ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ НАНО- И МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ПОВЫШЕННОЙ ТОЧНОСТИ И НАДЕЖНОСТИ
PRESSURE SENSOR BASED ON NANO- AND MICROELECTROMECHANICAL SYSTEM OF INCREASED ACCURACY AND RELIABILITY

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления жидких и газообразных агрессивных сред в условиях воздействия нестационарных тепловых полей.
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 силопередающим 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 мембране. По данным последних разработок толщина тензорезистивного слоя может быть 40-100 нм. Образованные в гетерогенной структуре элементы (тензорезисторы, терморезисторы, контактные проводники и др.) объединяются в измерительную цепь.
Существуют тензорезисторные датчики давления на основе нано- и микроэлектромеханических систем (НиМЭМС) [3, 4] устойчивые к воздействию нестационарных тепловых полей (термоудара), упругие элементы которых выполнены в виде мембраны, жесткозаделанной по контуру в опорное основание. Мостовая измерительная цепь таких датчиков сформирована на планарной стороне мембраны из идентичных тензоэлементов (радиальных и тангенциальных) и находится на окружности определенного радиуса, где радиальные и тангенциальные деформации равны по абсолютному значению. Недостатком таких датчиков является недостаточно высокая чувствительность, так как равенство абсолютных значений деформаций радиальных и тангенциальных тензорезисторов (тензоэлементов) достигается лишь на определенном радиусе от центра мембраны, при котором значение относительных тангенциальных и радиальных деформаций составляет менее 50% от их максимального значения.
4
3
2
4
3
2
1
0
1
1
0
1
Известны тензорезисторные датчики давления с упругим элементом НиМЭМС в виде мембраны с жестким центром, на плоской стороне которой в гетерогенной структуре сформирована мостовая измерительная цепь из тензорезисторов, ориентированных в радиальном направлении. К примеру, в [5] тензорезисторы (тензоэлементы), воспринимающие деформации положительного знака, расположены в радиальном направлении от края жесткого центра в сторону опорного основания мембраны до окружности с радиусом, определяемым из выражения r=(-0,165х+0,165х+0,128х+0,32х+0,586)·r, где  - отношение радиуса жесткого центра r к радиусу мембраны r, а тензоэлементы, воспринимающие деформации отрицательного знака, расположены в радиальном направлении от края мембраны (в месте сопряжения с опорным основанием) в сторону центра мембраны до окружности с радиусом, определяемым из выражения r=(-0,165х+0,165х+0,128х+0,32х+0,586)·r, где  - отношение радиуса жесткого центра r к радиусу мембраны r. При таком расположении тензорезисторов повышается точность в связи с повышением чувствительности за счет полного и оптимального использования зон радиальных положительных и отрицательных деформаций; повышается надежность за счет уменьшения напряжений при деформациях мембраны (под действием давления) в местах подсоединения соединительных проводников к контактным площадкам; повышается технологичность за счет возможности размещения тензорезисторов оптимальным образом при любых отношениях радиуса жесткого центра к радиусу мембраны.
Недостатком такой конструкции является относительно большая зависимость выходного сигнала от воздействия нестационарных тепловых полей (термоудара) по причине возникновения температурного градиента на поверхности мембраны. Тензорезисторы (тензоэлементы), воспринимающие деформации разного знака при воздействии термоудара, оказываются в различных температурных условиях, их сопротивление изменяется неодинаково, что приводит к разбалансу мостовой измерительной цепи и возникновению температурной погрешности, обусловленной нестационарным тепловым полем. Кроме того, непосредственный контакт мембраны, на которой сформирована мостовая измерительная цепь, с измеряемой средой ограничивает возможности датчика по температурному диапазону работы. Размещение радиальных тензорезисторов (тензоэлементов) указанным образом дает положительный эффект только для случая, когда мембрана одна, имеет жесткий центр и на нее воздействует давление. Если же на мембрану будет действовать сила, то распределение деформаций на поверхности мембраны будет иным и приведенные расчетные выражения не применимы для определения зон радиальных положительных и отрицательных деформаций с целью оптимального размещения радиальных тензорезисторов (тензоэлементов).
