Dispositif mesureur de pression utilisant
un extensomètre à résistors.
<EMI ID=1.1>
pression utilisant un extensomètre à résistors, et plus particulièrement du type comprenant un substrat déformable soumis à la pression à mesurer sur lequel est appliqué un extensomètre à résistors et un circuit électrique en masure d'enregistrer les variations de résistance des résistors en fonction de la déformation
du substrat.
Dans ces dispositifs, la déformation provoquée par une pression ou force appliquée sur le substrat donne lieu à une variation des dimensions des résistors et de leurs propriétés électriques et, par conséquent, de leur résistance.
Cette variation est enregistrée par un circuit électrique ou électronique auquel sont reliés les résistors, de manière à obtenir des signaux proportionnels à la déformation du substrat
et, par conséquent, à la pression appliquée sur celui-ci.
Les dispositifs actuellement employés pour la mesure des pressions ou des déformations comme extensomètres des fils métalliques continus, des films métalliques continus, des films métalliques discontinus, des cermets et des semiconducteurs.
L'effet de la variation de la résistance électrique de ces éléments à la suite d'une déformation est connu sous le nom d'élasto-résistance ou piézo-résistance.
Un extensomètre idéal devrait naturellement avoir un effet piézo-résistif important associé à un faible effet thermo-résistif. Plus précisément, il devrait présenter, en ce qui concerne le premier effet (sensibilité à la déformation), un facteur de jauge
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jE
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tion relative de l'élément-racine ) et pour le second effet
(stabilité en température), des faibles valeurs aussi bien du
<EMI ID=4.1>
nui
la variation relative de résistance pour une variation de tempé-
<EMI ID=5.1>
<EMI ID=6.1>
<EMI ID=7.1>
Les performances des extensomëtres connus dépendent généralement dans une large mesure de la structure et de la composition des résistors utilisés.
Le tableau qui suit indique, avec référence aux extensomètres traditionnels du type mentionné précédemment, les valeurs des coefficients les plus significatifs.
r:t.J <EMI ID=8.1>
<EMI ID=9.1>
L'analyse comparative des performances montre que les films métalliques discontinus et les cermets ne peuvent pas trouver des vastes secteurs d'application en raison de la stabilité insuffisante de leurs caractéristiques électriques et piézo-résistive dans le temps. Quant aux fils et aux films métalliques continus, ceux-ci trouvent un emploi dans les cas où la sensibilité à la déformation (GF) n'est pas une condition capitale, mais où un bon comportement thermique est essentiel (faibles TCR et TCGF), tandis que les semiconducteurs trouvent une application grâce à leur sensibilité élevée à la déformation, même si à cause de leur valeur élevée de TCR et de TCGF il est souvent nécessaire de recourir
à des techniques sophistiquées et coûteuses de compensation de l'effet thermique.
Une autre difficulté d'emploi concernant les extensomètres à film métallique et à semiconducteur consiste dans la difficulté de trouver un bon accouplement entre le substrat et l'extensomètre. En effet, tous les deux devraient avoir le même coefficient de dilatation linéaire thermique de manière à éviter qu'il ne se crée
des déformations apparentes (non liées à la présence de déformations mécaniques) causées par des dilatations engendrées par des variations de température lorsque le substrat et l'extensomètre sont caractérisés par des coefficients de dilatation thermique différents.
Le but de la présente invention est, par conséquent, celui de réaliser un mesureur de pression dans lequel l'extensomètre à résistors présente une sensibilité élevée à la déformation ainsi qu'une très bonne stabilité en température et une parfaite <EMI ID=10.1>
Selon 1'invention, ce but est atteint grâce à l'emploi d'un extensomètre constitué par un ou plusieurs résistors à film épais déposés par sérigraphie sur un substrat approprié.
