ТОНКОПЛЕНОЧНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ
THIN-FILM PRESSURE SENSOR

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 тонкопленочного датчика давления, предназначенная для измерения давления в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды, содержащая корпус, круглую мембрану с периферийным основанием, по которому мембрана закреплена в корпусе, соединенные перемычками из низкоомного материала и включенные соответственно в противоположные плечи измерительного моста окружные и радиальные тензорезисторы, выполненные в виде соединенных низкоомными перемычками одинакового количества, имеющих одинаковую форму тензоэлементов, расположенных по окружности на периферии мембраны [1].
Недостатком известной конструкции является сравнительно большая погрешность измерения давления в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды вследствие различного влияния дополнительных низкоомных перемычек, соединяющих окружные и радиальные тензорезисторы на сопротивления этих тензорезисторов в процессе изменения температуры. Это вызвано изменением сопротивлений низкоомных перемычек при изменении температуры из-за большого (примерно на 2 порядка) температурного коэффициента сопротивления (ТКС) материала перемычек по сравнению с тензорезистивным материалом, а также различными конфигурацией и размерами перемычек, соединяющих окружные и радиальные тензорезисторы.
Известна конструкция тонкопленочного датчика давления, предназначенная для измерения давления в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды, выбранная в качестве прототипа, содержащая корпус, круглую мембрану с периферийным основанием, по которому мембрана закреплена в корпусе, соединенные тонкопленочными перемычками из низкоомного материала и включенные соответственно в противоположные плечи измерительного моста окружные и радиальные тензорезисторы, выполненные в виде соединенных тонкопленочными перемычками одинакового количества имеющих одинаковую форму тензоэлементов, расположенных по окружности на периферии мембраны, причем тонкопленочные перемычки, которыми соединены тензоэлементы окружных и радиальных тензорезисторов, частично замкнуты дополнительными перемычками [2].
Недостатком известной конструкции является большая погрешность при воздействии нестационарной температуры окружающей среды, направленной не вдоль оси симметрии датчика. В случае воздействия нестационарной температуры окружающей среды вследствие несимметричной относительно мест размещения тензорезисторов плотности теплового потока тензорезисторы нагреваются или охлаждаются неравномерно. Различная температура тензорезисторов приводит к дополнительному изменению выходного сигнала мостовой измерительной схемы датчика, в которую включены тензорезисторы, вследствие двух причин. Одной из причин является зависимость сопротивления тензорезисторов от их температуры, что характеризуется температурными коэффициентами сопротивлений тензорезисторов. Другой причиной является взаимодействие множества последовательно и встречно включенных термоэдс, возникающих на границах разделов тензоэлементов и перемычек вследствие случайным образом распределенных по поверхности чувствительного элемента неоднородностей структуры и неидентичности физических характеристик тензоэлементов и перемычек, находящихся в нестационарном температурном поле.
-2
Недостатком известной конструкции является также большая погрешность при воздействии повышенных (более 10000 мс) виброускорений, которые вследствие значительных виброперемещений вызывают несимметричное и неравномерное повышение температуры элементов конструкции и, соответственно, аналогичные явления, описанные при воздействии нестационарной температуры окружающей среды. Кроме того, значительные виброперемещения, вызванные повышенными виброускорениями иногда приводят к разрушению элементов конструкции датчика.
Целью предлагаемого изобретения является уменьшение погрешности измерения в условиях воздействия нестационарной температуры окружающей среды и повышенных виброускорений за счет уменьшения различия температур тензорезисторов и термоэлектрических неоднородностей путем уменьшения и выравнивания по величине плотности тепловых потоков, проходящих через тензорезисторы и термоэлектрические неоднородности. Кроме того, целью предлагаемого изобретения является повышение виброустойчивости за счет уменьшения виброперемещений, вызванных виброускорениями.
Поставленная цель достигается тем, что в тонкопленочном датчике давления, содержащем корпус, круглую мембрану с периферийным основанием, по которому мембрана закреплена в корпусе, соединенные тонкопленочными перемычками из низкоомного материала и включенные соответственно в противоположные плечи измерительного моста окружные и радиальные тензорезисторы, выполненные в виде соединенных тонкопленочными перемычками одинакового количества имеющих одинаковую форму тензоэлементов, расположенных по окружности на периферии мембраны, причем тонкопленочные перемычки, которыми соединены тензоэлементы окружных и радиальных тензорезисторов, частично замкнуты дополнительными перемычками, согласно изобретения расстояние между внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью периферийного основания в области размещения тензорезисторов и размеры периферийного основания связаны соотношением
0
где L - высота части периферийного основания, не контактирующей с корпусом;
K
r - радиус внутренней поверхности корпуса;
0
r - радиус наружной поверхности периферийного основания в области размещения тензорезисторов;
0B
r - радиус внутренней поверхности периферийного основания;
0
λ - коэффициент теплопроводности материала периферийного основания;
C
λ - коэффициент теплопроводности среды между корпусом и периферийным основанием.
