ТЕНЗОРЕЗИСТОРНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ ТОНКОПЛЕНОЧНОЙ НАНО- И МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
STRAIN GAGE PRESSURE SENSOR BASED ON THIN-FILM NANO- AND MICROELECTROMECHANICAL SYSTEM

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике, в частности к тензорезисторным датчикам давления на основе тонкопленочных нано- и микроэлектромеханических систем (НиМЭМС) с мостовой измерительной цепью, предназначенным для использования в системах управления, контроля и диагностики технически сложных объектов длительного функционирования в условиях воздействия широкого диапазона температур и виброускорений в составе изделий авиационной и ракетной техники.
Известен датчик давления, содержащий корпус со штуцером, основание, упругую балку, тензорезисторы, соединенные в мостовую схему, мембрану, шток, пропущенный через отверстие основания, контактную площадку, первые дополнительные выступы, сформированные на периферии основания симметрично его центра, четыре цилиндрических сквозных отверстия, продольные оси которых перпендикулярны продольной оси упругой балки, вторые дополнительные выступы, сформированные на основании на удалении от первых дополнительных выступов, микропровода, контакты [1].
Недостатком известной конструкции является сравнительно низкая временная и температурная стабильность в условиях воздействия широкого диапазона температур и виброускорений, объясняемая недостаточной жесткостью закрепления балки и влиянием на балку напряжений и деформаций, возникающих в основании при воздействии дестабилизирующих факторов на датчик. Кроме того, точность измерений недостаточна вследствие ограниченной чувствительности примененной упругой балки из-за невозможности изготовления очень тонких балок вследствие потери устойчивости в результате воздействия остаточных деформаций после механической обработки поверхности размещения тензорезисторов из-за отсутствия жесткой фиксации и идентичности фиксации концов балки при ее изготовлении и закреплении на основании.
Недостатком известного датчика являются также ограниченные функциональные возможности, заключающиеся в невозможности размещения на балке дополнительных тензорезисторов и других элементов, необходимых для организации дополнительного независимого канала измерения или для организации систем диагностирования вследствие ограниченных поперечных размеров балки в местах размещения тензорезисторов.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является датчик давления, содержащий корпус со штуцером, мембрану, связанную при помощи штока с центральной частью, закрепленной на основании своими концами упругой балки в виде прямоугольного параллелепипеда. На внешней поверхности прямоугольного параллелепипеда параллельно продольной оси балки размещены тензорезисторы, а в его боковых гранях под зонами размещения тензорезисторов выполнены сквозные выемки, образующие утолщения вне зон размещения тензорезисторов и перемычку, соединяющую концы балки между собой. В центральной части перемычки симметрично относительно поперечной оси балки выполнено сквозное отверстие с размерами, превышающими поперечные размеры штока, и шток частично размещен в отверстии перемычки [2].
Недостатком известной конструкции является сравнительно низкая временная и температурная стабильность в условиях воздействия широкого диапазона температур и виброускорений, объясняемая недостаточной жесткостью фиксации концов балки при изготовлении и влиянием на балку напряжений и деформаций, возникающих в основании при воздействии дестабилизирующих факторов на датчик вследствие отсутствия компенсации этих напряжений и деформаций.
Другим недостатком известного датчика является недостаточная точность измерений вследствие ограниченной чувствительности упругой балки из-за невозможности изготовления достаточно тонких балок вследствие потери устойчивости в результате воздействия остаточных деформаций после механической обработки поверхности размещения тензорезисторов из-за отсутствия жесткой фиксации и идентичности фиксации концов балки при ее изготовлении и закреплении на основании.
Целью изобретения является повышение временной и температурной стабильности, ресурса, срока службы и чувствительности в условиях воздействия широкого диапазона температур и виброускорений за счет повышения жесткости и идентичности фиксации концов балки при ее изготовлении и установке на основание, компенсации напряжений и деформаций, возникающих в основании при воздействии широкого диапазона температур и виброускорений.
Поставленная цель достигается тем, что в тензорезисторном датчике давления на основе тонкопленочной НИМЭМС, содержащем корпус со штуцером, мембрану, связанную при помощи штока с центральной частью, закрепленной на основании своими концами упругой балки в виде прямоугольного параллелепипеда, на внешней поверхности которого размещены тензорезисторы, а в его боковых гранях под зонами размещения тензорезисторов выполнены сквозные выемки, образующие утолщения вне зон размещения тензорезисторов и перемычку, соединяющую концы балки между собой, а в центральной части перемычки симметрично относительно поперечной оси балки выполнено сквозное отверстие с размерами, превышающими поперечные размеры штока, и шток частично размещен в отверстии перемычки, в соответствии с заявляемым изобретением сквозные выемки выполнены в виде элементов торовых поверхностей, размещенных симметрично относительно поперечной оси балки, а перемычка выполнена в виде цилиндрического кольца и элементов торовых поверхностей, отделенных от рабочей части балки прорезями, выполненными параллельно продольной оси балки, при этом тензорезисторы размещены симметрично продольной оси балки на минимально возможном расстоянии друг от друга, а элементы торовых поверхностей сопрягаются с центральной частью балки и цилиндрическим кольцом, и цилиндрическое кольцо выполнено заодно целое с концами балки и закреплено на основании, на равном удалении от концов балки, причем радиус r торовых поверхностей и расстояние L между внешней поверхностью балки и центрами радиусов торовых поверхностей выбраны по соотношениям
min
r=(7…10)D, L=r+H,
где D - внутренний диаметр цилиндрического кольца,
min
H - минимальная толщина балки.