L'invention sera maintenant décrite, uniquement à titre d'exemple, en se référant au dessin annexé, sur lequel :
la figure 1 montre en perspective une première forme de réalisation de l'extensomètre à rësistors selon l'invention, la figure 2 est une vue en coupe d'une seconde forme de réalisation de l'extensomètre selon l'invention, la figure 3 est une vue en plan de l'extensomètre de la figure 2, la figure 4 montre le circuit électrique (pont de Wheatstone) pour la mesure de la pression appliquée sur le substrat, la figure 5 montre une variante de la figure 2.
Conformément à la figure 1, la référence 1 indique un substrat approprié, par exemple du type céramique, assujetti par un côté, sur l'extrémité libre duquel est appliquée une force F dont on veut connaître la valeur.
Selon l'invention, l'extensomètre à résistors appliqué
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trat, à proximité de son ancrage, suivant la technique sérigraphique, c'est-à-dire par impression et cuisson.
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sur la surface supérieure du substrat, tandis que les résistors R2 et R4 sont appliqués sur sa surface inférieure (non visible), en
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Par effet de l'application de la force F, le substrat subit une déformation (flexion) vers le bas, déformation qui est
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de leur résistance.
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augmente, car ils sont en tension, tandis que la résistance des résistors R2 et R4 diminue, ceux-ci étant en compression.
Pour pouvoir mesurer la variation de résistance des résistors à la suite de la déformation et remonter ensuite à la valeur
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sont reliés dans un pont de Wheatstone, comme montré sur la figure 4.
Les résistors sujets au même type de déformation sont insérés dans les bras opposés du pont et les flèches correspondantes,
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en augmentation ou en diminution, de ces mêmes résistors.
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est équilibré et aucun signal n'est présent à la sortie Vu, alors qu'une tension est appliquée à l'entrée Vi.
Naturellement, lorsqu'une force est appliquée sur le substrat 1 (F � 0) , celui-ci fléchit, le pont se déséquilibre et à la sortie Vu il s'engendre un signal qui est proportionnel à la variation de la résistance des résistors et en définitive à la déformation du substrat 1, c'est-à-dire à la valeur de la force F.
Bien que l'on ait considéré une barrette ancrée d'un seul côté, il est évident que ce qui vient d'être exposé reste valable même dans le cas d'une barrette ancrée des deux côtés et soumise à une force appliquée sur sa zone centrale.
Dans la variante de la figure 2 et de la figure 3, le
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Au lieu qu'à une force concentrique, la membrane peut également être soumise à une pression sur toute sa surface. Dans cette
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appliqués également sur le même côté, mais à la périphérie de la membrane et soumis à compression.
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quelconque, par exemple à 90[deg.] comme montré sur la figure 3.
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Que ce soit dans le cas de la structure de la figure 1, ou dans celui des figures 2 et 5, il est clair que le nombre et la disposition des résistors peut varier dans le but d'accroître au maximum la sensibilité à la déformation. A ce même effet les résistors doivent être disposés sur les points de déformation maximum du substrat.
Toutefois, dans le cas d'une membrane fixée au bord, il peut être avantageux de. placer tous les résistors dans la zone centrale, comme indiqué sur la figure 5, afin d'obtenir une sensibilité maximum du système même au cas où la membrane ne serait pas parfaitement assujettie au bord.
Dans l'exposé qui précède, on a fait référence aux forces F et F' appliquées sur un seul côté des substrats 1 et 1', mais
il est clair que ces forces peuvent être la résultante de forces opposées appliquées sur les deux côtés du substrat, dans lequel cas le signal fourni par le pont de Wheatstone se référera à des pressions ou forces différentielles.
Les capteurs de déformation et de pression montrés sur les figures 1, 2 et 5 comportent une amélioration de la technologie de fabrication des capteurs de ce type.
