ВЫСОКОТОЧНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ НАНО- И МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
HIGH-PRECISION PRESSURE SENSOR BASED ON NANO- AND MICROELECTROMECHANICAL SYSTEM

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к датчикам, предназначенным для прецизионных измерений в различных областях науки и техники, и может быть использовано для измерения давления жидких и газообразных сред.
Датчики давления на основе нано- и микроэлектромеханических систем относятся к изделиям нано- и микросистемной техники. Они содержат нано- и микроэлектромеханические системы (НиМЭМС), состоящие из упругого элемента (УЭ) простой (мембрана, стержень, балка и т.п.) или сложной формы (мембрана с жестким центром, две мембраны, соединенные между собой штоком, и др.), гетерогенной структуры, герметизирующей контактной колодки, соединительных проводников. Гетерогенная структура состоит из нано- и микроразмерных тонкопленочных диэлектрических, тензорезистивных, контактных и других слоев, сформированных на мембране. Толщина тензорезистивного слоя в НиМЭМС таких датчиков составляет 40-100 нм. Элементы (тензорезисторы, контактные проводники и др.), образованные в гетерогенной структуре, объединяются в измерительную цепь, как правило, в мостовую [1-3].
Известны тензорезисторные датчики давления на основе НиМЭМС с тензорезисторами, расположенными на мембране в радиальном направлении и соединенными в мостовую измерительную цепь [4, 5]. Однако они имеют невысокую чувствительность из-за неоптимального расположения тензорезисторов по радиусу мембраны. Тензорезисторы располагают в радиальном направлении от центральной части мембраны до ее периферии. При таком расположении относительные радиальные деформации в каждой точке по радиусу мембраны различны и принимают значения от положительных значений до отрицательных. Относительные изменения сопротивлений тензорезисторов определяются среднеинтегральным значением относительных радиальных деформаций в местах их расположения, и поэтому они не велики (не максимальны).
ж.ц.
м
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является датчик давления с тонкопленочной тензорезисторной НиМЭМС, выбранный в качестве прототипа [6]. Датчик содержит корпус, круглую мембрану с жестким центром, с периферийным основанием в виде оболочки вращения. Тензорезисторы выполнены в виде одинакового количества тензоэлементов, имеющих одинаковую форму. Радиальные тензоэлементы, включенные в два противоположных плеча измерительного моста, расположены на периферии мембраны. Два других плеча измерительного моста выполнены в виде радиальных тензоэлементов, расположенных на границе тонкой части мембраны и жесткого центра, выполненного на мембране. Отношение радиуса жесткого центра r к радиусу мембраны r выбрано более 0,5.
ж.ц.
м
r
R
R1
R2
R3
R4
Датчик давления, принятый за прототип, имеет невысокую точность в связи с тем, что он недостаточно чувствителен. При отношении радиуса жесткого центра r к радиусу мембраны r более 0,5 чувствительность мембраны с жестким центром относительно низкая и уменьшается с увеличением такого отношения. Кроме того, расположение одних радиальных тензоэлементов (тензорезисторов) на границе тонкой части мембраны и жесткого центра, а других на периферии мембраны в областях различных по величине относительных деформаций e приводит к тому, что относительные изменения сопротивлений e одних и других радиальных тензоэлементов (тензорезисторов) будут различны. При этом возникает нелинейность измерительной цепи датчика, которая зависит от коэффициента симметрии k и относительных изменений сопротивлений плеч мостовой измерительной цепи e, e, e, e [7]. Для тензорезисторных датчиков, у которых относительное изменение сопротивления одного плеча обычно не превышает 0,01, при k=1 величина нелинейности составляет ~0,3÷0,6%, если рабочими являются два плеча.
Таким образом, при изготовлении нано- и микроэлектромеханической системы датчика давления с мембраной, имеющей жесткий центр, когда одни радиальные тензоэлементы расположены на границе тонкой части мембраны и жесткого центра, а другие - на периферии мембраны, возникает погрешность от нелинейности мостовой измерительной цепи, которая обусловлена возникновением несимметрии сопротивлений и различием относительных изменений сопротивлений одних и других радиальных тензорезисторов при деформациях мембраны, так как восприятие относительных деформаций одними и другими радиальными тензоэлементами различается.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности путем повышения чувствительности при одновременном уменьшении нелинейности мостовой измерительной цепи датчика.
Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения датчиков давления, имеющих мембрану с жестким центром, путем повышения чувствительности при одновременном уменьшении нелинейности мостовой измерительной цепи датчика, за счет изготовления НиМЭМС с оптимальным соотношением между радиусом жесткого центра и радиусом мембраны, при котором разница между одними и другими радиальными деформациями по абсолютной величине минимальна, а чувствительность при этом максимальна, а также путем расположения радиальных тензоэлементов по двум определенным при этом окружностям с равными, но противоположными по знаку деформациями.
