СПОСОБ НАСТРОЙКИ ТЕРМОУСТОЙЧИВОГО ДАТЧИКА ДАВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ ТОНКОПЛЁНОЧНОЙ НАНО- И МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
METHOD FOR ADJUSTMENT OF THERMALLY STABLE PRESSURE SENSOR BASED ON THIN-FILM NANO- AND MICRO-ELECTROMECHANICAL SYSTEM

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники, в частности к датчикам давления на основе тонкопленочных тензорезисторных нано- и микроэлектромеханических систем, предназначенным для измерения давления в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды. Современные тонкопленочные тензорезисторные датчики давления относятся к изделиям нано- и микросистемной техники [1, 2].
Известен способ настройки датчика давления на основе тонкопленочной тензорезисторной нано- и микроэлектромеханической системы, заключающийся во введении в мостовую измерительную цепь из тензорезисторов компенсационного резистора, воздействии нестационарной температуры измеряемой среды на мембрану датчика, определении начального выходного сигнала и его изменении от действия температуры, определении необходимой величины сопротивлений компенсационного резистора и закорачивании компенсационного резистора до необходимой величины [3]. Недостатком известного решения является невозможность уменьшения нескомпенсированной термоэдс датчика и минимизации за счет этого погрешности от воздействия нестационарной температуры.
Известен способ настройки термоустойчивого датчика давления на основе тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системы, заключающийся во введении в мостовую измерительную цепь из тензорезисторов двух компенсационных резисторов, воздействии нестационарной температуры измеряемой среды на мембрану датчика, определении начального выходного сигнала и его изменении от действия температуры, определении необходимой величины сопротивлений компенсационных резисторов и закорачивании компенсационных резисторов до необходимой величины [4]. Недостатком известного решения является невозможность уменьшения нескомпенсированной термоэдс датчика и минимизации за счет этого погрешности от воздействия нестационарной температуры.
Целью предлагаемого изобретения является уменьшение погрешности датчиков давления на основе тонкопленочных нано- и микроэлектромеханических систем при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды за счет уменьшения влияния нескомпенсированной термоэдс.
Устранение вышеуказанных недостатков и достижение цели осуществляется тем, что в способе настройки термоустойчивого датчика давления на основе тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системы, заключающемся во введении в мостовую измерительную цепь из тензорезисторов двух компенсационных резисторов, воздействии нестационарной температуры измеряемой среды на мембрану датчика, определении начального выходного сигнала и его изменении от действия температуры, определении необходимой величины сопротивлений компенсационных резисторов и закорачивании компенсационных резисторов до необходимой величины, в соответствии с предлагаемым изобретением первый компенсационный резистор выполняют из материала, имеющего контактную разность потенциалов с материалом закорачивающей перемычки, близкую к нулю, размещают его в зоне минимального градиента температурного поля по длине резистора при воздействии нестационарной температуры на минимально возможном расстоянии от тензорезисторов, а второй компенсационный резистор выполняют из материала, имеющего контактную разность потенциалов с закорачивающей перемычкой, существенно превышающую контактную разность потенциалов между первым компенсационным резистором и закорачивающей перемычкой, размещают его в зоне максимального градиента температурного поля по длине резистора при воздействии нестационарной температуры, причем сначала определяют необходимую величину второго компенсационного резистора при выключенном напряжении питания и воздействии нестационарной температуры и включают его в мостовую измерительную цепь из тензорезисторов, а затем определяют необходимую величину первого компенсационного резистора при включенном напряжении питания и стационарных температурах.
Предлагаемый способ настройки осуществляется следующим образом. Выполняют первый компенсационный резистор 1 (фиг. 1) из двух частей в виде тонкой пленки из золота Зл. 999,9, т.е. из материала, имеющего контактную разность потенциалов с материалом закорачивающей перемычки золотой проволоки Зл 999,9, близкую к нулю. Разрыв первого компенсационного резистора 1 (соединение его частей) осуществляется соединением при помощи закорачивающей перемычки контактных площадок 2 и 3.
Для размещения первого компенсационного резистора 1 в зоне минимального градиента температурного поля по длине компенсационного резистора размещают его по окружности, центр которой находится в центре мембраны, т.к. в случае использования круглой мембраны при воздействии нестационарной температуры изотермы на круглой мембране расположены по окружности, центр которой расположен в центре мембраны. Если мембрана будет выполнена в виде квадрата, то первый компенсационный резистор должен быть размещен, исходя из вышеизложенных соображений, параллельно сторонам мембраны. Минимально возможное расстояние от тензорезисторов определяется как технологическими особенностями оборудования для формирования тонкопленочных структур, так и необходимостью минимизации влияния сварки закорачивающих перемычек к компенсационному резистору на характеристики тензорезисторов 4. Второй компенсационный резистор 5 выполняют, например, из тонкой пленки никеля, имеющего контактную разность потенциалов с закорачивающей перемычкой 6, существенно превышающую контактную разность потенциалов между первым компенсационным резистором 1 и его закорачивающей перемычкой (т.е. золото-золото).