Кроме того, соединение периферийного основания с корпусом выполнено в области между уплотнительной поверхностью периферийного основания, по которой датчик присоединятся к измеряемой среде, и максимальным наружным диаметром корпуса, а максимальный диаметр наружной поверхности периферийного основания в области соединения с корпусом выполнен равным максимальному диаметру уплотнительной поверхности периферийного основания, причем часть периферийного основания, не контактирующая с корпусом, находится между областью соединения периферийного основания с корпусом и областью максимального наружного диаметра корпуса.
На фиг.1 изображен предлагаемый тонкопленочный датчик давления по п.1. формулы, на фиг.2 - то же, по п.2 формулы.
Тонкопленочный датчик давления содержит корпус 1, круглую мембрану 2 с периферийным основанием 3, по которому мембрана закреплена в корпусе, соединенные тонкопленочными перемычками 4 из низкоомного материала и включенные соответственно в противоположные плечи измерительного моста окружные 5 и радиальные 6 тензорезисторы, выполненные в виде одинакового количества соединенных перемычками 4, имеющих одинаковую форму тензоэлементов 7, расположенных по окружности на периферии мембраны, находящейся около ее границы. Мембрана 2 с периферийным основанием 3 выполнена из сплава 36НКВХБТЮ.
Выводные проводники 8 соединяют тензорезисторы с гермовыводами 9. Провода 10 соединяют гермовыводы с внешней измерительной схемой. Изоляторы 11 электрически изолируют гермовыводы от корпуса. На планарную сторону мембраны последовательно методами тонкопленочной технологии нанесена тонкая изоляционная пленка 12 из моноокиси кремния с подслоем хрома. Тензоэлементы 7, выполненные из сплава Х20Н75Ю, и перемычки 4, выполненные из золота Зл 999,9 с подслоем ванадия, образуют вместе тензосхему. Тонкопленочные перемычки, которыми соединены тензоэлементы окружных и радиальных тензорезисторов, частично замкнуты дополнительными перемычками.
Расстояние между внутренней поверхностью корпуса 1 и наружной поверхностью периферийного основания 3 в области размещения тензорезисторов и размеры периферийного основания 3 связаны заявляемым соотношением.
Соединение периферийного основания 3 с корпусом 1 выполнено в области между уплотнительной поверхностью 13 периферийного основания 3, по которой датчик присоединятся к измеряемой среде, и максимальным наружным диаметром корпуса 1. Максимальный диаметр наружной поверхности периферийного основания 3 в области соединения с корпусом 1 выполнен равным максимальному диаметру уплотнительной поверхности 13 периферийного основания 3. Часть периферийного основания 3, не контактирующая с корпусом 1, находится между областью соединения периферийного основания 3 с корпусом 1 и областью максимального наружного диаметра корпуса 1.
Датчик давления работает следующим образом. Измеряемое давление воздействует на мембрану 2 со стороны, противоположной расположению тензосхемы. На планарной поверхности мембраны возникают радиальные и тангенциальные напряжения и деформации, которые воспринимаются тензоэлементами 7 окружных 5 и радиальных 6 тензорезисторов. Воздействие деформации от измеряемого давления на окружные тензорезисторы 5 приводит к увеличению их сопротивлений, а воздействие деформации от измеряемого давления на радиальные тензорезисторы 6 приводит к уменьшению их сопротивлений. Так как окружные 5 и радиальные 6 тензорезисторы включены соответственно в противоположные плечи измерительного моста, то при подаче на него питающего напряжения формируется выходной сигнал, величина которого однозначно связана с измеряемым давлением. Выводные проводники 8 и гермовыводы 9 обеспечивают подачу на измерительный мост напряжения питания и снятие выходного сигнала.
