ТЕРМОУСТОЙЧИВЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ НАНО- И МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ С МЕМБРАНОЙ, ИМЕЮЩЕЙ ЖЁСТКИЙ ЦЕНТР
THERMALLY STABLE PRESSURE SENSOR BASED ON NANO-AND MICRO-ELECTROMECHANICAL SYSTEM WITH MEMBRANE HAVING RIGID CENTRE

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике, в частности к датчикам, предназначенным для измерения давления жидких и газообразных сред в условиях воздействия нестационарных температур измеряемой среды.
Датчики давления на основе нано- и микроэлектромеханических систем относятся к изделиям нано- и микросистемной техники. Они содержат нано- и микроэлектромеханические системы (НиМЭМС), состоящие из упругого элемента (УЭ) простой (мембрана, стержень, балка и т.п.) или сложной формы (мембрана с жестким центром, две мембраны, соединенные между собой штоком, и др.), гетерогенной структуры, герметизирующей контактной колодки, соединительных проводников. Гетерогенная структура состоит из нано- и микроразмерных тонкопленочных диэлектрических, тензорезистивных, контактных и других слоев, сформированных на мембране. Толщина тензорезистивного слоя в НиМЭМС таких датчиков составляет 40-100 нм. Элементы (тензорезисторы, контактные проводники и др.), образованные в гетерогенной структуре, объединяются в измерительную цепь, как правило в мостовую [1-3].
м
м
Известны тензорезисторные датчики давления на основе НиМЭМС с тензорезисторами, расположенными на плоской мембране без жесткого центра, установленными в радиальном и окружном направлениях и соединенными в мостовую измерительную цепь [4, 5]. Однако они имеют недостаточно высокую устойчивость к воздействию нестационарных температур (термоудара), поскольку при таком воздействии мембрана подвергается неравномерным температурным деформациям и тензорезисторы, установленные на нее оказываются в различных температурных условиях [6]. Центральная часть мембраны нагревается или охлаждается (в зависимости от температуры измеряемой среды) намного быстрее, чем ее периферия в области заделки. Разность температур в центре мембраны и в области заделки может достигать десятков градусов в первые секунды взаимодействия с измеряемой средой. Более устойчивыми к воздействию термоудара являются датчики с мембраной, имеющей жесткий центр. Распределение температур по поверхности мембраны в момент термоудара у таких датчиков более равномерное, соответственно температурные деформации мембраны проявляются в меньшей мере, разность температур тензорезисторов, размещенных вблизи жесткого центра и на периферии мембраны, меньше, чем в случае мембраны без жесткого центра. Этому способствует жесткий центр, который вносит тепловую инерционность в процесс нагрева мембраны. Однако наличие жесткого центра у мембраны изменяет распределение радиальных и окружных деформаций на ее плоской поверхности. Оно становится иным, нежели в [5]. Размещение окружных и радиальных тензоэлементов (тензорезисторов) по окружности, радиус которой определен по соотношению r=0,707r, где r - радиус мембраны, уже не будет оптимальным для обеспечения равенства по абсолютной величине радиальных и окружных деформаций тензоэлементов (соответственно, относительных изменений сопротивлений тензорезисторов). В связи с этим, при наличии жесткого центра у мембраны на выходе мостовой измерительной цепи будет возникать нелинейность сигнала, которая тем больше, чем больше отношение радиуса жесткого центра мембраны к радиусу мембраны. Кроме того, при наличии в конструкции упругого элемента НиМЭМС периферийного основания в виде оболочки вращения и кольцевой проточки (повышающей чувствительность упругого элемента) соотношение, при котором возможно оптимальное размещение радиальных и окружных тензоэлементов, выполненных из идентичных тензоэлементов, расположенных по одной окружности, становится другим.
ж.ц
м
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является датчик давления с тонкопленочной тензорезисторной НиМЭМС, выбранный в качестве прототипа [7]. Датчик содержит корпус, круглую мембрану с жестким центром, с периферийным основанием в виде оболочки вращения. Тензорезисторы выполнены в виде одинакового количества тензоэлементов, имеющих одинаковую форму, два из которых размещены вблизи жесткого центра, а два других размещены на периферии мембраны. Два тензорезистора воспринимают деформацию одного знака, а два других - противоположного знака, все они включены в мостовую измерительную цепь так, что их относительные изменения сопротивлений складываются. Недостатком прототипа является то, что тензорезисторы, включенные в мостовую измерительную цепь, при воздействии термоудара оказываются в различных температурных условиях, несмотря на то, что жесткий центр сглаживает воздействие термоудара. По этой причине тензорезисторы, расположенные вблизи жесткого центра, и тензорезисторы, расположенные на периферии мембраны, изменяют свое сопротивление по-разному, что приводит к возникновению температурной погрешности от воздействия термоудара. Кроме того, размещение тензорезисторов вблизи жесткого центра и на периферии мембраны не является оптимальным для обеспечения высокой линейности датчика, так как значения деформаций мембраны в таких местах расположения тензорезисторов различны по абсолютной величине. В связи с чем возникает погрешность нелинейности мостовой измерительной цепи, обусловленная ее несимметрией [8]. При различных отношениях радиуса жесткого центра r к радиусу мембраны r погрешность будет меняться, кроме того, с увеличением этого отношения чувствительность мембраны и, соответственно, датчика будет уменьшаться.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности путем повышения устойчивости к воздействию термоудара при одновременном уменьшении нелинейности мостовой измерительной цепи датчика и обеспечении высокой чувствительности.
Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения датчиков давления, имеющих мембрану с жестким центром, путем повышения устойчивости к воздействию термоудара при одновременном уменьшении нелинейности мостовой измерительной цепи датчика, за счет оптимального размещения тензоэлементов (тензорезисторов) мостовой измерительной цепи НиМЭМС на плоской поверхности мембраны по окружности с радиусом, при котором окружные и радиальные деформации равны по абсолютной величине, но противоположны по знаку и имеют при этом максимальное значение деформаций. При этом все тензоэлементы (тензорезисторы) расположены по одной окружности, за счет чего при воздействии термоудара они оказываются в точках одинаковых температур.
Это достигается тем, что в датчике давления на основе нано- и микроэлектромеханической системы содержащем корпус, установленную в нем нано- и микроэлектромеханическую систему (НиМЭМС), состоящую из упругого элемента - мембраны с жестким центром, с периферийным основанием в виде оболочки вращения с кольцевой проточкой, образованной на ней гетерогенной структуры из тонких пленок материалов, в которой сформированы контактные площадки, тензорезисторы из одинаковых тензоэлементов, соединенные перемычками, включенные в измерительный мост, в соответствии в с предлагаемым изобретением, центры окружных и радиальных тензоэлементов расположены по окружности, радиус которой определен по соотношению:
м
r(х)=(0,744-0,0476·cos(4,806х)-0,07482·sin(4,806х)-0,01826·cos(9,612х)+0,005405·sin(9,612x))·r,
<mrow><mi>x</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>r</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>r</mi><mi>м</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
0
м
п
м
где
- отношение радиуса жесткого центра r к радиусу мембраны r, при этом радиус периферийного основания определен по соотношению: r=1,28r.
На фиг. 1 показана конструкция термоустойчивого датчика давления на основе НиМЭМС с мембраной, имеющей жесткий центр. Датчик содержит корпус 1 со штуцером 2, установленную в нем нано- и микроэлектромеханическую систему (НиМЭМС) 3, выводные проводники 4, кабельную перемычку 5, контактную колодку 6, герметизирующую втулку 7, соединительные проводники 8, выводные колки 9, диэлектрические втулки 10.
На фиг. 2 отдельно показана часть нано- и микроэлектромеханической системы (НиМЭМС) 3 датчика, содержащая упругий элемент - мембрану 11 с жестким центром 12, с периферийным основанием 13 в виде оболочки вращения за границей 15 мембраны с жестким центром, с кольцевой проточкой 14, гетерогенную структуру 16.
Гетерогенная структура 16 (фиг. 2) образована на планарной стороне металлической мембраны 11 с жестким центром 12 методами тонкопленочной технологии из нано- и микроразмерных пленок материалов, содержащая тонкопленочные диэлектрические, тензорезистивные и контактные слои.
п
м
В гетерогенной структуре 16 сформированы окружные 17 (см. фиг. 3) и радиальные 18 тензорезисторы, выполненные в виде соединенных низкоомными перемычками 19 (к примеру, из структуры V-Au) и равномерно размещенных по периферии мембраны идентичных тензоэлементов 20 (из структуры Ni-Cr или Ni-Ti и т.п., толщиной не более 100 нм). Окружные 17 и радиальные 18 тензорезисторы (R1, R2, R3, R4) образуют плечи мостовой измерительной цепи, они состоят из одинакового количества тензоэлементов 20, имеющих одинаковую форму (например, квадратную). При этом центры тензоэлементов 20 окружных 17 и радиальных 18 тензорезисторов расположены по окружности, радиус которой определен из соотношения (1), при этом радиус периферийного основания определен по соотношению: r=1,28r. Терморезисторы 21 и 22 введены для дополнительной температурной компенсации и сформированы на периферийном основании 13 за границей 15 мембраны с жестким центром (фиг. 2) в зоне, не чувствительной к механическим деформациям от давления.
Датчик давления работает следующим образом. Измеряемое давление Р воздействует на мембрану 11 с жестким центром 12 (см. фиг. 2). В результате этого возникают деформации планарной (плоской) поверхности мембраны, которые воспринимаются окружными 17 и радиальными 18 тензорезисторами (см. фиг. 3), включенными в мостовую измерительную цепь. Изменение сопротивлений тензорезисторов (R1, R2, R3, R4) преобразуется мостовой измерительной цепью в выходное напряжение. В связи с размещением окружных 17 и радиальных 18 тензорезисторов (из идентичных тензоэлементов 20) на мембране по одной окружности, радиус которой r(х) определен по приведенному соотношению (1), они оказываются расположенными в зоне равных, но противоположных по знаку, окружных радиальных деформаций.