Так как в круглой мембране максимальный градиент температурного поля при нестационарной температуре наблюдается по радиусу мембраны, то второй компенсационный резистор 5 размещают по радиусу мембраны.
Термоустойчивый датчик давления работает следующим образом. При воздействии нестационарной температуры на датчик на его мембране возникает неравномерное температурное поле. В результате воздействия неравномерного температурного поля на элементы топологии тензочувствительной схемы в ней возникают нескомпенсированные термоэдс. Вследствие размещения второго компенсационного резистора 5 в зоне максимального градиента температурного поля, выполнения его из материала, имеющего контактную разность потенциалов, существенно превышающую контактную разность потенциалов между первым компенсационным резистором 1 и закорачивающей перемычкой 6, соединенной с контактной площадкой 7, а также вследствие выполнения закорачивающей перемычки 6 в определенном месте на выходе второго компенсационного резистора 5 формируется термоэдс, которая компенсирует нескомпенсированную термоэдс тензочувствительной схемы.
Вследствие выполнения первого компенсационного резистора 1 из материала, имеющего контактную разность потенциалов с материалом закорачивающей перемычки контактных площадок 2 и 3, близкую к нулю, и размещением его в зоне минимального градиента температурного поля по длине резистора при воздействии нестационарной температуры на минимально. возможном расстоянии от тензорезисторов, первый компенсационный резистор 1 проводит компенсацию температурной погрешности только в стационарном температурном режиме.
Датчик с топологией фиг. 2 работает аналогично датчику с топологией фиг. 1 с той лишь разницей, что сигнал, зависящий от нестационарной температуры измеряемой среды, формируется пропорционально разности контактных разностей потенциалов, образующихся дополнительной контактной площадкой 8, перемычкой 9, вторым компенсационным резистором 5 и контактной площадкой 7, перемычкой 6, вторым компенсационным резистором 5.
Таким образом, техническим результатом заявляемого решения является уменьшение погрешности термоустойчивого датчика давления на основе тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системы при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды за счет уменьшения влияния нескомпенсированной термоэдс. При испытаниях экспериментальных образцов датчиков давления на основе тонкопленочных нано- и микроэлектромеханических систем, настроенных в соответствии с предлагаемым способом, подтверждено уменьшение погрешности измерения в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды не менее чем в 2 раза по сравнению с прототипом.
Один из вариантов практической реализации заявляемого способа настройки термоустойчивого датчика давления фиг. 1 изложен ниже. Датчик помещают в технологическое приспособление, обеспечивающее возможность подачи измеряемой среды, например жидкого азота с температурой минус 196°С, только на приемную полость датчика, что соответствует реальным условиям эксплуатации датчиков. Контактные площадки датчика, соответствующие точкам (контактным площадкам) 10-15 мостовой измерительной цепи, соединяют с контактами технологической колодки 16, источником напряжения 17 и вольтметром 18 (фиг. 3).
Для повышения точности настройки замыкание как первого, так и второго компенсационного резистора может осуществляться при помощи дополнительных технологических перемычек - переключателей 19 (S1) и 20 (S2).
K2
K2
t0
tK2
Размыкают переключатель 21 (S3), т.е. выключают напряжение питания. В нормальных климатических условиях замыкают переключатель 30 (S2), чем полностью закорачивают второй компенсационный резистор 5 (R), т.е. R=0. По вольтметру измеряют начальный выходной сигнал U датчика при полностью закороченном втором компенсационном резисторе и постоянной температуре. Размыкают переключатель 20 (S2), включая тем самым в мостовую измерительную цепь из тензорезисторов второй компенсационный резистор с его максимальным сопротивлением. По вольтметру измеряют начальный выходной сигнал U датчика при полностью включенном втором компенсационном резисторе и постоянной температуре. Вычисляют изменение начального выходного сигнала датчика при изменении сопротивления второго компенсационного резистора от нуля до его максимального значения при постоянной температуре по формуле
K2
tK2
Заливают жидкий азот в приспособление, изменяя тем самым температуру измеряемой среды от температуры нормальных климатических условий 25±10°С до минус 196°С. По вольтметру измеряют максимальное изменение начального выходного сигнала датчика U(t) относительно напряжения U.
