RU2028587C1

RU2028587C1 - Thin-film pressure transducer

Info

Publication number: RU2028587C1
Authority: RU
Inventors: Е.М. Белозубов
Original assignee: Научно-исследовательский институт физических измерений
Priority date: 1987-04-28
Filing date: 1987-04-28
Publication date: 1995-02-09

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: strain-gauge pressure transducer has flexible member 2, metal membrane covered with dielectric layer 3 and resistance strain gauges disposed onto the layer. Surface of the membrane at the side of dielectric 3 is made in form of permanent microrelief with embossed members. The members may be made in form of similar hexagons. Parameters of the hexagons are determined from specific relation which takes into account specific disposition of resistance strain gauges. EFFECT: improved precision of measurement. 2 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давлений агрегатов ЖРД в условиях воздействия резкого изменения широкого диапазона температур. The invention relates to measuring technique and can be used to measure the pressure of the rocket engine components under the influence of a sharp change in a wide temperature range.

Известны тонкопленочные датчики давления, содержащие корпус, металлический упругий элемент, на котором сформирована тензочувствительная схема, причем поверхность упругого элемента перед нанесением диэлектрика отполирована до малых величин шероховатости [1]. Known thin-film pressure sensors containing a housing, a metal elastic element on which a strain-sensitive circuit is formed, the surface of the elastic element being polished to a small roughness before applying the dielectric [1].

Недостатком известной конструкции является невозможность ее использования для измерения давления в агрегатах ЖРД из-за сравнительно неширокого температурного диапазона. A disadvantage of the known design is the impossibility of its use for measuring pressure in the units of the rocket engine due to the relatively narrow temperature range.

Наиболее близким по технической сути к изобретению является тонкопленочный датчик давления, предназначенный для измерения давлений в агрегатах ЖРД в условиях резкого изменения широкого диапазона температур, содержащий вакуумированный корпус, металлический упругий элемент, покрытый диэлектриком, на котором сформированы тензорезисторы, а на приемной поверхности упругого элемента расположено теплоизолирующее покрытие определенной толщины, причем поверхность упругого элемента перед нанесением диэлектрика отполирована для уменьшения шероховатости. Обычно поверхность упругого элемента полируют до такой степени, чтобы высота микронеровностей не превышала R_z = 0,05-0,1 мкм [2].The closest in technical essence to the invention is a thin-film pressure sensor designed to measure pressures in rocket engine units under conditions of a sharp change in a wide temperature range, containing a vacuum housing, a metal elastic element coated with a dielectric, on which strain gages are formed, and on the receiving surface of the elastic element is located heat-insulating coating of a certain thickness, and the surface of the elastic element is polished before applying the dielectric to reduce I'm roughness. Typically, the surface of the elastic element is polished to such an extent that the height of the microroughness does not exceed R _z = 0.05-0.1 μm [2].

Однако указанная конструкция имеет недостаточный температурный диапазон работы, обусловленный тем, что при полировании упругого элемента на его поверхности распределяются произвольным образом микронеровности произвольной формы и размеров. Вследствие различия температурных коэффициентов линейного расширения металлического упругого элемента и диэлектрика при воздействии широкого диапазона температур в местах наибольшей шероховатости, т.е. местах наибольшей высоты микронеровностей, возникают локальные термомеханические напряжения, которые при одновременном воздействии напряжений от воздействия давлений могут привести к появлению микротрещин в диэлектрике вследствие худших механических характеристик по сравнению с металлом упругого элемента. Кроме того, вследствие неравномерности и случайности распределения формы и размеров микронеровностей по площади упругого элемента при подаче напряжения питания на тензорезисторы относительно упругого элемента напряженность электрического поля также распределяется неравномерно по поверхности упругого элемента. В местах, где высота микронеровностей выше, а форма более неравномерная (или остроконечная), напряженность электрического поля существенно больше по сравнению с областями, в которых высота микронеровностей меньше, а их форма более плоская. Неравномерность электрического поля приводит к пробою сравнительно тонкого диэлектрического слоя (как правило, толщина диэлектрического слоя равна 1 мкм). Поэтому напряжения питания известных тонкопленочных датчиков, как правило, не превышает 9 В, а напряжение пробоя не превышает 30 В. Вследствие этого известные тонкопленочные датчики имеют сравнительно небольшой выходной сигнал. Другим их недостатком является сравнительно большая трудоемкость изготовления упругих элементов, связанная со значительной трудоемкостью процесса полирования. However, this design has an insufficient temperature range due to the fact that when polishing an elastic element on its surface microroughnesses of arbitrary shape and size are distributed in an arbitrary way. Due to the difference in the temperature coefficients of the linear expansion of the metallic elastic element and the dielectric when exposed to a wide range of temperatures in places of greatest roughness, i.e. In places of the greatest height of microroughnesses, local thermomechanical stresses arise, which, under the simultaneous action of stresses from the action of pressure, can lead to the appearance of microcracks in the dielectric due to poorer mechanical characteristics in comparison with the metal of the elastic element. In addition, due to the unevenness and randomness of the distribution of the shape and size of microroughnesses over the area of the elastic element when applying a supply voltage to the strain gauges relative to the elastic element, the electric field is also distributed unevenly on the surface of the elastic element. In places where the height of microroughnesses is higher and the shape is more uneven (or peaked), the electric field strength is significantly higher compared to areas in which the height of microroughnesses is smaller and their shape is flatter. The unevenness of the electric field leads to the breakdown of a relatively thin dielectric layer (as a rule, the thickness of the dielectric layer is 1 μm). Therefore, the supply voltage of known thin-film sensors, as a rule, does not exceed 9 V, and the breakdown voltage does not exceed 30 V. As a result, the known thin-film sensors have a relatively small output signal. Their other disadvantage is the relatively high complexity of manufacturing elastic elements, associated with the significant complexity of the polishing process.

