ТЕНЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ
PRESSURE STRAIN-GAUGE SENSOR

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления жидкостей и газов.
Известен тензопреобразователь давления, содержащий выполненную из монокристаллического кремния плоскую диафрагму, на которой расположены продольные и поперечные тензорезисторы. При этом диафрагма имеет разную толщину, причем толщина у краев больше толщины ее средней части, а указанные тензорезисторы расположены на части с большей толщиной (Патент RU №2237873, G01L 9/04, Тензопреобразователь давления, 10.10.2004).
Указанный тензопреобразователь работает следующим образом. Под действием измеряемого давления диафрагма прогибается, что вызывает деформацию диафрагмы, которая передается поперечным и продольным тензорезисторам. При этом сопротивление двух тензорезисторов увеличивается, а двух других уменьшается. Изменение сопротивления тензорезисторов, объединенных в мостовую схему, приводит к возникновению выходного электрического сигнала:
где Е - напряжение питания мостовой схемы,
и  - сопротивление продольного и поперечного тензорезисторов соответственно.
Наличие у диафрагмы утолщенных краев позволяет расширить область максимальных деформаций в местах расположения тензорезисторов, что приводит к увеличению чувствительности устройства:
где Р - измеряемое давление.
Недостатком такого устройства является применение в мостовой схеме поперечных тензорезисторов, тензочувствительность  которых меньше, чем у продольных  (для тензорезисторов из поликристаллического кремния p-типа , ). Кроме того, наличие утолщенных краев диафрагмы приводит к большей нелинейности преобразовательной характеристики по сравнению с плоской диафрагмой.
Кроме того, известен тензопреобразователь давления (прототип), содержащий поперечные и продольные тензорезисторы и выполненную из монокристаллического кремния квадратную плоскую диафрагму с опорной рамкой. При этом поперечные тензорезисторы расположены на краю, а продольные тензорезисторы частично выходят за пределы диафрагмы (Патент RU №2329480, G01L 9/04, Тензопреобразователь давления, 20.07.2008).
Указанный тензопреобразователь работает следующим образом. Измеряемое давление прогибает диафрагму, что вызывает деформацию тензорезисторов и изменение их сопротивления. Продольные и поперечные тензорезисторы включены по мостовой схеме и изменение их сопротивления приводит к возникновению электрического сигнала по формуле (1). Точная теория показывает, что деформации заходят за край диафрагмы. Учет этого эффекта позволяет сдвинуть продольные тензорезисторы за край диафрагмы на определенную величину, так что обеспечивается повышенная чувствительность, как описано в патенте, но при этом диафрагма остается плоской.
5
Недостатками указанного тензопреобразователя являются применение в мостовой схеме наряду с продольными поперечных тензорезисторов, для которых , что приводит к уменьшению общей чувствительности тензопреобразователя, а также высокая нелинейность преобразования измеряемого давления в электрический сигнал (для диапазона давления 0…2⋅10 Па около 0.3%).
Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение чувствительности тензопреобразователя давления.
Технический результат достигается благодаря тому, что в тензопреобразователе давления, который содержит квадратную плоскую диафрагму из монокристаллического кремния с опорной рамкой и четыре тензорезистора, причем все тензорезисторы - продольные и расположены на планарной поверхности диафрагмы, имеющей 12 одинаковых квадратных углублений, со стороной не менее длины тензорезистора и глубиной не больше половины толщины диафрагмы, из них четыре расположены в центре, а остальные восемь - парами у краев диафрагмы симметрично ее срединным осям, при этом зазор между углублениями одинаков и равен ширине тензорезисторов, которые расположены между углублениями, два - в центре и два - у краев диафрагмы, образуя мостовую схему.
На ФИГ. 1 представлен общий вид предлагаемого тензопреобразователя давления. На ФИГ. 2 - поперечный разрез тензопреобразователя. На ФИГ. 3 - преобразовательная характеристика тензопреобразователя. На ФИГ. 4 - распределение деформаций вдоль тензорезисторов. На ФИГ. 5 - нелинейность преобразовательной характеристики тензопреобразователя.
Предлагаемый тензопреобразователь (ФИГ. 1) содержит кремниевый профилированный упругий элемент - 1 с квадратной диафрагмой - 2 и опорной рамкой - 3, двенадцать углублений - 4 и четыре тензорезистора - 5.
Тензопреобразователь работает следующим образом: при подаче измеряемого давления на упругий элемент 1 с квадратной диафрагмой 2 и опорной рамкой 3 диафрагма 2 прогибается (ФИГ. 2). Возникшая деформация передается продольным тензорезисторам 5, которые расположены в центре и на краю диафрагмы 2 в зазорах между углублениями 4 и объединены в мостовую схему. Тензорезисторы 5, которые находятся на краю и в центре диафрагмы 2, получают разные по знаку деформации. В отличие от прототипа благодаря введению углублений сопротивление краевых и центральных тензорезисторов 5 определяется лишь продольным коэффициентом тензочувсвтительности:
,
край
где R - сопротивление тензорезисторов, расположенных на краю диафрагмы,
центр
R - сопротивление тензорезисторов, расположенных в центре диафрагмы,
0
R - сопротивление тензорезисторов в отсутствие измеряемого давления,
- продольный коэффициент тензочувствительности,
край
ε - продольная деформация тензорезисторов, расположенных на краю диафрагмы,
центр
ε - продольная деформация тензорезисторов, расположенных в центре диафрагмы.
Выходной сигнал предложенного тензопреобразователя определяется формулой (1).
Так как для тензорезисторов из поликристаллического кремния p-типа , то изменение сопротивления продольных тензорезисторов под действием давления выше изменения сопротивления поперечных тензорезисторов ≈50%, поэтому в предложенном тензопреобразователе чувствительность продольных тензорезисторов, расположенных в центре диафрагмы, выше чувствительности тензорезисторов прототипа, работающих на поперечном коэффициенте тензочувствительности. Углубления 4 на поверхности диафрагмы 2 создают области концентрации механических деформаций, равных по величине, но противоположных по значению, в которых располагаются тензорезисторы 5. Это приводит к увеличению общей чувствительности тензопреобразователя более чем на 30%. На ФИГ. 3 представлено сравнение преобразовательных характеристик предложенного тензопреобразователя давления и тензопреобразователя-прототипа, а на ФИГ. 4 - распределение деформаций у прототипа и предложенного тензопреобразователя.
Дополнительным преимуществом предложенного тензопреобразователя давления является уменьшение нелинейности преобразовательной характеристики. Углубления 4 выравнивают нелинейные составляющие деформации продольных тензорезисторов по знаку и величине, что позволяет достичь нелинейности не более 0.1% (ФИГ. 5).