ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ НАНО- И МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ БАЛОЧНОГО ТИПА
PRESSURE SENSOR BASED ON NANO- AND MICROELECTROMECHANICAL SYSTEM OF BEAM TYPE

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.
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 от нелинейности мостовой измерительной цепи. Нелинейность измерительной цепи датчика зависит от коэффициента симметрии k и относительных изменений сопротивлений плеч мостовой измерительной цепи ε, ε, ε, ε [6].
1
2
3
4
На фиг.1 показана мостовая измерительная цепь (измерительный мост) с тензорезисторами R1, R2, R3 и R4, которым соответствуют относительные изменения сопротивлений ε, ε, ε, ε 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.
1
1
2
2
3
4
1
2
5
4
5
2
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 l от ее середины, которое определено по соотношению l=0,326l, а центры других тензоэлементов, включенных в противоположные плечи мостовой измерительной цепи, размещены на плоской поверхности балки на расстоянии L от ее середины, которое определено по соотношению L=0,366l, где l - длина балки, причем расстояние от середины балки до первых отверстий определено по соотношению l=0,183l, а расстояние от середины балки до вторых отверстий определено по соотношению l=0,364l, ширина балки определена по соотношению h=0,182l, диаметр 1-го отверстия определен по соотношению d=0,637h, диаметр 2-го отверстия определен по соотношению d=0,781h, а прорезь шириной l выполнена на расстоянии l и определена по соотношению l=0,671d.
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).
1
1
2
2
3
4
2
1
2
5
4
5
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 l от ее середины, которое определено по соотношению l=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 l от ее середины, которое определено по соотношению l=0,366·l, где l - длина балки. Расстояние от середины балки до первых отверстий соответствует соотношению l=0,183l, а расстояние от середины балки до вторых отверстий соответствует соотношению l=0,364l, ширина балки соответствует соотношению l=0,182l, диаметр 1-го отверстия соответствует соотношению d=0,637h, диаметр 2-го отверстия соответствует соотношению d=0,781h, а прорезь шириной l выполнена на расстоянии l и соответствует соотношению l=0,671d.
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.
2
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-Si0.
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:
<mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mi>ε</mi><mrow><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>a</mi><mn>1</mn></msub><mo>⋅</mo><mi>exp</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mo>−</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>x</mi><mo>−</mo><msub><mi>b</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>c</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>a</mi><mn>2</mn></msub><mo>⋅</mo><mi>exp</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mo>−</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>x</mi><mo>−</mo><msub><mi>b</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>c</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>a</mi><mn>3</mn></msub><mo>⋅</mo><mi>exp</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mo>−</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>x</mi><mo>−</mo><msub><mi>b</mi><mn>3</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>c</mi><mn>3</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>+</mo><msub><mi>a</mi><mn>4</mn></msub><mo>⋅</mo><mi>exp</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mo>−</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>x</mi><mo>−</mo><msub><mi>b</mi><mn>4</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>c</mi><mn>4</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>a</mi><mn>5</mn></msub><mo>⋅</mo><mi>exp</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>x</mi><mo>−</mo><msub><mi>b</mi><mn>5</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>c</mi><mn>5</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>a</mi><mn>6</mn></msub><mo>⋅</mo><mi>exp</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>x</mi><mo>−</mo><msub><mi>b</mi><mn>6</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>c</mi><mn>6</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>+</mo><msub><mi>a</mi><mn>7</mn></msub><mo>⋅</mo><mi>exp</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>x</mi><mo>−</mo><msub><mi>b</mi><mn>7</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>c</mi><mn>7</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>a</mi><mn>8</mn></msub><mo>⋅</mo><mi>exp</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>x</mi><mo>−</mo><msub><mi>b</mi><mn>8</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>c</mi><mn>8</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mtd></mtr></mtable>
где x - текущая координата, изменяющийся от 0,5 до 1;
a,b,c - коэффициенты, приведенные в таблице 1.
Таблица 1
индекс i
коэффициенты
a<sub>i</sub>
b<sub>i</sub>
c<sub>i</sub>
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<sup>-5</sup>
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
i
С помощью формулы (1) представляется возможным определять: относительные деформации по длине балки; максимумы и минимумы деформаций; текущие координаты x 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.