Для обоснования наличия причинно-следственной связи между совокупностью признаков и достигаемым техническим результатом рассмотрим более подробно конструкцию датчика давления в условиях воздействия нестационарной температуры окружающей среды, направленной под углом к оси датчика, и повышенных виброускорений.
При измерении давления в условиях воздействия нестационарной температуры окружающей среды, направленной под углом к оси датчика, например, в диапазоне температур 50-200°С на датчик, установленный на агрегате жидкостного реактивного двигателя, захоложенного до температуры жидкого кислорода или водорода, в датчике возникает нестационарное температурное поле. К аналогичному явлению приводит воздействие на датчик повышенных виброускорений.
При воздействии нестационарной температуры окружающей среды и повышенных виброускорений на корпус датчика можно выделить следующие тепловые потоки:
М
- тепловой поток от корпуса к мембране упругого элемента по кратчайшему пути Ф;
О
- тепловой поток от корпуса к мембране упругого элемента по периферийному основанию Ф;
Г
- тепловой поток от корпуса к гермовыводам Ф.
М
О
Для более равномерного распределения температур на мембране в зонах размещения тензорезисторов необходимо, чтобы тепловой поток от корпуса к мембране по кратчайшему пути был меньше теплового потока от корпуса к мембране по периферийному основанию Ф<Ф. Для выполнения этого условия необходимо, чтобы термическое сопротивление между внутренней поверхностью корпуса 1 и наружной поверхностью периферийного основания 3 в области размещения тензорезисторов было больше термического сопротивления периферийного основания от места присоединения к корпусу до тензосхемы.
Термическое сопротивление между корпусом и мембраной по кратчайшему пути [3]
Термическое сопротивление между корпусом и мембраной по периферийному основанию [3]
где А - площадь поперечного сечения периферийного основания.
Подставляя в выражение (3) выражение (4), после приравнивания выражений (2) и (3) и необходимых преобразований получаем
Полученное соотношение характеризует условие превалирования теплового потока от корпуса к мембране по периферийному основанию над тепловым потоком от корпуса к мембране по кратчайшему пути, а следовательно, условие уменьшения величины теплового потока на мембране, вызванным нестационарной температурой окружающей среды и повышенными виброускорениями. Для дополнительного выравнивания распределения температуры на мембране необходимо, чтобы длина кратчайшего пути теплового потока от корпуса к мембране по периферийному основанию к наиболее удаленной от воздействия нестационарной температуры точке мембраны была равна длине пути теплового потока от корпуса к мембране по периферийному основанию к наиболее близкой от воздействия нестационарной температуры точке мембраны. Длина кратчайшего пути теплового потока от корпуса к мембране по периферийному основанию к наиболее близкой от воздействия нестационарной температуры точке мембраны равна высоте части периферийного основания, не контактирующей с корпусом. Длина кратчайшего пути теплового потока от корпуса к мембране по периферийному основанию к наиболее удаленной от воздействия нестационарной температуры точке мембраны равна части длины кривой, образованной пересечением плоскости, проходящей через наиболее удаленную от воздействия нестационарной температуры точку мембраны, и наиболее близкую к воздействию нестационарной температуры точку периферийного основания. Так как мембрана круглая, то такой кривой является эллипс. Для эллипса с достаточной для данного случая точностью можно определить длину [4]
где а - половина большой оси эллипса,
b - половина малой оси эллипса.
В нашем случае
Тогда
Так как тепловой поток по периферийному основанию к наиболее удаленной точке воздействия направлен по половине длины эллипса и двум направлениям, можно записать выражение длины пути этого теплового потока
0
ЭФ
Приравнивая L=L, после подстановки получим
После решения квадратного уравнения определим минимальную высоту части периферийного основания, не контактирующей с корпусом
Следовательно, для дополнительного выравнивания распределения температуры на мембране необходимо, чтобы высота части периферийного основания, не контактирующей с корпусом удовлетворяла соотношению
После преобразований выражения (5) и объединения с выражением (12) получаем заявляемые соотношения.
k
0
0B
0
С
0
-3
Например, при r=3,9, r=3,8, r=2,5, λ=14,5 Вт/м·К, λ=25,4·10 Вт/м·К получаем 4,64≤L≤8,2.
