом конечных элементов. При определенных значениях толщины тонкой части полупроводникового кристалла h_т.ч., толщины жесткого центра h_ж.ц., удовлетворяющей условию (2), размера тонкой части полупроводникового кристалла L_т.ч. изменялись значения размера жесткого центра l_ж.ц. в диапазоне от значения, удовлетворяющего условию (1), и до значения, стремящегося к размеру тонкой части полупроводникового кристалла L_т.ч., и определялись значения относительных деформаций на границе тонкой части, т.е. на расстоянии L_т.ч./2, значения относительных деформаций на границе жесткого центра, т.е. на расстоянии l_ж.ц./2, а также значение расстояния от центра кристалла, где относительные отрицательные деформации принимают максимальное значение. На фиг.5 показаны зависимости относительных деформаций ε на рабочей части полупроводникового кристалла 8 при изменении отношения размера жесткого центра l_ж.ц. к размеру тонкой части мембраны l_т.ч., где кривая 20 - значения относительных деформаций на границе тонкой части полупроводникового кристалла, т.е. на расстоянии L_т.ч./2 от центра кристалла; кривая 21 - значения модуля относительных отрицательных деформаций на границе жесткого центра, т.е. на расстоянии l_ж.ц./2 от центра кристалла; кривая 22 - значения модуля максимальных относительных отрицательных деформаций на некотором расстоянии от центра кристалла. Было установлено, что относительные деформации 20 и 21 на границах тонкой части и жесткого центра полупроводникового кристалла имеют различные значения, следовательно, размещение тензорезисторов в данных местах приводит к повышению нелинейности мостовой измерительной цепи датчика. Значения максимальных относительных отрицательных деформаций 22 находятся на некотором отдалении от жесткого центра. Затем определялись значения расстояний от центра кристалла, где относительные отрицательные деформации принимают максимальное значение, а относительные положительные деформации принимают значение, равное по модулю максимальным относительным отрицательным деформациям. Полученные данные аппроксимировались полиномом в диапазоне от значения, удовлетворяющего условию (1), и до значения, стремящегося к размеру тонкой части полупроводникового кристалла L_т.ч., в итоге были получены выражения (3) и (4).

На фиг.6 показана зависимость относительного расстояния r₂, где относительные отрицательные деформации принимают максимальное значение, от отношения размера жесткого центра к размеру тонкой части полупроводникового кристалла, полученные в результате моделирования деформаций методом конечных элементов (23), и по формуле (4) (кривая 24).

На фиг.7 показана зависимость относительного расстояния r₁, где относительные положительные деформации принимают значение, равное по модулю максимальным относительным отрицательным деформациям, от отношения размера жесткого центра к размеру тонкой части полупроводникового кристалла, полученные в результате моделирования деформаций методом конечных элементов (25), и по формуле (3) (кривая 26).

Датчик давления работает следующим образом. Измеряемое давление воздействует на металлическую мембрану 4, передающую воздействие давления через несжимаемую жидкость 5 полупроводниковому чувствительному элементу 6 (фиг.1), состоящему из профилированного полупроводникового кристалла 8, соединенного электростатическим способом со стеклянным основанием 9 в вакууме (фиг.2). В результате того, что на тонкой части 10 полупроводникового кристалла 8 сформирован жесткий центр 11, размер l_ж.ц. которого определен из условия (1), а толщина жесткого центра h_ж.ц. определена из условия (2), повышается надежность датчика, т.к. при воздействии перегружающих давлений жесткий центр 11 опирается на стеклянное основание 9 и, тем самым, предотвращается разрушение тонкой части 10 полупроводникового кристалла 8. В результате воздействия давления на рабочей части полупроводникового кристалла 8 возникают деформации, которые воспринимаются тензорезисторами 14-17 (фиг.3,б), включенными в мостовую измерительную цепь 13 (фиг.3,а). Изменение сопротивлений тензорезисторов преобразуется мостовой измерительной цепью в выходное напряжение. В связи с размещением центров тензорезисторов 15, 17, воспринимающих относительные отрицательные деформации, на расстоянии R₁ от центра кристалла, определенного из соотношения (4), они оказываются расположенными в зоне максимальных относительных отрицательных деформаций. Так как центры тензорезисторов 14, 16, воспринимающих относительные положительные деформации, расположены на расстоянии R₁ от центра кристалла, определенного из соотношения (3), они оказываются в зоне относительных положительных деформаций по абсолютному значению, равных максимальным относительным отрицательным деформациям. Благодаря такому размещению тензорезисторов уменьшена нелинейность мостовой измерительной цепи датчика, за счет этого повышена точность датчика по сравнению с прототипом.