La partie active, c'est-à-dire l'élément extensimétrique, est constituée, comme déjà dit, par des résistors à couche déposés par sérigraphie sur des substrats isolants et traités thermiquement suivant les méthodes traditionnelles appliquées aux résistors à couche pour la micro-électronique des circuits hybrides. Les pâtes sérigraphables qui permettent de réaliser des résistors
à film épais avec des sensibilités à la déformation adéquates sont nombreuses.
Elles sont généralement constituées par un composant diélectrique et par un composant conducteur. Le composant ou matrice diélectrique peut être constitué par un verre du type borosilicate, plomb-borosilicate, alumino-silicate ou plomb-silicate, éventuellement avec addition de petites quantités d'oxydes du type CdO,
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Le composant conducteur peut être constitué par un métal noble (Ag, Au, Pd) ou par un de ses oxydes ou mélange de celui-ci
(par exemple PdO, PdO/Ag) ou bien encore par un oxyde conducteur
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Après avoir mesuré les propriétés piézo-résistives de résistors réalisés avec des pâtes de formulation différente, on a constaté que plus la concentration de conducteur dans la pâte est faible, plus la résistivité du rësistor et le facteur de jauge dans l'extensimètre réalisé sont élevés.
Les résistors à film épais présentent de bons facteurs de jauge, par exemple GF 10 + 15, des faibles coefficients de tempéra-
<EMI ID=31.1> coefficients de température du facteur de jauge : TCGF � 100+400 ppm/[deg.]C avec une très bonne stabilité et résistance à la fatigue après des nombreux cycles de déformation.
La sensibilité à la déformation (GF) se révèle par conséquent intermédiaire entre celle des extensomètres à fils métalliques, qui est la plus faible, et celle des extensomètres
à semiconducteurs, qui est la plus élevée.
D'autre part, la stabilité en température (TCR, TCGF) est comparable à celle des fils métalliques, qui sont les plus stables, laquelle e�t nettement meilleure que celle des semiconducteurs.
Un des avantages liés à l'emploi des résistors sérigraphiés réside dans le fait qu'ils présentent une valeur positive
du facteur de jauge lorsqu'ils sont soumis à des déformations transversales et longitudinales par rapport au sens du résistor. Il
en découle que les résistors appliqués au centre de la membrane dans un mesureur de pression à membrane (figures 2 et 5) et ensuite soumis simultanément à une déformation transversale et longitudinale redoublent leur sensibilité à la déformation.
Les extensomètres peuvent être réalisés en déposant les résistors sur des substrats différents, dotés de propriétés mécaniques différentes.
Différentes céramiques, parmi lesquelles l'alumine, l'oxyde de béryllium, l'oxyde de zirconium, ainsi que des feuilles de métal émaillé, se prêtent très bien à l'utilisation.
On va maintenant exposer quelques exemples de performances des mesureurs de déformation et de pression.
En appliquant à la structure à barrette de la figure 1
une force suffisante pour provoquer dans les quatre résistors
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2 et 5 une pression suffisante pour provoquer sur les bords de
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quatre résistors reliés en pont, réalisés à base de verre borosi-
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importants obtenus par la réalisation des capteurs de déformation et de pression selon la présente invention peuvent être résumés dans les observations suivantes.
Il n'est requis aucun agent de collage entre l'élément extensométrique et la barrette eu la membrane, car le résistor piézo-résistif est réalisé directement par application sérigraphique sur le substrat qui fait fonction de barrette ou de membrane.
On obtient d'autre part une adaptation adéquate des coefficients de dilatation des substrats et des résistors sérigraphiés.
On a également la possibilité de corriger l�s valeurs des résistances des résistors sérigraphiés (ou d'éventuels résistors de compensation obtenus avec la même technique et non soumis à déformation, disposés en parallèle ou en série à une des branches du pont), au moyen d'un trimmer à laser ou à sable, afin d'assurer une tension de sortie nulle du pont de Wheatstone en l'absence de déformation ou de pression sur la substrat.
