Датчик давления тензорезистивного типа с тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системой
PRESSURE SENSOR OF STRAIN GAUGE TYPE WITH A THIN FILM NANO- AND MICROELECTROMECHANICAL SYSTEM

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике, в частности к датчикам, предназначенным для использования в различных областях науки и техники, связанных с измерением давления в условиях воздействия нестационарных температур и повышенных виброускорений.
Известна конструкция датчика давления тензорезистивного типа с тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системой (НиМЭМС) [RU Патент №2312319, МПК G01L 9/04. Бюл. №34. 10.12.2007], который предназначен для измерения давления в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды и повышенных виброускорений, содержащая корпус, НиМЭМС, состоящую из упругого элемента в виде круглой жесткозащемленной мембраны, выполненной за одно целое с основанием, на которой расположены соединенные в мостовую схему окружные и радиальные тензорезисторы, выполненные в виде соединенных тонкопленочными перемычками одинакового количества имеющих одинаковую форму тензоэлементов, расположенных по окружности на периферии мембраны, выводные проводники, соединяющие тензорезисторы с гермовыводами.
-2
Недостатком известной конструкции является сравнительно большая погрешность при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды. Одной из причин является взаимодействие множества последовательно и встречно включенных термоэдс, возникающих на границах разделов тензоэлементов и перемычек вследствие случайным образом распределенных по поверхности чувствительного элемента термоэлектрических неоднородностей структуры и неидентичности физических характеристик тензоэлементов и перемычек, находящихся в нестационарном температурном поле. Недостатком известной конструкции является также сравнительно большая погрешность при воздействии повышенных (более 30000 мс) виброускорений, которые вызывают несимметричное и неравномерное нестационарное температурное поле и, соответственно, аналогичные явления, описанные при воздействии нестационарных температур.
Известен датчик давления тензорезистивного типа с тонкопленочной НиМЭМС, выбранный в качестве прототипа [RU Патент 2463570, МПК В82В 1/00. Бюл. №28. 10.10.2012], содержащий корпус, установленную в нем НиМЭМС, состоящую из упругого элемента - круглой мембраны, выполненной за одно целое с периферийным основанием, сформированной на ней гетерогенной структуры из тонких пленок материалов, в которой образованы включенные соответственно в противоположные плечи измерительного моста воспринимающие деформацию разного знака от измеряемого давления тензорезисторы, выполненные в виде соединенных тонкопленочными перемычками одинакового количества имеющих одинаковую форму тензоэлементов, расположенных по окружности на периферии мембраны, измерительные и питающие электрические цепи, соединяющие тонкопленочную НиМЭМС с выходом датчика, и характеристики элементов конструкции датчика связаны соотношением, а на периферийном основании со стороны подачи измеряемой среды симметрично продольной оси датчика размещена внутри периферийного основания с зазором относительно мембраны и периферийного основания цилиндрическая втулка с цилиндрическим отверстием вдоль ее оси.
-2
Недостатком известной конструкции является сравнительно большая погрешность при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды и повышенных (более 30000 мс) виброускорений, которые вызывают несимметричные и неравномерные нестационарные температурные поля, которые вследствие неоптимальности и невозможности учета соотношений характеристик всех элементов конструкции датчиков давления тензорезистивного типа с тонкопленочными НиМЭМС приводят к появлению нескомпенсированной термоэдс.
Целью предлагаемого изобретения является уменьшение погрешности измерения датчика давления тензорезистивного типа с тонкопленочной НиМЭМС в условиях воздействия нестационарных температур и повышенных виброускорений за счет уменьшения влияния суммарной интегральной термоэдс на выходной сигнал датчика путем увеличения информативной составляющей выходного сигнала датчика, зависящей от измеряемого давления и уменьшения влияния нестационарной температуры измеряемой среды путем уменьшения скорости ее изменения на мембране.