Целью изобретения является расширение температурного диапазона и увеличение выходного сигнала. The aim of the invention is to expand the temperature range and increase the output signal.

Для этого усовершенствуется известный тонкопленочный датчик давления, содержащий вакуумированный корпус, металлический упругий элемент, покрытый диэлектриком, на котором сформированы тензорезисторы. To do this, the known thin-film pressure sensor is improved, containing a vacuum housing, a metal elastic element coated with a dielectric on which strain gages are formed.

Отличием предлагаемого датчика является то, что поверхность упругого элемента, соприкасающаяся с диэлектриком, выполнена в виде постоянного микрорельефа с выпуклыми элементами. Кроме того, элементы поверхности выполнены в виде идентичных шестиугольников, а их параметры определены по соотношению
R = (0,05-0,2) ˙ Hg
при β= 0;
γ= 60^о, где Hg - толщина диэлектрика;
R - высота элемента;
β, γ - углы, отсчитываемые от линий, проходящих через середины противоположных сторон элементов до линии абсцисс, проведенной параллельно продольной оси тензорезисторов, причем продольные оси тензорезисторов расположены перпендикулярно двум противолежащим сторонам элемента поверхности.The difference of the proposed sensor is that the surface of the elastic element in contact with the dielectric is made in the form of a constant microrelief with convex elements. In addition, surface elements are made in the form of identical hexagons, and their parameters are determined by the ratio
R = (0.05-0.2) ˙ Hg
when β = 0;
γ = 60 ^about , where Hg is the thickness of the dielectric;
R is the height of the element;
β, γ are the angles measured from the lines passing through the middle of the opposite sides of the elements to the abscissa line drawn parallel to the longitudinal axis of the strain gages, and the longitudinal axis of the strain gages are perpendicular to two opposite sides of the surface element.

На фиг.1 изображен предлагаемый тонкопленочный датчик давления; на фиг. 2 - конструкция датчика со снятым корпусом; на фиг.3 и 4 показаны узлы I и II на фиг.2; на фиг.5 - микрорельеф поверхности. Figure 1 shows the proposed thin-film pressure sensor; in FIG. 2 - design of the sensor with the housing removed; figure 3 and 4 show the nodes I and II in figure 2; figure 5 - microrelief of the surface.

Датчик содержит вакуумированный корпус 1, металлический упругий элемент 2, покрытый диэлектриком 3, на котором сформированы тензорезисторы 4, соединенные в мостовую схему. Контактные площадки тензорезисторов 4 при помощи гибких выводов соединены с контактами 6 гермоввода. Тензорезисторы R₁ - R₄ соединены при помощи контактных площадок 7. Продольные оси тензорезисторов расположены примерно параллельно радиусу мембраны упругого элемента, т.е. они воспринимают преимущественно радиальные деформации. Для наглядности на фиг.4 не показаны резистивные и диэлектрические слои. Параметры поверхности в предлагаемой конструкции выбраны в соответствии с предлагаемым решением. Формирование полностью регулярного микрорельефа в изобретении проводится одним из известных методов, например вибронакатыванием.The sensor contains a vacuum housing 1, a metal elastic element 2, coated with a dielectric 3, on which strain gages 4 are formed, connected to a bridge circuit. The contact pads of the strain gages 4 using flexible leads connected to the contacts 6 of the pressure gland. The strain gages R ₁ - R _{4 are} connected using the contact pads 7. The longitudinal axis of the strain gages are located approximately parallel to the radius of the membrane of the elastic element, i.e. they perceive mainly radial deformations. For clarity, figure 4 does not show resistive and dielectric layers. The surface parameters in the proposed design are selected in accordance with the proposed solution. The formation of a fully regular microrelief in the invention is carried out by one of the known methods, for example by vibro-rolling.