ж.ц.
м
м
1
м
2
м
Это достигается тем, что в датчике давления на основе нано- и микроэлектромеханической системы, содержащем корпус, установленную в нем нано- и микроэлектромеханическую систему (НиМЭМС), состоящую из упругого элемента - мембраны с жестким центром, с периферийным основанием в виде оболочки вращения, образованной на ней гетерогенной структуры из тонких пленок материалов, в которой сформированы контактные площадки, первые радиальные тензорезисторы из одинаковых тензоэлементов, расположенных по одной окружности мембраны, и вторые радиальные тензорезисторы из одинаковых тензоэлементов, расположенных по другой окружности на мембране, соединенные перемычками, включенные в измерительный мост, в соответствии в с предлагаемым изобретением, радиус жесткого центра определен из соотношения: r=0,42r, где r - радиус мембраны, при этом тензоэлементы первых радиальных тензорезисторов расположены по окружности, радиус которой определен из соотношения r=0,444r, а тензоэлементы вторых радиальных тензорезисторов расположены по окружности, радиус которой определен из соотношения r=0,733r.
На фиг.1 показана конструкция высокоточного датчика давления на основе НиМЭМС. Датчик содержит корпус 1 со штуцером 2, установленную в нем нано- и микроэлектромеханическую систему (НиМЭМС) 3, выводные проводники 4, кабельную перемычку 5, контактную колодку 6, герметизирующую втулку 7, соединительные проводники 8, выводные колки 9, диэлектрические втулки 10 (фиг.2).
На фиг.2 отдельно показана часть нано- и микроэлектромеханической системы (НиМЭМС) 3 датчика, содержащая упругий элемент - мембрану 11 с жестким центром 12, с периферийным основанием 13 в виде оболочки вращения за границей 14 мембраны с жестким центром, гетерогенную структуру 15.
Гетерогенная структура 15 (фиг.2) образована на планарной стороне металлической мембраны 11 с жестким центром 12 методами тонкопленочной технологии из нано- и микроразмерных пленок материалов, содержащая тонкопленочные диэлектрические, тензорезистивные и контактные слои.
ж.ц.
м
м
1
м
2
м
м
ж.ц.
м
1
м
2
м
В гетерогенной структуре 15 сформированы радиальные тензорезисторы 16, 17, 18, 19 (фиг.3), а также тонкопленочные перемычки 20, 21 и контактные площадки 22. Тензорезисторы 16-19 (R1-R4) образуют плечи мостовой измерительной цепи, они выполнены в виде одинакового количества тензоэлементов 23, имеющих одинаковую форму (например, квадратную). Радиус жесткого центра 12 мембраны 11 (см. фиг.2) имеет значение, которое определено из соотношения: r=0,42r, где r - радиус мембраны. При этом тензоэлементы 23 первых радиальных тензорезисторов 17 и 19 расположены по окружности, радиус которой определен из соотношения r=0,444r, а тензоэлементы вторых радиальных тензорезисторов 16 и 18 расположены по окружности, радиус которой определен из соотношения r=0,733r. Так, если радиус мембраны равен r=4 мм, то r=0,42r=1,68 мм. При этом r=0,444r=1,776 мм, а r=0,733r=2,932 мм.
1
2
Датчик давления работает следующим образом. Измеряемое давление Р воздействует на мембрану 11 с жестким центром 12 (см. фиг.2). В результате этого возникают деформации планарной (плоской) поверхности мембраны, которые воспринимаются тензорезисторами 16-19 (см. фиг.3), включенными в мостовую измерительную цепь. Изменение сопротивлений тензорезисторов преобразуется мостовой измерительной цепью в выходное напряжение. В связи с размещением радиальных тензорезисторов 17 и 19 (из идентичных тензоэлементов 23) на мембране по одной окружности, радиус которой r определен по приведенному соотношению, они оказываются расположенными в зоне максимальных относительных положительных радиальных деформаций. Так как тензорезисторы 16 и 18 (из идентичных тензоэлементов 23) расположены по другой окружности мембраны с радиусом r, который определен по другому приведенному соотношению, они оказываются в зоне отрицательных радиальных деформаций, причем равных по абсолютной величине положительным.
1
2
Выражения для радиусов r и r были получены на основе моделирования деформаций упругого элемента - мембраны с жестким центром, с периферийным основанием в виде оболочки вращения, методом конечных элементов [8].
rmax
rmin
ж.ц.
м
rmax
ж.ц.
