Датчик давления на основе нано- и микроэлектромеханической системы балочного типа

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давлений жидких и газообразных агрессивных сред в условиях воздействия широкого диапазона стационарных и нестационарных температур. Устройство содержит корпус, установленную в нем нано- и микроэлектромеханическую систему (НиМЭМС), состоящую из мембраны с силопередающим штоком, соединенным с балкой, имеющей отверстия и прорези, на плоской поверхности которой образована гетерогенная структура из тонких пленок материалов, контактной колодки, соединительных проводников. B гетерогенной структуре НиМЭМС сформированы тензорезисторы, которые состоят из идентичных тензоэлементов, соединенных тонкопленочными перемычками, включенными в мостовую измерительную цепь. Тензоэлементы выполнены в форме двух трапеций, соединенных между собой малыми основаниями по линии их центра. При этом размещение тензоэлементов на плоской поверхности балки связано определенными соотношениями. Технический результат заключается в повышении точности и чувствительности датчика. 4 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при изготовлении датчиков повышенной точности и чувствительности для измерения давлений жидких и газообразных агрессивных сред в условиях воздействия широкого диапазона стационарных и нестационарных температур.

Современные тонкопленочные тензорезисторные датчики давления относятся к изделиям нано- и микросистемной техники [1, 2], они содержат нано- и микроэлектромеханические системы (НиМЭМС), состоящие из упругого элемента (УЭ) простой (мембрана, стержень, балка и т.п.) или сложной формы (две мембраны, соединенные между собой штоком; мембрана, соединенная со стержнем; балка с отверстиями и прорезями и др.), гетерогенной структуры, герметизирующей контактной колодки, соединительных проводников. Гетерогенная структура состоит из нано- и микроразмерных тонкопленочных диэлектрических, тензорезистивных, терморезистивных, контактных и других слоев, сформированных на балке с отверстиями и прорезями. В случае металлической балки высота ее микронеровностей составляет не более 50 - 100 нм. По данным последних исследований толщина тензорезистивного слоя может иметь 40 - 100 нм. Образованные в гетерогенной структуре элементы (тензорезисторы, терморезисторы, контактные проводники и др.) объединяются в измерительную цепь.

Известны тензорезисторные датчики давления на основе нано- и микроэлектромеханической системы с упругим элементом в виде балки, на которой установлены тензорезисторы, объединенные в мостовую измерительную цепь [3, 4]. Их общим недостатком является недостаточно высокая точность и чувствительность вследствие неоптимального расположения тензорезисторов на поверхности балки, конструкции балки.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является датчик давления на основе нано- и микроэлектромеханической системы балочного типа, содержащий корпус, установленную в нем нано- и микроэлектромеханическую систему (НиМЭМС, состоящую из мембраны с силопередающим штоком, соединенным с балкой, имеющей отверстия и прорези, на плоской поверхности которой образована гетерогенная структура из тонких пленок материалов, контактной колодки, соединительных проводников. В гетерогенной структуре НиМЭМС сформированы тензорезисторы, состоящие из идентичных тензоэлементов, соединенных тонкопленочными перемычками, включенными в мостовую измерительную цепь [5]. Практически одинаковая температура тензорезисторов на балке в каждый момент времени вызывает одинаковые изменения сопротивлений тензорезисторов, которые вследствие включения тензорезисторов в мостовую схему взаимно компенсируются, чем обеспечивается устойчивость к воздействию широкого диапазона стационарных и нестационарных температур.

Недостатком прототипа является недостаточно высокая точность и чувствительность из-за неоптимального расположения тензоэлементов (тензорезисторов) на поверхности балки, конструкции балки. При неоптимальном расположении тензоэлементов на плоской поверхности балки, в зонах с разными по абсолютной величине деформациями, происходит неодинаковое изменение сопротивлений тензоэлементов (тензорезисторов) смежных плеч мостовой измерительной цепи, что приводит к возникновению погрешности от нелинейности мостовой измерительной цепи. Нелинейность измерительной цепи датчика зависит от коэффициента симметрии k и относительных изменений сопротивлений плеч мостовой измерительной цепи ε₁, ε₂, ε₃, ε₄ [6].