A déformation nulle, on peut facilement obtenir des
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Tl existe enfin la possibilité de réaliser des ponts avec des impédences d'entrée et de sortie avec une grande plage de valeurs, en choisissant convenablement la géométrie et la résistivité de couche des résistors.
La technologie de réalisation des extensomètres, analogue à celle des circuits hybrides pour la micro-électronique, est assez simple et d'un coût peu élevé, et par conséquent tout à fait indiquée pour la production en grande série.
Le dispositif pour la mesure de la pression qui vient d'être décrit trouve naturellement une application dans tous les cas où il est nécessaire de disposer d'un capteur de déformation d'une sensibilité élevée et d'une très bonne stabilité à la température.
Il peut, par conséquent, trouver une application avantageuse dans l'industrie automobile pour le contrôle de l'injection,
de l'allumage, de l'avance à l'allumage et pour tout contrôle hydraulique.
Bien que dans la description on se soit référé au dispositif pour la mesure de la pression dans son ensemble, il est évident que l'invention se réfère également à l'extensomètre en soi, utilisant des résistors à film épais pour la mesure et le contrôle de grandeurs physiques telles que déformation, pression,force,
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Il va de soi que les solutions décrites et illustrées sont susceptibles de variantes, suivant les exigences pratiques, sans pour autant sortir du cadre de l'invention.
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REVENDICATIONS
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substrat déformable soumis à la pression à mesurer, sur lequel
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que en mesure de relever les variations de résistance des résis-
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par le fait que l'extensomètre est formé par des résistors à film
épais appliqués par sérigraphie sur le substrat.
Pressure measuring device using
a resistors extensometer.
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pressure using a resistive extensometer, and more particularly of the type comprising a deformable substrate subjected to the pressure to be measured to which is applied a resistive extensometer and an electrical circuit in masure to record the variations in resistance of the resistors as a function of the deformation
of the substrate.
In these devices, the deformation caused by a pressure or force applied to the substrate gives rise to a variation in the dimensions of the resistors and their electrical properties and, consequently, in their resistance.
This variation is recorded by an electrical or electronic circuit to which the resistors are connected, so as to obtain signals proportional to the deformation of the substrate.
and therefore the pressure applied to it.
The devices currently used for measuring pressures or deformations as extensometers of continuous metallic wires, continuous metallic films, discontinuous metallic films, cermets and semiconductors.
The effect of the variation of the electrical resistance of these elements following a deformation is known as elasto-resistance or piezo-resistance.
An ideal extensometer should naturally have a significant piezoresistive effect associated with a weak thermo-resistive effect. More precisely, it should present, as regards the first effect (sensitivity to deformation), a gauge factor
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I
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relative element of the root element) and for the second effect
(temperature stability), low values as well of
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harmed
the relative change in resistance for a change in temperature
<EMI ID = 5.1>
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<EMI ID = 7.1>
The performance of known extensometers generally depends to a large extent on the structure and composition of the resistors used.
The table below indicates, with reference to traditional extensometers of the type mentioned above, the values of the most significant coefficients.
r: t.J <EMI ID = 8.1>
<EMI ID = 9.1>
Comparative performance analysis shows that discontinuous metallic films and cermets cannot find wide application areas due to the insufficient stability of their electrical and piezoresistive characteristics over time. As for continuous metallic wires and films, these find use in cases where sensitivity to deformation (GF) is not a crucial condition, but where good thermal behavior is essential (low TCR and TCGF), while semiconductors find application thanks to their high sensitivity to deformation, even if because of their high value of TCR and TCGF it is often necessary to resort
sophisticated and expensive techniques for compensating for the thermal effect.
Another difficulty in using metallic film and semiconductor extensometers consists in the difficulty of finding a good coupling between the substrate and the extensometer. Indeed, both should have the same coefficient of linear thermal expansion so as to prevent it from being created
apparent deformations (not linked to the presence of mechanical deformations) caused by expansions generated by temperature variations when the substrate and the extensometer are characterized by different coefficients of thermal expansion.