м
Для значений толщин мембраны в интервале 0,1-0,3 мм (обычно используемых на практике) изменялось отношение радиуса жесткого центра к радиусу мембраны, определялись положения экстремумов положительных и отрицательных относительных деформаций на мембране. На фиг.4 представлены зависимости экстремумов положительных e (кривая 1) и отрицательных e (кривая 2) относительных деформаций плоской поверхности мембраны. Кривая 3 представляет собой инвертированную кривую 2 (то есть ). Из сравнения кривых 1 и 3 видно, что при определенном значении r/r существует минимальная разница между e и . Установлено, что при отношении радиуса жесткого центра к радиусу мембраны, равном r/r=0,42 (см. фиг.4), обеспечивается минимум разности абсолютных значений положительных и отрицательных относительных деформаций, при этом величины относительных деформаций принимают близкие и наибольшие значения.
ж.ц.
м
Предлагаемый высокоточный датчик давления имеет высокую точность в связи с повышением чувствительности за счет уменьшения радиуса жесткого центра. При отношении радиуса жесткого центра r к радиусу мембраны r, равном 0,42, чувствительность мембраны с жестким центром выше, чем когда это отношение больше 0,5 (как у прототипа).
ж.ц.
м
Благодаря тому что в предлагаемом датчике давления отношение радиуса жесткого центра к радиусу мембраны выбрано равным r/r=0,42, повышается чувствительность при одновременном уменьшении нелинейности выходного сигнала (за счет повышения линейности преобразования в мостовой измерительной цепи), так как разница между абсолютными значениями относительных деформаций и соответственно относительными изменениями сопротивлений мостовой измерительной цепи минимальна, при этом деформации и относительные изменения сопротивлений имеют наибольшее значение.
r
м
ж.ц.
м
1
м
r
2
м
r
На фиг.5 представлена зависимость относительной радиальной деформации e мембраны от текущей координаты x/r при r=0,42r. Благодаря тому, что тензоэлементы 23 первых радиальных тензорезисторов 17 и 19 расположены по окружности, радиус которой определен из соотношения r=0,444r, значение их относительной деформации e положительно и максимально. Поскольку тензоэлементы вторых радиальных тензорезисторов 16 и 18 расположены по окружности, радиус которой определен из соотношения r=0,733r, значение их относительной деформации e отрицательно и равно по абсолютной величине положительной относительной деформации. При таком размещении тензоэлементов их относительные деформации равны по абсолютной величине. В связи с тем что тензорезисторы 16 (R1) и 18 (R3), а также тензорезисторы 17 (R2) и 19 (R4) включены соответственно в противоположные плечи мостовой измерительной цепи, их относительные изменения сопротивлений (которые равны по абсолютной величине, так как равны по абсолютной величине относительные деформации в местах расположения их тензоэлементов) складываются.
ж.ц.
м
r1
r2
R1
R2
R3
R4
В результате, кроме того что чувствительность и линейность датчика давления повышается за счет выполнения r=0,42r, при расположении радиальных тензоэлементов указанным образом в областях с одинаковыми по абсолютной величине относительными деформациями e и e, относительные изменения сопротивлений всех радиальных тензорезисторов одинаковы по абсолютной величине. В связи с этим нелинейность мостовой измерительной цепи датчика практически не возникает (т.к. e=e=e=e).
Таким образом, благодаря отличительным признакам изобретения повышается точность путем повышения чувствительности при одновременном уменьшении нелинейности мостовой измерительной цепи датчика.
Предлагаемый датчик давления выгодно отличается от известных ранее и может найти широкое применение для прецизионных измерений давления жидких и газообразных сред.
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. Патент РФ №2423678, МПК G01L 9/04, Бюл. №19 от 10.07.2010. Способ изготовления тонкопленочного датчика давления / Е.М. Белозубов, Н.Е. Белозубова.
4. Васильев В.А. Технологические особенности твердотельных мембранных чувствительных элементов // Вестник Московского государственного технического университета. Сер. Приборостроение. - М., 2002. - №4. - С.97-108.
5. Патент РФ №1569613, МПК G01L 9/04, Бюл. №21 от 07.06.90. Датчик давления / Е.М. Белозубов.
6. Патент РФ №2345341, МПК G01L 9/04, G01L 7/08. Бюл. №3 от 27.01.09. Датчик давления / Е.М. Белозубов, Н.Е. Белозубова.
7. Васильев В.А., Тихонов А.И. Анализ и синтез измерительных цепей преобразователей информации на основе твердотельных структур // Метрология. - М., 2003. - №1. - С.3-20.
8. Васильев В.А., Орехов Д.О., Чернов П.С. Методы моделирования нано- и микроструктур, устройств и систем // Инженерная физика. - М., 2013, №6. - С.58-66.