ТЕНЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована в датчиках для измерения расходов жидкостей и газов. Особый интерес представляет использование тензопреобразователя для измерения перепада давления (относительного давления) в трубе Вентури для измерения расходов жидкостей или газов.
j
Известен тензопреобразователь давления мембранного типа с мембраной, имеющей два концентратора механического напряжения (деформации) [1]. Все тензорезисторы расположены поперек оси симметрии мембраны (поперечные тензорезисторы): два между ее краем и концентратором механического напряжения (1 и 3 тензорезисторы) и два в центре мембраны между двумя концентраторами механического напряжения (2 и 4 тензорезисторы). Под действием давления два тензорезистора увеличивают свое сопротивление, а два других - уменьшают. При этом сопротивление R тензорезистора j зависит от деформации (ε) поверхности мембраны в месте расположения резистора
j
j
R=R(ε).
Деформация s пропорциональна приложенному давлению Р
ε=B·P,
где В - коэффициент упругого преобразования, который определяется конструкцией тензопреобразователя давления и упругими характеристиками применяемых в нем материалов.
Сопротивление j - тензорезистора под действием деформации, возникающей при подаче давления, изменяется как:
j
t
j
R=R(1+Kε), j=1, 2, 3, 4,
t
где K - коэффициент тензочувствительности поперечного тензорезистора.
В тензопреобразователе тензорезисторы соединены в мостовую схему, выходной сигнал которой при питании от генератора напряжения записывается в виде:
пит.
где U - напряжение питания моста,
1
2
3
4
ε, ε, ε, ε - деформации 1, 2, 3, 4 тензорезисторов.
Коэффициенты тензочувствительности поперечных тензорезисторов кремния р-типа равны:
t
Si
44
K=-(1+v)m,
Si
где v - коэффициент Пуассона кремния,
44
m - коэффициент эластосопротивления кремния р-типа.
1
3
2
4
Тензорезисторы расположены так, что ε=ε, ε=ε и имеют разные знаки. Тогда формула (1), без учета знаков деформаций тензорезисторов, может быть записана в виде:
вых.
пит.
t
1
2
U=UK(ε-ε)/2.
1
2
Деформации ε и ε пропорциональны измеряемому перепаду давлений. Поэтому выходной сигнал датчика оказывается равным
1
2
где B и В - коэффициенты пропорциональности.
Наличие концентраторов механических напряжений на мембране позволяет увеличить деформацию в местах расположения поперечных тензорезисторов из кремния р-типа по сравнению с плоской мембраной и соответственно увеличить выходной сигнал мостовой схемы до 50% без увеличения нелинейности выходного сигнала мостовой схемы [1].
Недостатком данного тензопреобразователя давления является то, что, так как величина потока жидкости или газа Ф через трубу Вентури пропорциональна квадратному корню из перепада давления Р между двумя сечениями в трубе Вентури
вых.
где А - коэффициент пропорциональности, то использование датчика с линейной зависимостью выходного сигнала U от давления приводит к нелинейной зависимости выходного сигнала от потока, как это следует из (1)-(3):
где С - коэффициент пропорциональности и расход жидкости или газа Q нелинейно связан с выходным напряжением
где S - площадь поперечного сечения трубы,
t - время, в течение которого измеряется расход.
В этом случае зависимость между расходом жидкости или газа - нелинейная и при измерении расхода жидкости или газа в начале диапазона возникают значительные ошибки измерений.
Кроме того, известен тензопреобразователь давления мембранного типа [2], являющийся прототипом предлагаемого изобретения и содержащий мост из поликремниевых тензорезисторов, расположенных на окисленной подложке из монокристаллического кремния, ориентированной в плоскости (100). Тензорезисторы в виде мезаструктур расположены у краев плоской мембраны на осях ее симметрии, первый и третий вдоль оси, а два других (второй и четвертый) - перпендикулярно оси.
L
t
Механические напряжения в плоской квадратной мембране имеют наибольшие значения на краях и в центре мембраны, причем на краях мембраны механические напряжения вдоль оси ее симметрии (T) значительно больше механических напряжений в перпендикулярном направлении (T) и связаны с деформациями следующими соотношениями:
L
11
L
12
t
t
12
L
11
t
ε=S·T+S·T, ε=S·T+S·T,
11
12
где S и S - коэффициенты упругой податливости кремниевой подложки.
L
t
t
Учитывая, что на оси симметрии мембраны у края мембраны T≫T и ε≈0, выходной сигнал мостовой схемы тензопреобразователя давления может быть записан в виде:
вых.
пит.