Кроме того, точность датчика повышается за счет повышения чувствительности, поскольку тензорезисторы 15 и 17 расположены в зоне максимальных относительных отрицательных деформаций, а тензорезисторы 14 и 16 - в зоне равных им относительных положительных деформаций, при этом относительные изменения сопротивлений тензорезисторов 15, 17 и 14, 16 складываются в мостовой измерительной цепи. В предлагаемом техническом решении обеспечивается высокая чувствительность благодаря оптимальному расположению тензорезисторов на кристалле. Предлагаемый датчик давления повышенной точности на основе полупроводникового чувствительного элемента с жестким центром обладает повышенной технологичностью, поскольку представляется возможным заранее определять оптимальное расположение тензорезисторов при различных отношениях размера жесткого центра квадратной формы к размеру тонкой части квадратного полупроводникового чувствительного элемента. Также предлагаемый датчик давления обладает повышенной надежностью, поскольку исключается возможность разрушения тонкой части полупроводникового кристалла при воздействии перегружающих давлений.

Таким образом, благодаря отличительным признакам изобретения повышается точность датчика за счет улучшения линейности выходной характеристики, обеспечивается высокая чувствительность и технологичность, путем размещения тензорезисторов оптимальным образом при различных отношениях размера жесткого центра квадратной формы к размеру тонкой части квадратного полупроводникового чувствительного элемента.

Источники информации

1. Стефанович В.А., Лебедев Г.Б., Нелина С.Н. Датчик давления // Пат. 2392592 Российская Федерация, МПК G01L 9/04. / Заявка 2009116703/28 от 30.04.2009; опубл. 20.06.2010.

2. Беликов Л.В., Разумихин В.М. Чувствительный элемент мембранного типа // Пат. 93027803 Российская Федерация, МПК G01L 9/04. / Заявка 93027803/10 от 18.05.1993; опубл. 27.12.1995.

3. Данилова Н.Л., Панков В.В., Суханов В.С. Микроэлектронный датчик абсолютного давления и чувствительный элемент абсолютного давления // Пат. 2362133 Российская Федерация, МПК G01L 9/04, H01L 29/84. / Заявка 2007148423/28 от 27.12.2007; опубл. 20.07.2009.

4. Баринов И.Н. Полупроводниковые тензорезистивные датчики давления на основе КНД-структуры / Компоненты и технологии. 2009, №5. - С.12.-15.

5. Васильев В.А., Тихонов А.И. Анализ и синтез измерительных цепей преобразователей информации на основе твердотельных структур // Метрология. - М., 2003. - №1. - С.3-20.

6. Распопов В.Я. Микромеханические приборы / Тульский Государственный университет - Тула, 2002 - 392 с.

Датчик абсолютного давления повышенной точности, содержащий корпус со штуцером, герметизирующую контактную колодку, металлическую мембрану, несжимаемую жидкость, полупроводниковый чувствительный элемент, состоящий из стеклянного основания и квадратного профилированного полупроводникового кристалла, в центре тонкой части которого сформирован жесткий центр квадратной формы, на рабочей части полупроводникового кристалла сформирована мостовая измерительная цепь, состоящая из четырех тензорезисторов, отличающийся тем, что размер жесткого центра определен из соотношения:

где h_ж.ц. - толщина жесткого центра, которая выбрана из соотношения:

где h_т.ч. - толщина тонкой части полупроводникового кристалла, при этом центры одних тензорезисторов, включенных в противоположные плечи мостовой измерительной цепи и воспринимающих относительные положительные деформации, расположены на расстоянии от центра кристалла, определенном из соотношения:

где L_т.ч. - размер тонкой части полупроводникового кристалла;
r₁ (L_т.ч., l_ж.ц.) - относительное расстояние до места расположения центров тензорезисторов, воспринимающих относительные положительные деформации;
l_ж.ц. - размер жесткого центра, размещенного в центре тонкой части полупроводникового кристалла;
k - полиномиальный коэффициент, принимающий значения в соответствии с таблицей 1;
нижний индекс i - индекс, определяющий полиномиальный коэффициент в соответствии с таблицей 1;
верхний индекс i - степень, в которую возводится переменная в соответствии с таблицей 1;

Таблица 1
индекс i	коэффициент k_i
0	0,904
1	0,048
2	0,061

где r₂(L_т.ч., l_ж.ц.) - относительное расстояние до места расположения центров тензорезисторов, воспринимающих относительные отрицательные деформации;
l - полиномиальный коэффициент, принимающий значения в соответствии с таблицей 2;
нижний индекс i - индекс, определяющий полиномиальный коэффициент в соответствии с таблицей 2;
верхний индекс i - степень, в которую возводится переменная

в соответствии с таблицей 2,

Таблица 2
индекс i	коэффициент l_i
0	0,079
1	0,936
2	-0,031

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к тензорезисторным датчикам давления на основе тонкопленочных нано- и микроэлектромеханических систем (НиМЭМС) с мостовой измерительной цепью, предназначенных для использования в системах управления, контроля и диагностики объектов длительного функционирования.

Преобразователь давления // 2502970

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано при разработке полупроводниковых датчиков давления, выполненных по технологии МЭМС (микроэлектромеханические системы).

Способ измерения давления, калибровки и датчик давления на основе нано- и микроэлектромеханической системы // 2498250

Изобретение относится к измерительной технике. В способе измерения давления с использованием тензорезисторного датчика давления на основе нано- и микроэлектромеханической системы (НиМЭМС), в режиме измерения значение измеренного давления Pi вычисляют путем бигармонической сплайн интерполяции по контрольным точкам, исходя из сохраненного на этапе калибровки вектор-столбца W(Pэ, Uiz, Upt, X1…Xn) по формуле: Pi=GT×W, где GT - транспонированный вектор-столбец G; символ «×» обозначает матричное произведение.

Способ изготовления тензорезисторного датчика давления на основе тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системы // 2498249

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к тензорезисторным датчикам давления на основе тонкопленочных нано- и микроэлектрических систем (НиМЭМС) с мостовой измерительной пенью, предназначенных для использования в системах управления, контроля и диагностики объектов длительного функционирования.

Устройство для измерения давления // 2492439

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении давлений измерительными устройствами, построенными на базе тензорезисторных мостов.

Способ изготовления датчика давления на основе тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системы // 2488082

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к тензорезисторным датчикам давления на основе тонкопленочных нано- и микроэлектрических систем с мостовой измерительной цепью, предназначенным для использования в системах управления, контроля и диагностики технически сложных объектов длительного функционирования.

Способ изготовления высокостабильного датчика давления на основе тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системы // 2487328

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к тензорезисторным датчикам давления на основе тонкопленочных нано- и микроэлектрических систем (НиМЭМС) с мостовой измерительной цепью, предназначенным для использования в системах управления, контроля и диагностики технически сложных объектов длительного функционирования.

Способ измерения давления, способ калибровки и датчик давления на основе нано- и микроэлектромеханической системы // 2484435

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении давления жидких и газообразных средств. .

Датчик давления на основе нано- и микроэлектромеханической системы повышенной точности и надежности // 2480723

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления жидких и газообразных агрессивных сред в условиях воздействия нестационарных тепловых полей.

Датчик абсолютного давления // 2477846

Изобретение относится к измерительным приборам и может быть использовано для измерения малых величин абсолютных давлений. .