Обоснование наличия причинно-следственной связи между достигнутым техническим результатом и конструкцией датчика проведем следующим образом. Выполнение сквозных выемок в виде элементов торовых поверхностей, размещенных симметрично относительно поперечной оси балки, обеспечивает равномерность и близость по абсолютной величине деформаций в зоне размещения тензорезисторов, что повышает температурную и временную стабильность. Перемычка выполнена в виде цилиндрического кольца и элементов торовых поверхностей жесткости и идентичности фиксации концов балки при ее изготовлении и установке на основание. Отделение от рабочей части балки прорезями, выполненными параллельно продольной оси балки, уменьшает влияние на балку напряжений и деформаций, возникающих в основании при воздействии широкого диапазона температур и виброускорений. Тензорезисторы размещены симметрично продольной оси балки на минимально возможном расстоянии друг от друга для обеспечения идентичности деформаций (по абсолютной величине), воспринимаемых тензорезисторами при измерении давления, а следовательно, для повышения временной и температурной стабильности. Кроме того, предлагаемое размещение тензорезисторов обеспечивает минимальную погрешность от нелинейности градуировочной характеристики датчика вследствие минимальности влияния в этом случае несоосности штока и балки. Сопряжение элементов торовых поверхностей с центральной частью балки и цилиндрическим кольцом дополнительно обеспечивает равномерность распределения деформаций в балке от измеряемого давления. Цилиндрическое кольцо выполнено заодно целое с концами балки и закреплено на основании, на равном удалении от концов балки для обеспечения повышения жесткости и идентичности фиксации концов балки при ее изготовлении и установке на основание, компенсации напряжений и деформаций, возникающих в основании при воздействии широкого диапазона температур и виброускорений. Заявляемые соотношения радиуса r торовых поверхностей и расстояния L между внешней поверхностью балки и центрами радиусов торовых поверхностей дополнительно обеспечивают равномерность распределения деформаций в балке от измеряемого давления, а следовательно, повышает временную и температурную стабильность, ресурс, срок службы и чувствительность датчика.
На фиг.1 показана конструкция предлагаемого датчика. На фиг.2 - балка с перемычкой в виде цилиндрического кольца. Соотношения между элементами конструкции для наглядности изменены.
Датчик содержит корпус 1 со штуцером 2, мембрану 3, связанную при помощи штока 4 с центральной частью 5, закрепленной на основании 6 своими концами 7 упругой балки 8 в виде прямоугольного параллелепипеда, на внешней поверхности которого параллельно продольной оси 9 балки 8 размещены тензорезисторы 10. В боковых гранях балки 8 под зонами размещения тензорезисторов 10 выполнены сквозные выемки 11, образующие утолщения 12 вне зон размещения тензорезисторов 10 и перемычку 13, соединяющую концы 7 балки 8 между собой. В центральной части перемычки 13 симметрично относительно поперечной оси 14 балки 8 выполнено отверстие 15 с размерами, превышающими поперечные размеры штока 4, который частично размещен в отверстии 15 перемычки 13. Сквозные выемки 11 выполнены в виде элементов торовых поверхностей 16, размещенных симметрично относительно поперечной оси 14 балки 8, а перемычка 13 - в виде цилиндрического кольца 17 и элементов торовых поверхностей 16, отделенных от рабочей части балки 8 прорезями 18, выполненными параллельно продольной оси 9 балки 8. Тензорезисторы 10 размещены симметрично продольной оси 9 балки 8 на минимально возможном (определяемом возможностями технологии) расстоянии друг от друга. Тензорезисторы 10 имеют контактные площадки 19. Элементы торовых поверхностей 16 сопрягаются с центральной частью 5 балки 8 и цилиндрическим кольцом 17. Цилиндрическое кольцо 17 выполнено заодно целое с концами 7 балки 8 и закреплено на основании 6 в местах закрепления 20, на равном удалении от концов 7 балки 8. Радиус r торовых поверхностей 16 и расстояние L между внешней поверхностью балки 8 и центрами радиусов торовых поверхностей 16 выбраны по заявляемым соотношениям.
Датчик работает следующим образом. Измеряемое давление воздействует на мембрану 3. Мембрана 3, а вместе с ней и упругая балка 8 деформируются. Деформация упругой балки 8 воспринимается размещенными на ней тензорезисторами 10. Изменения сопротивлений тензорезисторов 10, вызванные деформацией балки 8, преобразуются мостовой измерительной цепью, в которую включены тензорезисторы 10, в выходное напряжение, снимаемое с внешних выводов 21 датчика.
В связи с выполнением конструкции в соответствии с заявляемым решением обеспечивается повышение временной и температурной стабильности, ресурса, срока службы и чувствительности в условиях воздействия широкого диапазона температур и виброускорений за счет повышения жесткости и идентичности фиксации концов балки при ее изготовлении и установке на основание, компенсации напряжений и деформаций, возникающих в основании при воздействии широкого диапазона температур и виброускорений. Кроме того, предлагаемое решение обеспечивает минимальную погрешность от нелинейности статической характеристики датчика вследствие минимальности влияния в этом случае несоосности штока и балки.
Таким образом, техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение временной и температурной стабильности, ресурса, срока службы и чувствительности в условиях воздействия широкого диапазона температур и виброускорений за счет повышения жесткости и идентичности фиксации концов балки при ее изготовлении и установке на основание, компенсации напряжений и деформаций, возникающих в основании при воздействия широкого диапазона температур и виброускорений. Кроме того, предлагаемое решение обеспечивает минимальную погрешность от нелинейности статической характеристики датчика вследствие минимальности влияния в этом случае несоосности штока и балки.
Источники известности
1. RU патент №2082125 C2, G01L 9/04. Датчик давления. Опубл. 20.06.97. БИ №17.
2. RU патент №2166741 C2, G01L 9/04. Датчик давления. Опубл. 10.05.2001. БИ №13.