L
L1
t
L2
L
L3
t
L4
U=U(Kε-Кε+Кε-Кε)/4,
L
где K - коэффициент тензочувствительности продольного тензорезистора,
t
K - коэффициент тензочувствительности поперечного тензорезистора,
L1
L2
L3
L4
ε, ε, ε, ε - деформации 1, 2, 3, 4 тензорезисторов.
Недостатком данного тензопреобразователя, как и предыдущего, является то, что из-за линейной зависимости выходного сигнала от приложенного давления при малых расходах наблюдается большая погрешность измерений.
Задачей предлагаемой полезной модели является разработка тензопреобразователя с нелинейной зависимостью выходного сигнала от перепада давления, компенсирующей нелинейность между потоком и давлением и поэтому с малой погрешностью измерений при малых расходах жидкости или газа.
вых
Если выходной сигнал тензопреобразователя U от перепада давления Р описываемой формулой
где D - коэффициент пропорциональности,
то
и выходной сигнал пропорционален потоку
а расход жидкости или газа, в соответствии с формулой (5), пропорционален выходному сигналу датчика:
Поставленная задача достигается тем, что в известном тензопреобразователе мембранного типа с продольными и поперечными резисторами, расположенными у края мембраны, плоская мембрана имеет определенное отношение толщины к стороне.
L
t
вых
На ФИГ.1 приведен общий вид тензопреобразователя давления, на ФИГ.2 - зависимости продольной ε и поперечной ε деформации в мембране в месте расположения одного из поперечных резисторов, на ФИГ. 3 - зависимости выходных сигналов датчиков U от давления Р.
Тензопреобразователь давления (ФИГ.1) содержит: 1 - мембрану, 2 - поперечные тензорезисторы, расположенные на мембране 1, 3 - продольные тензорезисторы, расположенные на мембране 1, 4 - алюминиевую разводку, соединяющую тензорезисторы 2, 3, 5 - контактные окна к тензорезисторам.
Квадратная мембрана 1 (см. ФИГ.1) расположена в средней части тензопреобразователя давления и сформирована анизотропным травлением подложки из монокристаллического кремния со слоем изолирующего окисла. На поверхности мембраны 1 (см. ФИГ.1) сформированы поперечные 2 и продольные 3 тензорезисторы из поликристаллического кремния. Для стабилизации характеристик Тензопреобразователь давления покрыт слоем защитного окисла, в котором вскрыты окна под контактные площадки 5.
Устройство работает следующим образом: под действием перепада давления на Тензопреобразователь происходит деформация мембраны 1, которая передается поперечным 2 и продольным 3 тензорезисторам, расположенным у края мембраны около осей симметрии. Если мембрана тонкая, то пропорциональность между деформацией тензорезисторов и действующим на мембрану давлением нарушается и ее преобразовательная характеристика становится нелинейной. Выбором толщины и размера мембраны можно нелинейностью преобразовательной характеристики упругого элемента компенсировать нелинейность между потоком и давлением (3). Для этого отношение толщины мембраны к длине ее стороны
L
t
выx.
1/2
должно быть 0.007-0.0076. Так деформации у края мембраны с общим размером 2а×2а=1970×1970 мкм и толщиной 15 мкм в месте расположения одного из поперечных резисторов, рассчитанные по [3], приведены на ФИГ.2 (1 - продольная деформация ε, 2 - поперечная деформация ε). Из ФИГ.2 видно, что деформации от давления нелинейны. На ФИГ.3 приведены экспериментальная зависимость выходного сигнала датчика от давления с мембранным тензопреобразователем и аппроксимирующая ее зависимость: 1 - экспериментальные результаты, 2 - аппроксимирующая зависимость U=1.35·P. Длина стороны квадратной мембраны равна 1970 мкм при толщине 15 мкм, отношение толщины к длине стороны равно 0.0076. Из ФИГ.3 видно, что экспериментальные результаты хорошо аппроксимируются зависимостью вида
и расход жидкости или газа, в соответствии с формулами (6) и (7), линейно зависит от выходного сигнала, поэтому погрешность измерения расхода жидкости или газа при малых давлениях на порядок меньше, чем у тензопреобразователей с линейной зависимостью выходного сигнала от давления.
Литература.
1. L.В.Wilner, A diffused silicon pressure transducer with stress concentrated at transverse gages, ISA Transactions, v.7, No.1, p.83-87.
2. Патент SU 1830138 A3, G 01 L 9/04.
3. В.А.Гридчин, В.М.Любимский, А.В.Шапорин. Нелинейность прямоугольных диафрагм. Микроэлектроника. 2003. Т.32. с.294-394.