The object of the present invention is, therefore, that of producing a pressure meter in which the resistor extensometer has a high sensitivity to deformation as well as a very good temperature stability and a perfect <EMI ID = 10.1>
According to the invention, this object is achieved by the use of an extensometer constituted by one or more thick film resistors deposited by screen printing on an appropriate substrate.
The invention will now be described, by way of example only, with reference to the appended drawing, in which:
FIG. 1 shows in perspective a first embodiment of the extensometer with resistors according to the invention, FIG. 2 is a sectional view of a second embodiment of the extensometer according to the invention, FIG. 3 is a plan view of the extensometer of FIG. 2, FIG. 4 shows the electrical circuit (Wheatstone bridge) for measuring the pressure applied to the substrate, FIG. 5 shows a variant of FIG. 2.
In accordance with FIG. 1, the reference 1 indicates a suitable substrate, for example of the ceramic type, secured by one side, to the free end of which a force F is applied, the value of which is to be known.
According to the invention, the resistors extensometer applied
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trat, near its anchorage, using the screen printing technique, that is to say by printing and baking.
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on the upper surface of the substrate, while resistors R2 and R4 are applied on its lower surface (not visible), in
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As a result of the application of force F, the substrate undergoes a downward deformation (bending), which is
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of their resistance.
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increases because they are in tension, while the resistance of resistors R2 and R4 decreases, these being in compression.
To be able to measure the change in resistance of the resistors following the deformation and then go back to the value
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are connected in a Wheatstone bridge, as shown in figure 4.
The resistors subject to the same type of deformation are inserted in the opposite arms of the bridge and the corresponding arrows,
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increasing or decreasing, of these same resistors.
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is balanced and no signal is present at the Vu output, while a voltage is applied to the Vi input.
Naturally, when a force is applied to the substrate 1 (F � 0), this one bends, the bridge is unbalanced and at the output Seen it generates a signal which is proportional to the variation of the resistance resistors and ultimately the deformation of the substrate 1, that is to say the value of the force F.
Although we have considered a bar anchored on one side, it is obvious that what has just been explained remains valid even in the case of a bar anchored on both sides and subjected to a force applied to its area central.
In the variant of FIG. 2 and of FIG. 3, the
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Instead of a concentric force, the membrane can also be subjected to pressure over its entire surface. In this
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also applied on the same side, but at the periphery of the membrane and subjected to compression.
<EMI ID = 24.1>
any, for example at 90 [deg.] as shown in Figure 3.
<EMI ID = 25.1>
<EMI ID = 26.1>
<EMI ID = 27.1>
<EMI ID = 28.1>
Whether in the case of the structure in FIG. 1, or in that of FIGS. 2 and 5, it is clear that the number and the arrangement of the resistors can vary in order to maximize the sensitivity to deformation. To this same effect, the resistors must be placed on the points of maximum deformation of the substrate.
However, in the case of a membrane attached to the edge, it may be advantageous to. place all the resistors in the central zone, as shown in figure 5, in order to obtain maximum sensitivity of the system even if the membrane is not perfectly secured to the edge.
In the foregoing description, reference has been made to the forces F and F 'applied on one side of the substrates 1 and 1', but
it is clear that these forces may be the result of opposite forces applied to the two sides of the substrate, in which case the signal provided by the Wheatstone bridge will refer to differential pressures or forces.
The strain and pressure sensors shown in FIGS. 1, 2 and 5 include an improvement in the technology for manufacturing sensors of this type.
The active part, that is to say the extensimetric element, is constituted, as already said, by layer resistors deposited by screen printing on insulating substrates and heat treated according to the traditional methods applied to layer resistors for micro -electronics of hybrid circuits. Serigraphable pastes which allow resistors to be produced
with thick film with adequate sensitivity to deformation are numerous.