На фиг.1 показана мостовая измерительная цепь (измерительный мост) с тензорезисторами R1, R2, R3 и R4, которым соответствуют относительные изменения сопротивлений ε₁, ε₂, ε₃, ε₄ при воздействии деформаций. 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, к недостаткам известной конструкции (прототипа) следует отнести то, что при расположении тензоэлементов в зонах не, соответствующих максимальным деформациям, снижается чувствительность, так как относительные изменения сопротивлений тензоэлементов пропорциональны относительным деформациям в зонах их размещения.

Таким образом, прототипу свойственна невысокая точность из-за возникновения погрешности от нелинейности мостовой измерительной цепи и относительно низкой чувствительности.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности датчика давления за счет уменьшения нелинейности и повышения чувствительности.

Техническим результатом изобретения является повышение точности датчика давления за счет уменьшения нелинейности и повышения чувствительности путем оптимального расположения тензоэлементов (тензорезисторов) на плоской поверхности балки НиМЭМС и оптимизации конструкции балки.

Это достигается тем, что в датчике давления на основе нано- и микроэлектромеханической системы балочного типа, содержащем корпус, установленную в нем нано- и микроэлектромеханическую систему (НиМЭМС) состоящую из мембраны с силопередающим штоком, соединенным с балкой, имеющей отверстия и прорези, на плоской поверхности которой образована гетерогенная структура из тонких пленок материалов, контактной колодки, соединительных проводников, в которой сформированные в гетерогенной структуре тензорезисторы состоят из идентичных тензоэлементов, соединенных тонкопленочными перемычками, включенными в мостовую измерительную цепь, в соответствии с предлагаемым изобретением, тензоэлементы выполнены в форме двух трапеций, соединенных между собой малыми основаниями по линии их центра, при этом центры одних тензоэлементов, включенных в противоположные плечи мостовой измерительной цепи, размещены на плоской поверхности балки на расстоянии l₁ от ее середины, которое определено по соотношению l₁=0,326l, а центры других тензоэлементов, включенных в противоположные плечи мостовой измерительной цепи, размещены на плоской поверхности балки на расстоянии L₂ от ее середины, которое определено по соотношению L₂=0,366l, где l - длина балки, причем расстояние от середины балки до первых отверстий определено по соотношению l₃=0,183l, а расстояние от середины балки до вторых отверстий определено по соотношению l₄=0,364l, ширина балки определена по соотношению h=0,182l, диаметр 1-го отверстия определен по соотношению d₁=0,637h, диаметр 2-го отверстия определен по соотношению d₂=0,781h, а прорезь шириной l₅ выполнена на расстоянии l₄ и определена по соотношению l₅=0,671d₂.

На фиг.2 показана конструкция датчика давления на основе нано- и микроэлектромеханической системы балочного типа. Датчик содержит корпус 1 со штуцером 2, установленную в нем НиМЭМС 3 состоящую из мембраны 5 с силопередающим штоком 6, соединенным с балкой 7. Балка 7 (из упругого материала) размещена параллельно диаметру мембраны и закреплена своими краями на дополнительных выступах 8. В балке 7 имеются отверстия 9, 10 и прорези, выполненные по центру отверстий 9.

На фиг.3 показаны: балка 7 (фиг.3а), график зависимости относительной деформации по длине балки (фиг.3б), вид сверху на НиМЭМС 3 датчика (фиг.3в) в разрезе А-А (см. фиг.2).