Высокотемпературный полупроводниковый преобразователь давления // 2507491

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в разработке и изготовлении малогабаритных полупроводниковых преобразователей давления, работоспособных при повышенных температурах. Полупроводниковый преобразователь давления содержит мембрану с профилем, представляющим собой сочетание утонченных участков и жестких центров с концентраторами механических напряжений в месте расположения тензорезисторов. Мембрана имеет толщину, равную высоте тензорезисторов, поверхность которых покрыта слоем двуокиси кремния. Тензорезисторы сформированы на закрепленном на мембране слое двуокиси кремния и выполнены из кремния. Тензорезисторы объединены с помощью коммутационных шин в мостовую измерительную схему. Слой двуокиси кремния расположен под тензорезисторами и коммутационными шинами. Поверхность мембраны со стороны тензорезисторов покрыта изолирующим слоем нелегированного карбида кремния вокруг тензорезисторов толщиной не менее высоты тензорезисторов. На периферии мембраны расположена схема температурной компенсации, состоящая из терморезисторов, имеющих соединенные с ними металлизированные контактные площадки для включения в мостовую схему. Техническим результатом является повышение точности преобразователя в диапазоне высоких температур. 1 ил.

Способ изготовления тензорезисторного датчика давления на основе тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системы // 2512142

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к датчикам давления на основе тонкопленочных нано- и микроэлектрических систем (НиМЭМС), предназначенных для использования в системах управления, контроля и диагностики объектов длительного функционирования. Способ изготовления заключается в полировании поверхности мембраны, формировании на ней диэлектрической пленки и тензоэлементов с низкоомными перемычками и контактными площадками между ними с использованием шаблона тензочувствительного слоя, имеющего конфигурацию тензоэлементов в зонах, совмещаемых с низкоомными перемычками и контактными площадками. При этом формирование тензоэлементов с низкоомными перемычками и контактными площадками между ними проводят в областях, в которых воздействующие на них при эксплуатации деформации и температуры удовлетворяют соответствующему соотношению. После формирования измеряют размеры и площадь элементов и переходов НиМЭМС с учетом количества, размеров и распределения дефектов, затем вычисляют по ним критерий временной стабильности по соответствующему соотношению. Если критерий временной стабильности меньше, чем предельно допустимое значение критерия временной стабильности, которое определяется экспериментальным путем по статистическим данным для конкретного типоразмера датчика, то данную сборку передают на последующие операции. Технический результат заключается в повышении временной стабильности, ресурса и срока службы. 2 ил.

Способ измерения давления и интеллектуальный датчик давления на его основе // 2515079

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении давления жидких и газообразных сред. Заявленная группа изобретений включает способ измерения давления с использованием тензорезисторного датчика давления на основе нано- и микроэлектромеханической системы (НиМЭМС) и интеллектуальный датчик давления на основе НиМЭМС. При этом в способе измерения давления, в режиме калибровки и измерения одновременно регистрируют данные напряжений между узлами питающей диагонали Upt, между одним узлом питающей диагонали и каждым из узлов измерительной диагонали (Uiz1, Uiz2). В режиме калибровки сохраняют данные для вычисления напряжений Uiz1, Uiz2, а в режиме измерения вычисляют измеренное значение давления Р исходя из напряжений питающей диагонали Upt и измерительной диагонали Uiz=Uiz1-Uiz2 и сохраненных на этапе калибровки данных. Затем вычисляют напряжения между узлом питающей диагонали и каждым из узлов измерительной диагонали, исходя из величины измеренного значения давления Р, напряжения питающей диагонали Upt и сохраненных на этапе калибровки данных, определяют разницу между вычисленными и измеренными значениями напряжений Uiz1, Uiz2. Если эта разница превышает значение критерия стабильности, то принимается решение о недостоверности результата измерения давления. Интеллектуальный датчик давления на основе НиМЭМС, реализующий предлагаемый способ измерения давления, содержит мостовую измерительную цепь из тензорезисторов, источник тока, три аналого-цифровых преобразователя, вычислительное устройство, постоянное запоминающее устройство и цифровой интерфейс, причем вычислительное устройство блока самоконтроля, второй, третий и четвертый входы которого соединены с первым, вторым и третьим выходами блока преобразования кода АЦП в численное значение напряжения, а пятый вход соединен с четвертым входом вычислительного устройства. Задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности результата измерения путем введения самоконтроля датчика и осуществления проверки достоверности измерения давления за счет сравнения измеренных и вычисленных значений напряжений между одним узлом питающей диагонали и каждым из узлов измерительной диагонали. Техническим результатом изобретения является повышение надежности результата измерения путем введения самоконтроля датчика и осуществления проверки достоверности измерения давления за счет сравнения измеренных и вычисленных значений напряжений между одним узлом питающей диагонали и каждым из узлов измерительной диагонали. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