Вычисляют максимальное изменение начального выходного сигнала датчика при резком изменении температуры измеряемой среды при постоянном сопротивлении второго компенсационного резистора, равном его максимальному значению по формуле
t0
Выливают жидкий азот из приспособления. Выдерживают датчик в нормальных климатических условиях до полного восприятия датчиком температуры нормальных климатических условий. Замыкают переключатель 20 (S2), уменьшая тем самым сопротивление второго компенсационного резистора до нуля. По вольтметру измеряют начальный выходной сигнал U датчика при полностью закороченном втором компенсационном резисторе и постоянной температуре.
0
t0
Заливают жидкий азот в приспособление, изменяя тем самым температуру измеряемой среды от температуры нормальных климатических условий до минус 196°C. По вольтметру измеряют максимальное изменение начального выходного сигнала U(t) относительно напряжения U.
Выливают жидкий азот из приспособления. Выдерживают датчик в нормальных климатических условиях до полного восприятия датчиком температуры нормальных климатических условий. Вычисляют максимальное изменение начального выходного сигнала датчика при резком изменении температуры измеряемой среды при постоянном сопротивлении второго резистора, равном нулю
Определяют требуемое сопротивление второго компенсационного резистора по соотношению
K2
1
Закорачивают второй компенсационный резистор 5 до требуемого сопротивления перемычкой. Если по соотношению получают отрицательный знак сопротивления R, то его включают в плечо R мостовой схемы. Для этого проводник, идущий с контактной площадки 11, перебрасывают с контакта 23 на контакт 24 технологической колодки 16, а проводник, соединяющий контактную площадку 10 с контактом 24, на контакт 23 технологической колодки 16 (фиг. 3).
t01
tK1
Размыкают переключатель 20 (S2). В нормальных климатических условиях (при замкнутом переключателе 19 (S1)) по вольтметру измеряют начальный выходной сигнал датчика при полностью закороченном первом компенсационном резисторе 1 и постоянной температуре U. Размыкают переключатель 19 (S1), включая тем самым в мостовую измерительную цепь из тензорезисторов первый компенсационный резистор 1. По вольтметру измеряют начальный выходной сигнал датчика при полностью включенном первом компенсационном резисторе 1 и постоянной температуре U. Вычисляют изменение начального выходного сигнала датчика при изменении сопротивления первого компенсационного резистора 1 от нуля до его максимального значения при постоянной температуре по формуле
K1
tK1
Заливают жидкий азот в приспособление, изменяя тем самым температуру измеряемой среды от температуры нормальных климатических условий до минус 196°C. Выдерживают датчик до полного восприятия температуры минус 196°C (обычно не менее 15 мин). По вольтметру измеряют максимальное изменение начального выходного сигнала датчика U(t) относительно напряжения U. Вычисляют максимальное изменение начального выходного сигнала датчика при изменении температуры измеряемой среды при постоянном сопротивлении первого компенсационного резистора, равном его максимальному значению, по формуле
t01
Выливают жидкий азот из приспособления. Выдерживают датчик в нормальных климатических условиях до полного восприятия датчиком температуры нормальных климатических условий. Замыкают переключатель 19 (S1), уменьшая тем самым сопротивление первого компенсационного резистора 1 до нуля. По вольтметру измеряют начальный выходной сигнал датчика при полностью закороченном первом резисторе и постоянной температуре U.
01
t01
Заливают жидкий азот в приспособление, изменяя тем самым температуру измеряемой среды от температуры нормальных климатических условий до минус 196°C. По вольтметру измеряют максимальное изменение начального выходного сигнала датчика U(t) относительно напряжения U. Вычисляют максимальное изменение начального выходного сигнала датчика при резком изменении температуры измеряемой среды при постоянном сопротивлении первого компенсационного резистора, равном нулю
Определяют требуемое сопротивление первого компенсационного резистора по соотношению
K1
3
Закорачивают первый компенсационный резистор до требуемого сопротивления перемычкой, например, сваркой (фиг. 1). Если по соотношению получается отрицательный знак сопротивления R, то его включают в плечо R, перебрасывая соответствующие перемычки для первого компенсационного резистора.
Предлагаемый способ настройки термоустойчивого датчика давления реализован также в датчике давления с топологией, изображенной на фиг. 2. Особенностью реализации предлагаемого способа настройки в датчике фиг. 2 является возможность уменьшения количества рабочих контактных площадок с 6 до 5. Контактная площадка 15 используется только для технологических операций при замыкании второго компенсационного резистора, а в готовом датчике она не используется для коммутации. В остальном реализация способа настройки датчика фиг. 2 проводится аналогично реализации способа, приведенного для датчика фиг. 1.
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. Патент №2031355, МПК G01B 7/16. Бюл. №8. 20.03.92.
4 RU. Патент №2028584, МПК G01L 9/04. Бюл. №4. 09.02.95.