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является датчик давления, упругий элемент НиМЭМС которого выполнен в виде двух мембран с жестким центром, соединенных между собой силопередающим штоком [6]. На второй мембране такого упругого элемента образована гетерогенная структура НиМЭМС из тонких пленок материалов, в которой сформированы контактные площадки, тензорезисторы (радиальные и тангенциальные) из тензоэлементов, соединенные тонкопленочными перемычками и включенные в мостовую измерительную цепь.
К преимуществам такой конструкций можно отнести то, что мембрана с образованной на ней гетерогенной структурой и сформированной в ней мостовой измерительной цепью отделена от непосредственного контакта с измеряемой средой первой мембраной. Такая конструкция в меньшей степени подвержена влиянию широкого диапазона температур измеряемой среды, нестационарных тепловых полей (термоудара).
Недостатком известной конструкции является недостаточная точность из-за невысокой чувствительности, которая связана с неоптимальным использованием зон отрицательных и положительных деформаций на мембране.
При неоптимальном использовании зон отрицательных и положительных деформаций, когда часть тензорезистора (тензоэлемента), воспринимающего деформацию одного знака, будет находиться в области деформации другого знака, снижается чувствительность датчика. Снижение чувствительности объясняется тем, что первая часть тензорезистора (тензоэлемента), находящегося в зоне одних (отрицательных) деформаций, будет уменьшать свое сопротивление от начального номинального значения, а вторая часть этого же тензорезистора (тензоэлемента), лежащая в области других (положительных) деформаций, будет увеличивать свое сопротивление. Результирующее сопротивление деформированного тензорезистора (тензоэлемента) определяется выражением (1):
д
ном
r
1
2
где R - сопротивление деформированного тензорезистора (тензоэлемента); R - номинальное сопротивление тензорезистора (тензоэлемента); f(r) - функция распределения относительной радиальной деформации ε на поверхности второй мембраны; r - текущее значение радиуса второй мембраны; r и r - точки начала и конца тензорезистора (тензоэлемента) соответственно.
Анализ выражения (1) показывает, что сопротивление тензорезистора (тензоэлемента) будет максимальным лишь в том случае, когда интеграл от функции распределения относительной радиальной деформации на поверхности второй мембраны будет полностью определен в одной из зон (положительной либо отрицательной), т.е. если тензорезистор (тензоэлемент) будет полностью располагаться либо в области положительных деформаций, либо в области отрицательных деформаций.
Недостатком известного датчика давления является использование тангенциальных деформаций и размещение для этого двух тензорезисторов по окружности мембраны с радиусом, равным расстоянию от центра мембраны до середины радиальных тензорезисторов. Тангенциальные деформации в таких конструкциях имеют значительно меньшие относительные значения по сравнению с деформациями, возникающими в радиальном направлении. Это тоже приводит к снижению точности измерения за счет уменьшения чувствительности.
При неоптимальном использовании зон отрицательных и положительных деформаций снижается не только чувствительность. Возникает погрешность от нелинейности измерительной цепи, которая обусловлена возникновением несимметрии сопротивлений и различием относительных изменений сопротивлений тензорезисторов (плеч) мостовой измерительной цепи при деформациях мембраны.
Недостатком известного датчика давления является также и то, что тонкопленочные перемычки и контактные площадки расположены в зонах деформаций, в них возникают напряжения, и они перемещаются. Перемещение тонкопленочных перемычек концов тензорезисторов (тензоэлементов) и контактных площадок нежелательно, поскольку к ним привариваются контактные (соединительные) проводники. Возникающие напряжения и перемещение соединительных проводников могут привести к нарушению контактного соединения и выходу из строя датчика. То есть известный датчик имеет недостаточно высокую надежность.
Кроме того, недостатком известного датчика давления является невысокая технологичность, поскольку при его изготовлении не представляется возможным разместить тензорезисторы на второй мембране с жестким центром так, чтобы при любом радиусе жесткого центра и заданной толщине второй мембраны обеспечивалось полное и оптимальное размещение тензорезисторов в зонах положительных и отрицательных деформаций.
Таким образом, датчик давления, выбранный в качестве прототипа, обладает недостаточно высокой точностью (из-за относительно низкой чувствительности, возникновения погрешности от нелинейности мостовой измерительной цепи), недостаточно высокой надежностью и невысокой технологичностью.