Поставленная цель достигается тем, что в датчике давления тензорезистивного типа с тонкопленочной НиМЭМС, содержащем корпус, установленную в нем НиМЭМС, состоящую из упругого элемента - круглой мембраны, выполненной за одно целое с периферийным основанием, сформированной на ней гетерогенной структуры из тонких пленок материалов, в которой образованны включенные соответственно в противоположные плечи измерительного моста воспринимающие деформацию разного знака от измеряемого давления тензорезисторы, выполненные в виде соединенных тонкопленочными перемычками одинакового количества имеющих одинаковую форму тензоэлементов, расположенных по окружности на периферии мембраны, измерительные и питающие электрические цепи, соединяющие тонкопленочную НиМЭМС с выходом датчика, а на периферийном основании со стороны подачи измеряемой среды симметрично продольной оси датчика размещена внутри периферийного основания с зазором относительно мембраны и периферийного основания цилиндрическая втулка с цилиндрическим отверстием вдоль ее оси, в соответствии с предлагаемым изобретением в отверстии цилиндрической втулки размещен винт с наружным диаметром, обеспечивающим плотное закрепление винта во втулке с образованием винтового канала для измеряемой среды, ограниченного внутренней поверхностью цилиндрической втулки и наружной поверхностью винта, выполненной в виде однозаходной трапециидальной резьбы с шагом, определяемым по соотношению
S
B
S=KL,
S
где K - коэффициент связи шага резьбы и длины винта;
B
L - длина винта;
S
K=0,1±0,03.
Кроме того, в соответствии с предлагаемым изобретением напряжение питания датчика выбирается равным максимально допустимой величине, определенной в результате последовательного увеличения напряжения питания, проведения испытаний датчика, по определению основной статической погрешности и приведенной погрешности от нелинейности датчика при каждом повышении напряжения и определении его максимального значения, при котором выполняются условия
0g
где γ - основная статическая погрешность датчика при g-ом повышенном напряжении;
0
γ - основная статическая погрешность датчика при номинальном напряжении питания;
0g
|±Δγ| - допустимое отклонение основной статической погрешности при g-ом напряжении питания от основной статической погрешности при номинальном напряжении питания;
нg
γ - приведенное значение погрешности от нелинейности при g-ом напряжении питании;
нg
|±Δγ| - допустимое отклонение приведенной погрешности от нелинейности при g-ом напряжении питания от приведенной погрешности от нелинейности при номинальном напряжении питания.
Заявляемая конструкция датчика давления тензорезистивного типа с тонкопленочной НиМЭМС представлена на фиг. 1. Она содержит корпус 1, установленную в нем НиМЭМС, состоящую из упругого элемента - круглой мембраны 2, выполненной за одно целое с периферийным основанием 3, сформированной на ней гетерогенной структуры 4 из тонких пленок материалов, в которой образованны включенные соответственно в противоположные плечи измерительного моста воспринимающие деформацию разного знака от измеряемого давления тензорезисторы, выполненные в виде соединенных тонкопленочными перемычками одинакового количества имеющих одинаковую форму тензоэлементов, расположенных по окружности на периферии мембраны. Измерительные 5 и питающие 6 электрические цепи соединяют тонкопленочную НиМЭМС с выходом датчика. На периферийном основании со стороны подачи измеряемой среды симметрично продольной оси датчика плотно закреплена и размещена внутри периферийного основания с зазором относительно мембраны и периферийного основания в области, прилегающей к мембране, цилиндрическая втулка 7 с цилиндрическим отверстием 8 вдоль ее оси. В отверстии 8 цилиндрической втулки размещен винт 9 с наружным диаметром, обеспечивающим плотное закрепление винта во втулке с образованием винтового канала для измеряемой среды, ограниченного внутренней поверхностью цилиндрической втулки и наружной поверхностью винта.
Для обоснования наличия причинно-следственной связи между совокупностью признаков и достигаемым техническим результатом рассмотрим более подробно выходной сигнал датчика давления тензорезистивного типа с тонкопленочной НиМЭМС в условиях воздействия нестационарных температур измеряемой, окружающей среды, повышенных виброускорений и давления измеряемой среды. Выходной сигнал датчика в этом случае будет равен
где U(P) - информативный сигнал, зависит от измеряемого давления;
±ΔU - неинформативный сигнал, зависит от нестационарных температур, в том числе вызванных повышенными виброускорениями, не зависит от измеряемого давления. Величина ± ΔU по аналогии с прототипом определяется по соотношению (2).