На плоской поверхности 11 (фиг.3 в) балки 7 (фиг.3 а) образована гетерогенная структура 12 (фиг.3 в) из тонких пленок материалов. НиМЭМС 3 (фиг.2) содержит соединительные проводники 13, идентичные контактные колодки 14 и 15 (фиг.3в). Тензорезисторы 16-19 (см. фиг.4), а также 20-23 (сформированные в гетерогенной структуре 12) состоят из идентичных тензоэлементов, соединенных тонкопленочными перемычками 24, включенными в мостовую измерительную цепь. Тензоэлементы (тензорезисторы) 16-19 и 20-23 выполнены в форме двух трапеций, соединенных между собой малыми основаниями по линии их центра. Центры одних тензоэлементов (тензорезисторов) 16, 17 и 20, 21 (включенных в противоположные плечи мостовой измерительной цепи), размещены на плоской поверхности балки 7 на расстоянии l₁ от ее середины, которое определено по соотношению l₁=0,326·l, а центры других тензоэлементов (тензорезисторов) 18, 19 и 22, 23 (включенных в противоположные плечи мостовой измерительной цепи), размещены на плоской поверхности балки 7 на расстоянии l₂ от ее середины, которое определено по соотношению l₂=0,366·l, где l - длина балки. Расстояние от середины балки до первых отверстий соответствует соотношению l₃=0,183l, а расстояние от середины балки до вторых отверстий соответствует соотношению l₄=0,364l, ширина балки соответствует соотношению l₂=0,182l, диаметр 1-го отверстия соответствует соотношению d₁=0,637h, диаметр 2-го отверстия соответствует соотношению d₂=0,781h, а прорезь шириной l₅ выполнена на расстоянии l₄ и соответствует соотношению l₅=0,671d₂.

Гетерогенная структура 12 может состоять из четырех нано- и микроразмерных слоев, образованных на плоской поверхности балки 7 (в качестве материала балки может быть сталь 36НХТЮ) с высотой микронеровностей не более 50-100 нм (при высоте микронеровностей балки более 100 нм становится принципиально невозможным получение устойчивых тонкопленочных структур, а следовательно, и новых качественных показателей, характерных для датчика).

Первый слой - подслой диэлектрика. Подслой диэлектрика, во-первых, служит демпфером между балкой и диэлектриком для снятия температурных напряжений, возникающих в процессе напыления, а, во-вторых, обеспечивает адгезию диэлектрической пленки с материалом балки. Толщина подслоя равна 150-300 нм. Материалом подслоя диэлектрика может быть хром, Cr.

Второй - диэлектрический слой. Его задачей является обеспечение электрической изоляции между тензосхемой и балкой в широком диапазоне температур. Поэтому к диэлектрику предъявляются жесткие требования по пористости, высокому удельному сопротивлению и, в связи с тем, что он работает при воздействии значительных механических нагрузок, высоким прочностным характеристикам. В качестве диэлектрического слоя может быть тонкопленочная структура SiO-Si0₂.

Третий - резистивный слой. Его толщина составляет 40…100 нм. К нему предъявляются очень жесткие требования: максимальный коэффициент тензочувствительности; высокие механические характеристики; большое удельное сопротивление; высокая температурная стабильность; хорошая адгезия с диэлектрическим слоем и материалом контактных групп; низкое значение температурного коэффициента сопротивления (ТКС); широкий рабочий диапазон температур (от криогенных до 300°C); его температурный коэффициент тензочувствительности (ТКТ) должен быть близок к температурному коэффициенту модуля упругости (ТКМУ) материала балки и др. Материалом резистивного слоя может быть Х20Н75Ю.

Четвертый слой - контактная группа (площадки, перемычки, проводники). К нему предъявляются следующие требования: хорошая адгезия и низкое переходное сопротивление с материалом тензорезистора; низкое удельное сопротивление; малый уровень тепловой и электромиграции; хорошая свариваемость с выводными проводниками при минимальной толщине; широкий диапазон рабочих температур; низкий уровень окисления при воздействии рабочих температур и во времени. Толщина контактных площадок и проводников для исключения отслоения от диэлектрика, особенно при воздействии широкого диапазона температур, должна быть не более 100 нм. В качестве контактной группы может быть структура V-Au.