Датчик давления на основе нано- и микроэлектромеханической системы для прецизионных измерений // 2516375

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для прецизионных измерений давления жидких и газообразных сред. Сущность: датчик содержит корпус, установленную в нем нано- и микроэлектромеханическую систему (НиМЭМС), состоящую из упругого элемента в виде мембраны с жестким центром, заделанной по контуру в опорное основание, образованной на ней гетерогенной структуры из тонких пленок материалов, герметизирующей контактной колодки и соединительных проводников. Сформированные в гетерогенной структуре радиальные тензорезисторы, установленные по двум окружностям, состоят из идентичных тензоэлементов в форме квадратов, соединенных тонкопленочными перемычками и включенных в мостовую измерительную цепь. Центры первых и вторых тензоэлементов размещены по окружностям с радиусами, определенными по соответствующим соотношениям. Между мембраной и жестким центром, а также мембраной и опорным основанием выполнены закругления с определенным радиусом. Технический результат: повышение точности и технологичности. 1 табл., 9 ил.

Датчик давления // 2523754

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для измерения давления при автоматизации контроля технологических процессов. Техническим результатом изобретения является уменьшение температурной погрешности и повышение быстродействия. Технический результат достигается тем, что в датчике давления выходы источника стабилизированного питания сенсорного моста соединены с входами АЦП и сенсорного моста, выходы сенсорного моста соединены с входами нормирующего усилителя. Выход сумматора соединен с входом нормирующего усилителя, выход нормирующего усилителя соединен с входом ЦАП1, выход которого соединен с входом безынерционного устройства компенсации основной погрешности, а его выход - с входом формирователя выходного сигнала напряжений питания и опорного напряжения. Один выход формирователя выходного сигнала напряжений питания и опорного напряжения соединен с входом источника стабилизированного питания сенсорного моста, второй выход соединен с входом ЦАП2 и вторым входом АЦП, а третий выход формирователя выходного сигнала напряжений питания и опорного напряжения соединен со вторым входом сумматора. Выход АЦП соединен с входом микроконтроллера, выходы которого соединены со вторыми входами ЦАП1 и ЦАП2. 1 ил.

Высокотемпературный полупроводниковый преобразователь давления // 2526788

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к преобразователям малых давлений высокотемпературных сред, и может быть использовано в разработке и изготовлении малогабаритных полупроводниковых преобразователей давления, работоспособных при повышенных температурах. Полупроводниковый преобразователь давления содержит мембрану с утолщенным периферийным основанием. Мембрана имеет толщину, равную толщине тензорезисторов, сформированных на закрепленном на мембране слое. Тензорезисторы объединены с помощью коммутационных шин, имеющих соединенные с ними металлизированные контактные площадки, в мостовую измерительную схему. Мембрана содержит профиль с концентраторами механических напряжений в местах расположения тензорезисторов, который представляет собой сочетание утонченных участков и жестких центров. Мембрана и тензорезисторы выполнены из поликристаллического алмаза одного типа проводимости, а закрепленный на мембране слой выполнен из поликристаллического алмаза другого типа проводимости. Техническим результатом изобретения является расширение температурного диапазона измерений и уменьшение температурной погрешности. 1 ил.