Техническим результатом изобретения является повышение точности датчика за счет повышения чувствительности и уменьшения погрешности от нелинейности путем полного и оптимального использования зон деформаций разного знака и размещения в этих зонах радиальных тензорезисторов (тезоэлементов), включенных в мостовую измерительную цепь. Техническим результатом также является повышение надежности за счет размещения перемычек и контактных площадок в местах с минимальными (практически равными нулю) деформациями, что препятствует их разрушению во время эксплуатации (работы) датчика. Кроме того, техническим результатом является повышение технологичности за счет возможности оптимального расположения элементов мостовой измерительной цепи при любом радиусе жесткого центра и заданной толщине второй мембраны.
Это достигается тем, что в датчике давления на основе нано- и микроэлектромеханической системы повышенной точности и надежности, содержащем корпус, установленную в нем нано- и микроэлектромеханическую систему (НиМЭМС), состоящую из упругого элемента в виде двух (первой и второй) мембран с жестким центром, соединенных между собой силопередающим штоком, с опорным основанием второй мембраны, образованную на второй мембране гетерогенную структуру из тонких пленок материалов, в которой сформированы контактные площадки, первые радиальные тензорезисторы, начало которых расположено на краю жесткого центра, и вторые радиальные тензорезисторы, начало которых расположено на краю опорного основания мембраны, соединенные тонкопленочными перемычками, включенные в измерительный мост, в соответствии с предполагаемым изобретением, концы первых радиальных тензорезисторов размещены между жестким центром и окружностью, радиус которой R определен по соотношению
g2
m2
m2
где  - отношение радиуса R жесткого центра второй мембраны к радиусу R второй мембраны; y - толщина второй мембраны h, а концы вторых радиальных тензорезисторов размещены между опорным основанием и окружностью, радиус R которой определен по соотношению (2).
На фиг.1 показан датчик давления на основе НиМЭМС повышенной точности и надежности, содержащий корпус 1, установленную в нем нано- и микроэлектромеханическую систему (НиМЭМС) 2, состоящую из упругого элемента 3 в виде первой мембраны 4 и второй мембраны 5 с жестким центром 6, соединенных между собой силопередающим штоком 7, с опорным основанием второй мембраны 8, образованную на второй мембране гетерогенную структуру 9 из тонких пленок материалов, выводные проводники 10, кабельную перемычку 11. Гетерогенная структура 9 из тонких пленок материалов (тонкопленочные диэлектрические, тензорезистивные, контактные и т.п. слои материалов) сформирована на мембране 5 методами нано- и микроэлектронной технологии. В НиМЭМС 2 также входят контактная колодка 12, герметизирующая втулка 13, соединительные проводники 14, выводные колки 15, диэлектрическая втулка 16. НиМЭМС 2 представляет собой конструктивно-законченный модуль, обеспечивающий высокую технологичность сборки датчика.
На фиг.2 отдельно показан чувствительный элемент НиМЭМС 2, состоящий из упругого элемента 3 в виде первой мембраны 4 и второй мембраны 5 с жестким центром 6, соединенных между собой силопередающим штоком 7, с опорным основанием 8 второй мембраны 5, образованной на второй мембране 5 гетерогенной структуры 9 из тонких пленок материалов. В гетерогенной структуре 9 сформированы контактные площадки 17, первые радиальные тензорезисторы 18, начало которых расположено на краю жесткого центра 6 мембраны 5, и вторые радиальные тензорезисторы 19, начало которых расположено на краю опорного основания 8 мембраны 5, соединенные тонкопленочными перемычками 20, включенные в измерительный мост. Концы первых радиальных тензорезисторов 18 размещены между жестким центром 6 и окружностью, радиус которой R определен по соотношению (2):
2
2
m2
R=(-0.1427х+0.01783y+0.0454xy+0.7627х-0,03417y+0,3621)·R,
g2
m2
m2
где  - отношение радиуса R жесткого центра второй мембраны к радиусу R второй мембраны; y - толщина второй мембраны h в относительных единицах, приведенная к 1 мм толщины мембраны. Концы вторых радиальных тензорезисторов 19 размещены между опорным основанием и окружностью, радиус которой R определен по соотношению (2):
2
2
m2
R=(-0.1427х+0.01783y+0.0454xy+0.7627x-0,03417y+0,3621)·R.