Выражение (1) для радиуса r(х) было получено на основе моделирования деформаций упругого элемента - мембраны с жестким центром, с периферийным основанием в виде оболочки вращения с кольцевой проточкой (выполненной на удалении от мембраны и жесткого центра), методом конечных элементов [9].
ж.ц
м
Для значений толщин мембраны в интервале 0,1-0,3 мм (обычно используемых на практике) изменялось отношение радиуса жесткого центра к радиусу мембраны, определялись относительные радиальные и окружные деформации на мембране при различных отношениях радиуса жесткого центра к радиусу мембраны. На фиг. 4 показана одна из зависимостей относительной радиальной деформации от относительного радиуса мембраны, а на фиг. 5 показана соответствующая зависимость относительного изменения окружной деформации от относительного радиуса мембраны при отношении радиуса жесткого центра r к радиусу мембраны r равном 0,57.
ж.ц
м
Из зависимостей относительных радиальных и окружных деформаций на мембране при различных отношениях радиуса жесткого центра к радиусу мембраны определялись точки равных по абсолютной величине, но противоположных по знаку значений окружных и радиальных деформаций. По полученным данным был построен график зависимости фиг. 6, на котором точками показаны значения, полученные в результате моделирования, а сплошной линией - аппроксимация по соотношению (1). Из него видно, что заданному отношению радиуса жесткого центра r к радиусу мембраны r соответствует радиус r(х), при котором обеспечивается оптимальное расположение окружных и радиальных тензорезисторов, то есть когда их относительные деформации противоположны по знаку и равны по абсолютной величине.
п
м
R1
R2
R3
R4
Предлагаемый датчик давления имеет повышенную точность и устойчив к воздействию термоудара за счет расположения центров окружных и радиальных тензорезисторов по окружности с радиусом, определенным по соотношению (1), при выполнении радиуса периферийного основания по соотношению: r=1,28r. В предлагаемом датчике давления окружные и радиальные тензоэлементы установлены так, что обеспечивается уменьшение нелинейности выходного сигнала за счет повышения линейности преобразования в мостовой измерительной цепи (при максимально возможной чувствительности). В связи с этим нелинейность мостовой измерительной цепи датчика практически не возникает (т.к. относительные изменения сопротивлений тензорезисторов ε=ε=ε=ε). При этом все тензоэлементы (тензорезисторы) находятся в одинаковых температурных условиях при воздействии термоудара, их изменения сопротивлений при изменении температуры компенсируются в мостовой измерительной цепи, в связи с чем температурная погрешность минимальна. Способствует снижению температурной погрешности и наличие жесткого центра в конструкции мембраны датчика, который уменьшает разницу между температурами в центре и на периферии мембраны в первые секунды теплового воздействия (термоудара).
Таким образом, благодаря отличительным признакам изобретения повышается точность, путем уменьшения нелинейности мостовой измерительной цепи при одновременном обеспечении максимально возможной чувствительности к измеряемому параметру и устойчивости к воздействию термоудара.
Предлагаемый датчик давления выгодно отличается от известных ранее и может найти широкое применение для измерений давления жидких и газообразных сред в условиях воздействия нестационарных температур (термоудара).
Источники информации
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. Тонкопленочные нано- и микроэлектромеханические системы - основа современных и перспективных датчиков давления для ракетной и авиационной техники // Измерительная техника - М., 2009. - №7. - С. 35-38
3. RU. Белозубов Е.М., Белозубова Н.Е. Способ изготовления тонкопленочного датчика давления. Патент РФ №2423678. Бюл. №19 от 10.07.2010.
4. Васильев В.А. Технологические особенности твердотельных мембранных чувствительных элементов // Вестник Московского государственного технического университета. Сер. Приборостроение. - М., 2002. - №4. - С. 97-108.
5. RU. Белозубов Е.М., Васильев В.А., Васильева С.А., Громков Н.В., Тихонов А.И. Тензорезисторный датчик давления на основе тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системы. Патент РФ №2391640. Бюл. №16 от 10.06.2010.
6. Белозубов Е.М., Васильев В.А., Измайлов Д.А. Влияние термоудара на тонкопленочные тензорезисторные датчики давления // Датчики и системы. - М., 2008. - №11. - С. 5-8.
7. RU. Белозубов Е.М., Белозубова Н.Е. Тонкопленочный датчик давления. Патент РФ №2345341. Бюл. №3 от 27.01.2009.
8. Васильев В.А., Тихонов А.И. Анализ и синтез измерительных цепей преобразователей информации на основе твердотельных структур // Метрология. - М., 2003. - №1. - С. 3-20.
9. Васильев В.А., Орехов Д.О., Чернов П.С. Методы моделирования нано- и микроструктур, устройств и систем // Инженерная физика. - М., 2013, №6. - С. 58-66.