где 4 - количество тензорезисторов в мостовой измерительной схеме НиМЭМС;
ни
но
где T=ƒ(T,T,W);
ни
T - нестационарная температура измеряемой среды;
но
Т - нестационарная температура окружающей среды;
W - амплитуда виброускорений;
4 - количество тензорезисторов в мостовой измерительной схеме НиМЭМС;
I - количество тензоэлементов в тензорезисторе;
M - количество термоэлектрических структур в тензоэлементе;
jim
S - коэффициент термоэдс контактирующих материалов m-ой термоэлектрической структуры i-ого тензоэлемента j-ого тензорезистора;
jim
T - температура контактирующих материалов m-ой термоэлектрической структуры i-ого тензоэлемента j-ого тензорезистора;
αji
jiH
jiK
σ(T) - коэффициент Томсона для материала i-го тензоэлемента j-ого тензорезистора; T, T - температура соответственно в начале и конце i-ого тензоэлемента j-ого тензорезистора;
- сопротивление j-ого тензорезистора;
j0
j
j
АnН
AnK
BnH
ВnK
R - сопротивление j-ого тензорезистора при начальной среднеинтегральной температуре j-ого тензорезистора; α - температурный коэффициент сопротивления j-ого тензорезистора; ΔT - изменение среднеинтегральной температуры j-ого тензорезистора; Т, T, T, T - температура в начале и конце n-ой термоэлектрической неоднородности соответственно первой и второй измерительной цепи, соединяющей НиМЭМС с выходом датчика;
An
Bn
S, S - коэффициент термоэдс контактирующих материалов n-ой термоэлектрической неоднородности соответственно первой и второй измерительной цепи, соединяющей НиМЭМС с выходом датчика;
αAn
αBn
σ(Т), σ(T) - коэффициент Томсона материала n-ой термоэлектрической неоднородности соответственно первой и второй измерительной цепи, соединяющей НиМЭМС с выходом датчика;
ΔU - абсолютная погрешность при воздействии нестационарной температуры и повышенных виброускорений.
В соответствии с [В.А. Тихоненков, А.И. Тихонов. Теория, расчет и основы проектирования датчиков механических величин: Учебное пособие. Ульяновск, УлГТУ, 2000. – 452 с.] U(P) выходной сигнал с тензорезисторного датчика с мостовой измерительной цепью, а, следовательно, и в нашем случае
j
, где ε - относительное изменение сопротивления j-ого тензорезистора от измеряемого давления;
тогда, подставляя значение U(P) в выражение (2), получим выражение для выходного сигнала с датчика
Относительная погрешность в этом случае будет равна
Анализ выражения (3) показывает, что при увеличении напряжения питания датчика, например, в 2 раза информативная составляющая
Тогда относительная погрешность будет равна
Датчик давления с тонкопленочной НиМЭМС по п. 1 формулы изобретения вследствие наличия винтового канала, обеспечивающего уменьшение нестационарности измеряемой среды, а следовательно, и уменьшение неинформативной составляющей, приводящей в соответствии с соотношением (4) к дополнительному уменьшению погрешности измерения. Таким образом, техническим результатом заявляемого решения является уменьшение погрешности измерения датчика при воздействии нестационарных температур и повышенных виброускорений за счет увеличения информативной составляющей и частичного уменьшения неинформативной составляющей выходного сигнала датчика давления на основе тонкопленочной НиМЭМС.
0g
нg
Для серийно изготавливаемых тензорезисторных датчиков на основе тонкопленочных НиМЭМС типа Вт212А.1 экспериментально определены при увеличении напряжения питания в 2 раза допустимые отклонения основной статической погрешности при g-ом напряжении питания от основной статической погрешности при номинальном напряжении питания|±Δγ|=0,05, а также приведенной погрешности от нелинейности при g-ом напряжении питания от приведенной погрешности от нелинейности при номинальном напряжении питания |±Δγ|=0,06. Полученные экспериментальные результаты свидетельствуют о практическом отсутствии дополнительного перегрева НиМЭМС повышенным в 2 раза напряжением питания и о высокой стойкости датчиков Вт212А.1 к воздействию повышенного напряжения питания, а следовательно, увеличение напряжения питания датчиков Вт212А.1 в 2 раза не приводит к значимому изменению температуры НиМЭМС, что в соответствии с выражением (2) означает практическое отсутствие изменения неинформативнной составляющей выходного сигнала, а следовательно, учитывая, что информативная составляющая сигнала при увеличении напряжении питания в 2 раза в соответствии с соотношением (5) также увеличится в 2 раза, относительная погрешность датчика в соответствии с соотношением (6) уменьшится в 2 раза. Вышеприведенный анализ справедлив для датчика давления с тонкопленочной НиМЭМС по п. 2 формулы изобретения.