Тензорезисторы (тензоэлементы) 18 и 19 (на фиг.2 их четыре пары) включаются в одну или две мостовые измерительные цепи.
2
На фиг.3 показан тензорезистор (тензоэлемент) мостовой измерительной цепи, сформированный в гетерогенной структуре 9 на планарной стороне второй мембраны 5. Гетерогенная структура образуется на заранее подготовленной поверхности второй мембраны 5, высота микронеровностей не должна превышать 50-100 нм. Она состоит из подслоя диэлектрика 21 (к примеру, хром - Cr толщиной от 150-до 300 нм), диэлектрического слоя 22 (например, SiO-SiO), резистивного слоя 23 (например, сплав Х20Н75Ю толщиной 40-100 нм), подслоя проводников 24 (например, ванадий - V), слоя проводников и контактных площадок 25 (к примеру, золото - Au).
Соотношение (2) было получено путем численного моделирования деформаций методом конечных разностей [7] для случая упругого элемента в виде двух мембран, соединенных между собой силопередающим штоком, в результате установления зависимостей относительных радиальных деформаций на плоской стороне мембраны 5 от текущего радиуса в относительных единицах при различных отношениях , определения положения радиуса равенства нулю радиальных деформаций (точка смены знака радиальных деформаций - положительных на отрицательные), аппроксимации полученных данных с помощью полинома.
r
m2
На фиг.4 показаны зависимости относительной радиальной деформации ε на поверхности второй мембраны 5 от текущего радиуса в относительных единицах при различных отношениях  - радиуса жесткого центра 6 и радиуса второй мембраны 5. Из графика зависимостей видно, что точка смены знака радиальных деформаций: положительных на отрицательные зависит от отношения . Кроме того, ее положение зависит от толщины h второй мембраны 5.
r
Исследовались зависимости относительной радиальной деформации ε на поверхности второй мембраны 5 от текущего радиуса  в относительных единицах при различных отношениях  для различных толщин второй мембраны 5 и определялось соответствующее положение радиуса равенства нулю радиальных деформаций (точка смены знака радиальных деформаций: положительных на отрицательные).
m2
Затем путем аппроксимации полученных данных с помощью полинома была установлена зависимость положения относительного радиуса R окружности, на которой радиальные деформаций равны нулю, от отношения  и толщины второй мембраны h.
r
m2
На фиг.5 показан график установленной функциональной зависимости (2) относительного положения радиуса смены знака относительной радиальной деформации ε при различных отношениях радиуса жесткого центра второй мембраны к радиусу второй мембраны  и толщины второй мембраны h=y.
r
r
m2
m2
g2
Рассмотрим пример определения радиуса R смены знака относительной радиальной деформации ε (то есть, когда ε=0). Возьмем y=h=0,25. Если радиус второй мембраны R=2,5 мм, а радиус жесткого центра второй мембраны R=1,25 мм, то . Подставим эти данные в выражение (2) и получим R=1,756 мм.
Датчик давления работает следующим образом. Измеряемое давление преобразуется первой (разделительной) мембраной 4 в силу, которая передается посредством силопередающего штока 7 второй (воспринимающей) мембране 5. Последняя прогибается и на ее планарной стороне возникают механические напряжения (деформации), которые воспринимаются радиальными тензорезисторами 18, 19. Изменение сопротивлений тензорезисторов преобразуется мостовой измерительной цепью в выходное напряжение.
Наличие разделительной мембраны 4 позволяет существенно уменьшить влияние температуры измеряемой среды на тензорезисторы (тензоэлементы) 18 и 19 мостовой измерительной цепи, размещенной на воспринимающей мембране 5. При этом градиент температуры, возникающий на планарной стороне второй мембраны 5, имеющей жесткий центр 6, становится незначительным, и все тензоэлементы мостовой измерительной цепи находятся примерно в одинаковых температурных условиях, что, в свою очередь, снижает температурную погрешность датчика от воздействия нестационарных температур.
Использование радиальных деформаций обоих знаков (положительных и отрицательных) и размещение для этого тензорезисторов 18 и 19 по радиусу второй мембраны 5 позволяет получить большие суммарные относительные значения деформаций, чем в случае использования тангенциальных и радиальных деформаций. Это повышает точность измерения за счет повышения чувствительности, которая повышается при больших значениях деформаций.