Датчик работает следующим образом. The sensor operates as follows.

Измеряемое давление воздействует на мембрану со стороны, противоположной расположению тензосхемы. В мембране возникают напряжения и деформации. Тензоорезисторы воспринимают деформации и их сопротивление изменяется пропорционально измеряемому давлению. Так как сопротивления тензорезисторов R₂ и R₄ увеличиваются, а тензорезисторов R₁ и R₃ уменьшаются с увеличеным давл, а тензорезисторы соединены в мостовую схему, то на выходе схемы формируется выходной сигнал, пропорциональный сумме изменений сопротивлений отдельных тензорезисторов. Так как поверхность упругого элемента выполнена в виде поверхности с полностью регулярным микрорельефом, то при изменении температуры измеряемой среды в широком диапазоне термомеханические нарпряжения, возникающие в диэлектрике вследствие различных коэффициентов термического линейного расширения материалов упругого элемента и диэлектрического слоя, будут распределены более равномерно, по периодическому закону, совпадающему с регулярным распределением микрорельефа поверхности упругого элемента, т.е. при изменении температуры измеряемой среды в предлагаемой конструкции отсутствуют зоны, где термомеханические напряжения в диэлектрике существенно превышают термомеханические напряжения в соседних зонах, характерные для известных конструкций и обусловленные произвольным и случайным расположением микронеровностей по поверхности упругого элемента. Таким образом, предлагаемый датчик может работать в значительно более широком температурном диапазоне измеряемой среды по сравнению с известными. Форма элементов поверхности микрорельефа выбирают выпуклой из следующих соображений. При таком выборе на ней отсутствуют остроконечные выступы, на которых накапливались бы заряды, при подаче напряжения питания тензорезистивной схемы. Плоские выступы, образующиеся на поверхности упругого элемента по периодическому закону, приводят к образованию равномерного распределения электрического поля между упругим элементом и тензорезисторами. Так как выступы микрорельефа выпуклы, величина напряженности поля существенно меньше, чем в случае, если используют вогнутый микрорельеф. На фиг.5 изображен микрорельеф с вогнутыми элементами. Элементы поверхности (фиг.5) выполнены в виде шестиугольника для уменьшения влияния поперечной чувствительности на изменения сопротивления тензорезисторов от изменения давления. При воздействии измеряемого давления на поверхности упругого элемента возникают радиальные sigma<N>_r и тангенциальные sigma<N>

напряжения. Так как резисторы расположены примерно параллельно радиусу мембраны, то тензорезисторы воспринимают в основном радиальные напряжения, причем так как продольные оси тензорезисторов расположены перпендикулярно двум противолежащим сторонам элемента, то условия восприятия напряжений тензорезисторов в предлагаемой конструкции лучше, чем у известной за счет образования дополнительной силы сцепления F_с. При воздействии механических напряжений от измеряемого давления, воздействующих перпендикулярно одной из граней элемента поверхности (sigma<N>_n), это напряжение раскладывается на тангенциальную sigma<N>

