ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ НАНО- И МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ С БАЛОЧНЫМ УПРУГИМ ЭЛЕМЕНТОМ
PRESSURE METER BASED ON NANO- AND MICROELECTROMECHANICAL SYSTEM WITH BEAM ELASTIC ELEMENTS

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, контактных и других слоев, сформированных на плоской поверхности УЭ. Высота микронеровностей плоской поверхности УЭ перед нанесением слоев делается не более 50-100 нм. Толщина тензорезистивного слоя может быть 40-100 нм. Образованные в гетерогенной структуре элементы (тензорезисторы, контактные проводники и др.) объединяются в измерительную цепь.
Известны тензорезисторные датчики давления на основе нано- и микроэлектромеханической системы с балочным упругим элементом [3, 4]. Такие датчики содержат корпус, установленную в них нано- и микроэлектромеханическую систему (НиМЭМС) состоящую из мембраны с подушкой (с жестким центром) и силопередающим штоком, соединенным с балкой (имеющей отверстия и прорези). На плоской поверхности такой балки (обращенной к мембране или в другую сторону) образуют гетерогенную структуру из тонких пленок материалов, в которой формируют тензорезисторы (тензоэлементы), включенные в мостовую измерительную цепь. 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 с балочным упругим элементом, 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.
1
2
3
4
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 нелинейности мостовой измерительной цепи. Нелинейность мостовой измерительной цепи датчика зависит от коэффициента симметрии k и относительных изменений сопротивлений плеч мостовой измерительной цепи ε, ε, ε, ε [6]. 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 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.
1
2
Это достигается тем, что в датчике давления на основе нано- и микроэлектромеханической системы с балочным упругим элементом, содержащим корпус, установленную в нем нано- и микроэлектромеханическую систему (НиМЭМС), состоящую из мембраны, подушки с силопередающим штоком, соединенным с балкой, имеющей отверстия и прорези, на плоской поверхности которой образована гетерогенная структура из тонких пленок материалов, обращенная к мембране, контактной колодки, соединительных проводников, в которой сформированные в гетерогенной структуре тензорезисторы состоят из идентичных тензоэлементов, соединенных перемычками, включенными в мостовую измерительную цепь, в соответствии с предлагаемым изобретением, тензоэлементы, включенные в противоположные плечи мостовой измерительной цепи, размещены на плоской поверхности балки, на расстоянии  от ее середины, которое определено по соотношению , а центры других тензоэлементов, включенных в противоположные плечи мостовой измерительной цепи, размещены на плоской поверхности балки на расстоянии  от ее середины, которое определено по соотношению , где  - длина балки, причем расстояние от середины балки до первых отверстий определено по соотношению , а расстояние от середины балки до вторых отверстий определено по соотношению , толщина балки определена по соотношению , диаметр первых отверстий определен по соотношению d=0,83h, диаметр вторых отверстий определен по соотношению d=0,78h, прорезь шириной  выполнена на расстоянии  и определена по соотношению , прорезь шириной  выполнена на расстоянии  и определена по соотношению , а диаметр силопередающего штока определен по соотношению .
На фиг. 1 показана конструкция датчика давления на основе нано- и микроэлектромеханической системы с балочным упругим элементом. Датчик содержит корпус 1 со штуцером 2, установленную в нем НиМЭМС 3, состоящую из мембраны 4, подушки с силопередающим штоком 5, основания 6 (из упругого материала), в котором вырезана балка 7. В балке 7 имеются отверстия 8, 9 и сделаны прорези в балке по центру отверстий со стороны, противоположной мембране 4 (снизу). В основание 6 вставлена контактная колодка с выводными проводниками 10.
На фиг. 2 показаны: балка 7 (фиг. 2а) с отдельными описанными элементами, график зависимости относительной деформации по длине балки 7 (фиг. 2б), вид сверху на балку 7 (фиг. 2в) в разрезе А-А датчика (см. фиг. 1).