Датчик давления работает следующим образом. Измеряемое давление приводит к перемещению мембраны 5, с ее помощью давление преобразуется в силу, которая передается силопередающим штоком 6 балке 7. Балка 7 изгибается, деформация балки воспринимается сформированными и расположенными на ней тензоэлементами (тензорезисторами) 16-19, а также 20-23 (образующими мостовые измерительные цепи). При действии давления на мембрану 5 (фиг.2) на плоской поверхности балки 7 возникают деформации, распределение которых показано на фиг.3б (показана зависимость относительной деформации ε от текущей координаты х в относительных единицах).

Как видно из фиг.3б, на плоской поверхности балки возникают относительные деформации разного знака, симметрично относительно центра балки. Имеются максимумы и минимумы относительных деформаций. Распределение относительных деформаций по длине балки было получено численным моделированием с применением метода конечных элементов.

При определенных соотношениях параметров балки, отверстий и пазов, указанных выше, обеспечивается равенство по абсолютной величине положительных и отрицательных деформаций в максимумах и минимумах функции, описывающей распределение относительных деформаций по длине балки. Распределение относительных деформаций по длине балки от ее центра хорошо описывается функцией:

$$\begin{array}{l}\epsilon \left(x\right)=a_1\cdot \exp \left(-{\left(\frac{\left(x-b_1\right)}{c_1}\right)}^2\right)+a_2\cdot \exp \left(-\left(\frac{\left(x-b_2\right)}{c_2}\right)\right)+a_3\cdot \exp \left(-{\left(\frac{x-b_3}{c_3}\right)}^2\right)+\\ +a_4\cdot \exp \left(-{\left(\frac{\left(x-b_4\right)}{c_4}\right)}^2\right)+a_5\cdot \exp \left({\left(\frac{\left(x-b_5\right)}{c_5}\right)}^2\right)+a_6\cdot \exp \left({\left(\frac{\left(x-b_6\right)}{c_6}\right)}^2\right)+\\ +a_7\cdot \exp \left({\left(\frac{\left(x-b_7\right)}{c_7}\right)}^2\right)+a_8\cdot \exp \left({\left(\frac{\left(x-b_8\right)}{c_8}\right)}^2\right)(1)\end{array}$$

где x - текущая координата, изменяющийся от 0,5 до 1;

a,b,c - коэффициенты, приведенные в таблице 1.

Таблица 1
индекс i	коэффициенты
ai	bi	ci
1	0,003259	0,827	0,02213
2	0,002193	0,8072	0,03421
3	0,0016	0,8411	0,01365
4	5,578·10-5	0,7951	0,00373
5	-0,004887	0,8296	0,06204
6	0,0002501	0,5782	0,1308
7	0,002408	0,7994	0,05458
8	0,0002891	0,6387	0,02995

С помощью формулы (1) представляется возможным определять: относительные деформации по длине балки; максимумы и минимумы деформаций; текущие координаты x_i мест для расположения i-x тензоэлементов, где относительные деформации равны по абсолютной величине и противоположны по знаку.

Равные по абсолютной величине, положительные деформации воспринимаются тензоэлементами (тензорезисторами) 16, 17 и 20, 21 (фиг.4), а отрицательные - тензоэлементами (тензорезисторами) 18, 19 и 22, 23. Так как тензорезисторы 16, 17 и 18, 19, а также 20, 21 и 22, 23 включены, соответственно, в противоположные плечи мостовых измерительных цепей, то относительные изменения сопротивлений тензорезисторов складываются, что приводит к увеличению чувствительности. Выходной сигнал мостовых измерительных цепей пропорционален давлению и его величина максимальна, так как все тензоэлементы (тензорезисторы) расположены в оптимальных местах (максимумах и минимумах относительных деформаций, причем равных по абсолютной величине).

Предлагаемый датчик давления обладает уменьшенной температурной погрешностью, обусловленной температурными деформациями балки при воздействии нестационарных температур, за счет расположения тензорезисторов в зонах близких по величине температурных деформаций и компенсации влияния температурных деформаций балки в мостовой измерительной цепи.