They generally consist of a dielectric component and a conductive component. The dielectric component or matrix may consist of a glass of the borosilicate, lead-borosilicate, alumino-silicate or lead-silicate type, optionally with the addition of small quantities of oxides of the CdO type,
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The conductive component can be constituted by a noble metal (Ag, Au, Pd) or by one of its oxides or a mixture thereof
(for example PdO, PdO / Ag) or even by a conductive oxide
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After having measured the piezoresistive properties of resistors produced with doughs of different formulation, it was found that the lower the concentration of conductor in the dough, the higher the resistivity of the resistor and the gauge factor in the extensimeter produced .
Thick film resistors have good gauge factors, e.g. GF 10 + 15, low temperature coefficients
<EMI ID = 31.1> temperature coefficients of the gauge factor: TCGF � 100 + 400 ppm / [deg.] C with very good stability and resistance to fatigue after numerous deformation cycles.
The sensitivity to deformation (GF) is therefore found to be intermediate between that of the metal wire extensometers, which is the lowest, and that of the extensometers.
which is the highest.
On the other hand, the temperature stability (TCR, TCGF) is comparable to that of metallic wires, which are the most stable, which is clearly better than that of semiconductors.
One of the advantages of using screen-printed resistors is that they have a positive value
of the factor of gauge when they are subjected to transverse and longitudinal deformations compared to the direction of the resistor. he
It follows that the resistors applied to the center of the membrane in a membrane pressure meter (Figures 2 and 5) and then simultaneously subjected to transverse and longitudinal deformation double their sensitivity to deformation.
Extensometers can be produced by depositing the resistors on different substrates with different mechanical properties.
Various ceramics, including alumina, beryllium oxide, zirconium oxide, as well as sheets of enameled metal, lend themselves very well to use.
We will now present some examples of the performance of strain and pressure meters.
By applying to the bar structure of figure 1
enough force to cause in the four resistors
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2 and 5 sufficient pressure to cause on the edges of
<EMI ID = 33.1>
four resistors connected in bridge, made from borosi- glass
<EMI ID = 34.1>
important obtained by the realization of the deformation and pressure sensors according to the present invention can be summarized in the following observations.
No bonding agent is required between the extensometric element and the strip on the membrane, since the piezoresistive resistor is produced directly by screen printing on the substrate which acts as a strip or membrane.
On the other hand, an adequate adaptation of the expansion coefficients of the substrates and of the screen-printed resistors is obtained.
It is also possible to correct the values of the resistances of the screen-printed resistors (or of possible compensation resistors obtained with the same technique and not subjected to deformation, arranged in parallel or in series with one of the branches of the bridge) , using a laser or sand trimmer, to ensure zero output voltage from the Wheatstone bridge in the absence of deformation or pressure on the substrate.
At zero strain, one can easily obtain
<EMI ID = 35.1>
Finally, there is the possibility of making bridges with input and output impedences with a large range of values, by suitably choosing the geometry and the resistivity of the resistors.
The technology for producing extensometers, analogous to that of hybrid circuits for microelectronics, is fairly simple and inexpensive, and therefore quite suitable for mass production.
The device for measuring the pressure which has just been described naturally finds application in all cases where it is necessary to have a deformation sensor of high sensitivity and very good temperature stability.
It can therefore find an advantageous application in the automotive industry for injection control,
from ignition, advance to ignition and for any hydraulic control.
Although in the description reference has been made to the device for measuring the pressure as a whole, it is obvious that the invention also refers to the extensometer per se, using thick film resistors for measurement and control physical quantities such as deformation, pressure, force,
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It goes without saying that the solutions described and illustrated are capable of variations, according to practical requirements, without however departing from the scope of the invention.
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CLAIMS
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deformable substrate subjected to the pressure to be measured, on which
<EMI ID = 39.1>
that able to detect variations in resistance
<EMI ID = 40.1>
by the fact that the extensometer is formed by film resistors
thick applied by screen printing on the substrate.