1
2
На плоской поверхности 11 (фиг. 2в) балки 7 (фиг. 2а) образована гетерогенная структура из тонких пленок материалов, в которой сформированы пары 12 идентичных тензоэлементов, которые соединены контактными проводниками 13 с выводными проводниками 10, установленными в частях 14 и 15 контактной колодки. Пары 12 идентичных тензоэлементов 16-19, а также 20-23 объединены в мостовую измерительную цепь. Идентичные тензоэлементы 16-19 и 20-23 выполнены, например, 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 11 балки 7 на расстоянии  от ее середины, которое определено по соотношенюи  (см. фиг. 2в), а центры других тензоэлементов (тензорезисторов) 18, 19 и 22, 23 (включенных в противоположные плечи мостовой измерительной цепи) размещены на плоской поверхности 11 балки 7 на расстоянии  от ее середины, которое определено по соотношению , где  - длина балки 7. Расстояние от середины балки до первых отверстий 8 (фиг. 1) соответствует соотношению , а расстояние от середины балки до вторых отверстий 9 соответствует соотношению , толщина балки соответствует соотношению , диаметр первых отверстий 8 соответствует соотношению d=0,83h, диаметр вторых отверстий 9 соответствует соотношению d=0,78h, прорезь шириной  выполнена на расстоянии  и определена по соотношению , прорезь шириной  выполнена на расстоянии  и определена по соотношению , а диаметр штока определен по соотношению .
Гетерогенная структура, сформированная на плоской поверхности балки 7, может состоять из четырех нано- и микроразмерных слоев (в качестве материала балки может быть сталь 36НХТЮ). Высота микронеровностей плоской поверхности балки 6 должна быть 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 обеспечивает адгезию диэлектрической пленки с материалом балки и служит демпфером между балкой и диэлектриком для снятия температурных напряжений, возникающих в процессе напыления. Толщина подслоя равна 150-300 нм. Материалом подслоя диэлектрика может быть хром, Cr.
2
Второй - диэлектрический слой. Обеспечивает электрическую изоляцию между тензосхемой и балкой в широком диапазоне температур. В качестве диэлектрического слоя может быть тонкопленочная структура SiO-SiO.
Третий - резистивный слой. Его толщина составляет 40-100 нм. Материалом резистивного слоя может быть Х20Н75Ю.
Четвертый слой - контактная группа (площадки, перемычки, проводники). 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 4 (фиг. 1), с ее помощью давление преобразуется в силу, которая передается подушкой с силопередающим штоком 5 балке 7. Балка 7 изгибается, деформация балки воспринимается сформированными и расположенными на ней тензоэлементами (тензорезисторами) 16-19, а также 20-23 (включенными в одну или две мостовые измерительные цепи), см. фиг. 2в. При действии давления на мембрану 4 (фиг. 1) на плоской поверхности 11 балки 7 возникают деформации, распределение которых показано на фиг. 2б (показана зависимость относительной деформации е от текущей координаты х в относительных единицах).
Как видно из фиг. 2б, 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 прорезей, 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:
где x - текущая координата, изменяющаяся от 0,5 до 1;
- коэффициенты, приведенные в таблице 1.
i
С помощью формулы (1) представляется возможным определять: относительные деформации по длине балки; максимумы и минимумы деформаций; текущие координаты x (в относительных единицах) 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) 18, 19 и 22, 23 (фиг. 2в), а отрицательные - тензоэлементами (тензорезисторами) 16, 17 и 20, 21. 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.
Благодаря тому, что тензоэлементы (тензорезисторов) 16-23 (фиг. 2в) выполнены, к примеру, 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) 18, 19 и 22, 23 размещены в точках максимума положительных деформаций, а центры других тензоэлементов (тензорезисторов) 16, 17 и 20, 21 размещены в точках максимума отрицательных деформаций (см. фиг.2 а, б, в). В связи с этим также повышается чувствительность.
Чувствительность НиМЭМС с балочным упругим элементом повышается еще за счет того, что по центру отверстий 8 и 9 в балке 7 (фиг. 1) 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 на основе нано- и микроэлектромеханической системы с балочным упругим элементом выгодно отличается от известных ранее и может найти широкое применение для измерения давлений в условиях воздействия широкого диапазона стационарных и 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. Проблемы и основные направления исследований тонкопленочных нано- и микроэлектромеханических систем датчиков давления // Датчики и системы - М., 2009. - №8. - С. 54-58.
3. Проектирование датчиков для измерения механических величин / Под ред. Е.П. Осадчего. – М., 1979. - 480 с.
4. Белозубов Е.М. Патент РФ №2166741, G01L 9/04. Датчик давления. Опубл. 27.02.2003, Бюл. №6.
5. Белозубов Е.М. Патент РФ №2082125, G01L 9/04. 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.