Так как соединение периферийного основания 3 с корпусом 1 выполнено в области между уплотнительной поверхностью 13 периферийного основания 3, по которой датчик присоединяется к измеряемой среде, и максимальным наружным диаметром корпуса 1, то по сравнению с прототипом, во-первых, уменьшается погрешность от воздействия виброускорений и повышается виброустойчивость за счет уменьшения виброперемещений и нагрева мембраны вследствие приближения мембраны и периферийного основания к уплотнительной поверхности, а, во-вторых, уменьшается величина максимального наружного диаметра периферийного основания, что повышает технологичность и экономичность за счет увеличения коэффициента использования материала. Кроме того, такое решение позволяет уменьшить размеры и массу корпуса, что также повышает виброустойчивость конструкции.
Соединение периферийного основания 3 с корпусом 1 в области между уплотнительной поверхностью 13 и корпуса 1 сохраняет необходимую герметичность вследствие того, что соединение находится за зоной уплотнения и измеряемая среда в этом случае не воздействует на соединение. Соединение периферийного основания 3 с корпусом 1 уменьшает погрешность от воздействия виброускорений и повышается виброустойчивость за счет уменьшения виброперемещений и нагрева соединения вследствие воздействия сжимающего усилия уплотнения, приложенного к максимальному наружному диаметру корпуса, которое обычно создается накидной гайкой на максимальном наружном диаметре корпуса.
Максимальный диаметр наружной поверхности периферийного основания 3 в области соединения с корпусом 1 выполнен равным максимальному диаметру уплотнительной поверхности 13 периферийного основания 3, по следующим причинам. В случае если максимальный диаметр наружной поверхности периферийного основания 3 будет больше максимального диаметра уплотнительной поверхности, то ухудшится технологичность и экономичность вследствие уменьшения коэффициента использования материала. В случае если максимальный диаметр наружной поверхности периферийного основания 3 будет меньше максимального диаметра уплотнительной поверхности, то ухудшатся условия уплотнения датчика при присоединении датчика к изделию, что не допустимо.
Так как часть периферийного основания, не контактирующая с корпусом, находится между областью соединения периферийного основания с корпусом и областью максимального наружного диаметра корпуса, то по сравнению с прототипом, уменьшается погрешность от воздействия виброускорений и повышается виброустойчивость за счет уменьшения виброперемещений и нагрева мембраны вследствие приближения мембраны и периферийного основания к уплотнительной поверхности.
В результате испытаний макетов тонкопленочных датчиков давления в соответствии формулой изобретения установлено, что погрешность при воздействии нестационарной температуры окружающей среды от минус 196 до 25±10°С не превышает 0,7% от предела измерений. Погрешность тонкопленочного датчика давления в соответствии с прототипом в тех же условиях составляет 3%. Погрешность наиболее совершенного серийного тонкопленочного датчика давления Bm 212, предназначенного для измерения давления в изделиях ракетно-космической техники в условиях воздействия нестационарной температуры окружающей среды с ранее указанными параметрами достигает 10% от предела измерений.
Таким образом, преимуществом заявляемого решения является уменьшение погрешности измерения при воздействии нестационарной температуры окружающей среды, вызванной в том числе виброускорениями, за счет уменьшения различия температур тензорезисторов и термоэлектрических неоднородностей путем уменьшения и выравнивания по величине плотности тепловых потоков, проходящих через тензорезисторы и эти неоднородности. Преимуществом заявляемой конструкции является также улучшение массогабаритных характеристик за счет уменьшения размеров и массы корпуса.
Кроме того, заявляемое решение обеспечивает уменьшение погрешности от воздействия виброускорений и повышение виброустойчивости за счет уменьшения виброперемещений и нагрева мембраны вследствие приближения мембраны и периферийного основания к уплотнительной поверхности, а также уменьшения размеров и массы корпуса. Кроме этого, заявляемое решение обеспечивает повышение технологичности и экономичности вследствие увеличения коэффициента использования материала. Преимуществом заявляемой конструкции является также то, что достижение более высоких характеристик происходит при сохранении необходимой герметичности присоединения к изделию вследствие нахождения соединения за зоной уплотнения и измеряемая среда в этом случае не воздействует на соединение.
Источники информации
1. Патент RU № 1615578, МПК G01L 9/04, Бюл. № 47, 23.12.90.
2. Патент RU № 2312319, МПК G01L 9/04, Бюл. № 34, 10.12.2007.
3. Теплопроводность твердых тел: Справочник./Под редакцией А.С.Охотина. М.: Энергоатомиздат, 1984. 320 с.
4. Бронштейн И.Н., Сеиендиев К.А. Справочник по математике, М.: Наука, 1980, 976 с.