Благодаря тому, что тензоэлементы (тензорезисторов) 16-19 и 20-23 (фиг.4) выполнены в форме двух трапеций, соединенных между собой малыми основаниями по линии их центра, относительное изменение сопротивлений таких тензоэлементов (тензорезисторов) при воздействии деформаций в большей мере определяется их центральной частью. Именно центральной частью тензоэлементы (тензорезисторы) 16, 17 и 20, 21 размещены в точках максимума положительных деформаций, а центры других тензоэлементов (тензорезисторов) 18, 19 и 22, 23 размещены в точках максимума отрицательных деформаций (см. фиг.3а, б, в). В связи с этим также повышается чувствительность.

Чувствительность НиМЭМС балочного типа повышается еще за счет того, что по центру отверстий 9 в балке 7 (фиг.2) сделаны сквозные прорези со стороны, противоположной плоской поверхности балки. Такие прорези позволяют не только выровнять по абсолютной величине максимумы деформаций противоположного знака на плоской поверхности балки, но и существенно увеличить их значение.

Повышение чувствительности также приводит к повышению точности.

Таким образом, благодаря отличительным признакам изобретения повышается точность за счет улучшения линейности выходной характеристики и повышения чувствительности, тем самым повышается достоверность получаемой информации о величине давления.

Предлагаемый датчик давления выгодно отличается от известных ранее и может найти широкое применение для измерения давлений в условиях воздействия широкого диапазона стационарных и нестационарных температур.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Белозубов Е.М., Белозубова Н.Е. Тонкопленочные тензорезисторные датчики давления - изделия нано- и микросистемной техники. // Нано- и микросистемная техника. - 2007. - №. 12. - С.49-51.

2. Белозубов Е.М., Васильев В.А., Громков Н.В. Проблемы и основные направления исследований тонкопленочных нано- и микроэлектромеханических систем датчиков давления. // Датчики и системы. - М., 2009 - №8.

3. Васильев В.А. Технологические особенности твердотельных мембранных чувствительных элементов. // Вестник Московского государственного технического университета. Сер. Приборостроение - М., 2002 - №4 -С.97-108.

4. Белозубов Е.М. Патент РФ №2166741, G01L 904. Датчик давления. Опубл. 27.02.2003, Бюл. №6.

5. Белозубов Е.М. Патент РФ №2082125, G01L 904. Датчик давления. Опубл. 27.11.2001, Бюл. №33.

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

Датчик давления на основе нано- и микроэлектромеханической системы балочного типа, содержащий корпус, установленную в нем нано- и микроэлектромеханическую систему (НиМЭМС), состоящую из мембраны с силопередающим штоком, соединенным с балкой, имеющей отверстия и прорези, на плоской поверхности которой образована гетерогенная структура из тонких пленок материалов, контактной колодки, соединительных проводников, в которой сформированные в гетерогенной структуре тензорезисторы состоят из идентичных тензоэлементов, соединенных тонкопленочными перемычками, включенными в мостовую измерительную цепь, отличающийся тем, что тензоэлементы выполнены в форме двух трапеций, соединенных между собой малыми основаниями по линии их центра, при этом центры одних тензоэлементов, включенных в противоположные плечи мостовой измерительной цепи, размещены на плоской поверхности балки на расстоянии l₁ от ее середины, которое определено по соотношению l₁=0,326l, а центры других тензоэлементов, включенных в противоположные плечи мостовой измерительной цепи, размещены на плоской поверхности балки на расстоянии l₂ от ее середины, которое определено по соотношению l₂=0,366l, где l - длина балки, причем расстояние от середины балки до первых отверстий определено по соотношению l₃=0,183l, а расстояние от середины балки до вторых отверстий определено по соотношению l₄=0,364l, ширина балки определена по соотношению h=0,182l, диаметр 1-го отверстия определен по соотношению d₁=0,637h, диаметр 2-го отверстия определен по соотношению d₂=0,781h, а прорезь шириной l₅ выполнена на расстоянии l₄ и определена по соотношению l₅=0,671d₂.