В связи с размещением концов первых радиальных тензорезисторов 18 и концов вторых радиальных тензорезисторов 19, а также их тонкопленочных (контактных) перемычек с контактными площадками 17 на окружности, радиус которой R определен по соотношению (2), они оказываются расположенными в зоне минимальных (нулевых) радиальных деформаций от измеряемого давления. При этом зоны радиальных отрицательных и положительных деформаций используются тензорезисторами 18, 19 полностью и оптимальным образом. Тензорезисторы 18 расположены в зоне положительных деформаций от ее минимума (в точке, определяемой соотношением (2)) до максимума (в точке на краю жесткого центра 6 второй мембраны 5), а тензорезисторы 19 расположены в зоне отрицательных деформаций от ее минимума (в точке, определяемой соотношением (2)) до максимума (в точке сопряжения мембраны 5 с опорным основанием 8), что позволяет повысить чувствительность и за счет этого точность датчика по сравнению с прототипом.
При оптимальном использовании зон отрицательных и положительных деформаций повышается не только чувствительность. Уменьшается погрешность от нелинейности измерительной цепи за счет уменьшения различия абсолютных значений относительных изменений сопротивлений тензорезисторов (плеч) мостовой измерительной цепи при деформациях мембраны.
Поскольку тонкопленочные перемычки концов первых и вторых радиальных тензорезисторов 18, 19 размещены на окружности, радиус которой R определен по соотношению (2), они оказываются расположенными в зоне с минимальными (нулевыми) радиальными деформациями мембраны, что повышает надежность датчика, так как соединительные проводники, приваренные к контактным площадкам 17, испытывают меньшие напряжения при воздействии на мембрану 5 силы.
Так как для любого соотношения  (радиуса жесткого центра к радиусу мембраны) и толщины у второй мембраны может быть определен радиус R по соотношению (2) для оптимального размещения радиальных тензорезисторов в зонах положительных и отрицательных деформаций, технологичность изготовления датчика с различными толщинами второй мембраны, отличающимися радиусом жесткого центра, повышается.
Предлагаемый датчик давления обладает высокой технологичностью, поскольку при его изготовлении представляется возможным разместить тензорезисторы на второй мембране с жестким центром так, чтобы при любом радиусе жесткого центра и заданной толщине второй мембраны обеспечивалось полное и оптимальное размещение тензорезисторов в зонах положительных и отрицательных деформаций.
Таким образом, благодаря отличительным признакам изобретения, повышается точность датчика за счет повышения чувствительности и уменьшения погрешности от нелинейности, надежность и технологичность.
Предлагаемый датчик давления с тонкопленочной тензорезисторной НиМЭМС может найти широкое применение для измерения давлений жидких и газообразных агрессивных сред в условиях воздействия нестационарных температур.
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. Белозубов Е.М., Васильев В.А., Васильева С.А., Громков Н.В., Тихонов А.И. Патент РФ №2391640, G01L 9/04, B82B 3/00. Тензорезисторный датчик давления на основе тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системы. Бюл №16 от 10.06.2010 г.
4. Белозубов Е.М., Васильев В.А., Чернов П.С. Патент РФ №2398195, G01L 9/04, B82B 3/00. Способ изготовления нано- и микроэлектромеханической системы датчика давления и датчик давления на его основе. Бюл №24 от 27.08.2010 г.
5. Белозубов Е.М., Васильев В.А., Чернов П.С. Патент РФ №2399031, G01L 9/04, B82B 1/00. Датчик давления с тонкопленочной тензорезисторной нано- и микроэлектромеханической системой. Бюл. №25 от 10.09.2010 г.
6. Васильев В.А., Тихонов А.И. А.с. СССР №1525504, G01L 9/04. Датчик давления. Бюл. №40 от 30.11.1989 г.
7. Белозубов Е.М., Васильев В.А., Чернов П.С. Алгоритм и программа «Моделирование воздействия давления на чувствительные элементы датчиков мембранного типа» / Зарегистрировано в «Национальном информационном фонде неопубликованных документов» ФАО ГКЦИТ, г.Москва, 03.07.2008 г., гос. рег. №50200801328. Св-во об отрасл. рег. разработке в отраслевом фонде алгоритмов и программ №10846 от 06.06.2008 г.