Высокотемпературный полупроводниковый преобразователь давления на основе структуры "поликремний-диэлектрик" // 2531549

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности, к преобразователям малых давлений и может быть использовано в разработке и изготовлении малогабаритных полупроводниковых преобразователей давления, работоспособных при повышенных температурах. Сущность: полупроводниковый преобразователь давления содержит упругий элемент (1), выполненный из кремния с поверхностью, покрытой изолирующим слоем двуокиси кремния (2), на котором сформированы тензорезисторы (3) из поликристаллического кремния, объединенные при помощи коммутационных шин (4) в многоэлементную мостовую схему (5). Схема (5) содержит три измерительных моста, каждый из которых состоит из четырех тензорезисторов (6) одинакового номинала, и четыре дополнительных тензорезистора (7), номинальное сопротивление которых в четыре раза меньше сопротивления тензорезисторов (6). Узлы измерительных диагоналей каждого моста последовательно соединены между собой, а дополнительные тензорезисторы (7) включены в цепи питания первого и третьего мостов таким образом, что они образуют разомкнутый измерительный мост, плечи которого подключены к трем замкнутым мостам. Выходное напряжение схемы снимается с крайних узлов измерительной диагонали первого и третьего мостов. Технический результат: повышение точности и чувствительности преобразователя в диапазоне высоких температур. 2 ил.

Способ изготовления тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системы датчика механических величин // 2544864

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в технологии изготовления малогабаритных тонкопленочных датчиков механических величин, работоспособных в широком диапазоне температур. Изобретение позволяет расширить температурный диапазон работы датчика на основе тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системы, повысить воспроизводимость таких параметров тензорезисторов, как электрическое сопротивление и температурный коэффициент сопротивления (ТКС), снизить температурную чувствительность датчиков. Способ изготовления тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системы высокотемпературного датчика механических величин заключается в том, что на планарной стороне упругого элемента методами вакуумного распыления образуют гетерогенную структуру из нано- и микроразмерных пленок материалов, содержащую тонкопленочные диэлектрические, тензорезистивные и контактные слои, формируют тензорезисторы, контактные проводники и контактные площадки к ним. Тензорезистивный слой формируют методом магнетронного распыления в вакуумной камере с одновременным использованием двух мишеней из никеля и титана. Упругий элемент со сформированным на нем диэлектрическим слоем устанавливают на карусель, нагревают, создают давление аргона, а затем вращают карусель с упругим элементом, при этом задают определенные плотности токов в зонах распыления мишеней. После этого упругий элемент выдерживают в вакууме при повышенной температуре. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

Способ измерения давления // 2544886

Изобретение относится к измерительной технике и направлено на повышение точности измерения и стабильности технических характеристик датчиков давления. Способ измерения давления заключается в размещении датчика давления на основе тензорезистивного моста в исследуемую среду, регистрации напряжений с питающей и измерительной диагоналей моста, их преобразовании в аналоговый сигнал постоянного тока и определении по этим сигналам давления. Напряжение питания периодически изменяют путем кратковременной смены его полярности, а измерение давления осуществляют во время периодической кратковременной смены полярности напряжения питания. После кратковременной смены полярности напряжения питания осуществляют возврат полярности на первоначальную, после чего осуществляют измерение давления. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения и стабильности технических характеристик датчика давления. 1 ил.

Способ изготовления тензорезисторного датчика давления на основе тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системы // 2545314

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к тензорезисторным датчикам давления на основе тонкопленочных нано- и микроэлектромеханических систем (НиМЭМС) с мостовой измерительной цепью. Техническим результатом изобретения является повышение временной стабильности, ресурса, срока службы, уменьшение погрешности при воздействии нестационарных температур и повышенных виброускорений. Способ изготовления тензорезисторного датчика давления заключается в полировании поверхности мембраны, формировании на ней диэлектрической пленки и тензоэлементов с низкоомными перемычками и контактными площадками между ними с использованием шаблона тензочувствительного слоя в виде полос, присоединении выводных проводников к контактным площадкам в областях, удаленных от полос участков, подключении к выходу НиМЭМС регистратора, включении напряжения НиМЭМС, создании на мембране нормированного нестационарного, симметричного относительно центра мембраны поля температур и температурных деформаций. Регистрируют на регистраторе выходного сигнала НиМЭМС во время воздействия на мембрану нестационарное поле температур и температурных деформаций. Сравнивают полученный выходной сигнал испытуемой НиМЭМС по амплитуде спектральных составляющих с аналогичным сигналом эталонной НиМЭМС. Если разницы амплитуд выходных сигналов или амплитуд спектральных составляющих выходных сигналов не превышают предельно допустимых значений, которые принимаются за критерии временной стабильности, то данную сборку передают на последующие операции. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.