и радиальную sigma<N>_r1 составляющие. Тангенциальная составляющая направлена перпендикулярно продольной оси тензорезистора и улучшает его чувствительность. А радиальная составляющая направлена вдоль продольной оси тензорезисторов и повышает чувствительность тензорезистора. Углы направления расположения элемента представляют собой углы, отсчитываемые от линий, проходящих через середины противоположных сторон элементов до линии абсцисс, проведенной параллельно продольной оси тензорезисторов. В случае, если угол β не равен нулю, то появляется неравенство противоположных ребер элемента поверхности, которое приводит к появлению дополнительной неравномерности поверхности. Угол β выбран 60^о, так как только в этом случае шестиугольник может быть правильным шестиугольником. Распределение микронеровностей по поверхности упругого элемента при выполнении элемента поверхности в виде правильного шестиугольника более равномерно по сравнению с выполнением элемента поверхности в виде неправильного шестиугольника. Кроме того, угол β выбран 60^о для уменьшения влияния тангенциальной составляющей на чувствительность датчика, так как с одной стороны в случае его увеличения уменьшается относительная длина ребер, расположенных перпендикулярно продольной оси тензорезисторов, за счет увеличения относительной длины ребер элемента поверхности, расположенных под углом относительно продольной оси тензорезисторов, а с другой стороны в случае его уменьшения уменьшается радиальная составляющая σ_r1. Соотношение между высотой элемента и толщиной диэлектрика определено экспериментально. При толщине диэлектрика 1 мкм и высоте элемента, равной 0,05-0,2 мкм, технические характеристики датчиков соответствуют требованиям ТЗ. Они работоспособны в температурном диапазоне (-253) - (+300)^оС. При увеличении высоты элемента более 0,2 мкм конструкции датчика работоспособны только в температурном диапазоне (-196) - (+200)^оС. Уменьшение высоты элемента менее 0,05 мкм усложняет технологический процесс изготовления упругого элемента.The measured pressure acts on the membrane from the side opposite to the location of the strain diagram. Stress and strain occur in the membrane. Strain gages resist strain and their resistance changes in proportion to the measured pressure. Since the resistances of the strain gages R ₂ and R ₄ increase, and the strain gages R ₁ and R ₃ decrease with an increased pressure, and the strain gages are connected to a bridge circuit, an output signal is generated at the output of the circuit, proportional to the sum of the changes in the resistances of the individual strain gages. Since the surface of the elastic element is made in the form of a surface with a completely regular microrelief, when the temperature of the medium is measured in a wide range, the thermomechanical stresses arising in the dielectric due to different coefficients of thermal linear expansion of the materials of the elastic element and the dielectric layer will be distributed more uniformly, according to the periodic law coinciding with the regular distribution of the microrelief of the surface of the elastic element, i.e. with a change in the temperature of the measured medium in the proposed design, there are no zones where the thermomechanical stresses in the dielectric significantly exceed the thermomechanical stresses in neighboring zones, characteristic of known structures and due to the arbitrary and random arrangement of microroughnesses on the surface of the elastic element. Thus, the proposed sensor can operate in a much wider temperature range of the measured medium in comparison with the known ones. The shape of the surface elements of the microrelief is chosen convex from the following considerations. With this choice, there are no pointed protrusions on which charges would accumulate when a voltage was applied to the strain gauge circuit. Flat protrusions formed on the surface of an elastic element according to the periodic law lead to the formation of a uniform distribution of the electric field between the elastic element and the strain gauges. Since the protrusions of the microrelief are convex, the magnitude of the field strength is significantly less than if a concave microrelief is used. Figure 5 shows the microrelief with concave elements. The surface elements (figure 5) are made in the form of a hexagon to reduce the influence of transverse sensitivity on changes in resistance of strain gages from pressure changes. Under the influence of the measured pressure on the surface of the elastic element, radial sigma <N> _r and tangential sigma <N>

voltage. Since the resistors are located approximately parallel to the radius of the membrane, the strain gauges perceive mainly radial stresses, and since the longitudinal axes of the strain gauges are perpendicular to the two opposite sides of the element, the conditions for the perception of strain gauge stresses in the proposed design are better than those known due to the formation of additional adhesion force F _s When exposed to mechanical stresses from the measured pressure, acting perpendicular to one of the faces of the surface element (sigma <N> _n ), this stress decomposes into the tangential sigma <N>

and radial sigma <N> _r1 components. The tangential component is directed perpendicular to the longitudinal axis of the strain gauge and improves its sensitivity. And the radial component is directed along the longitudinal axis of the strain gages and increases the sensitivity of the strain gage. The angles of the direction of the location of the element are the angles measured from the lines passing through the middle of the opposite sides of the elements to the abscissa line drawn parallel to the longitudinal axis of the strain gauges. If the angle β is not equal to zero, then an inequality of opposite edges of the surface element appears, which leads to the appearance of additional surface non-uniformity. The angle β is selected at 60 ^° , since only in this case the hexagon can be a regular hexagon. The distribution of microroughnesses on the surface of the elastic element when the surface element is made in the form of a regular hexagon is more uniform than the surface element in the form of an irregular hexagon. Furthermore, the angle β is selected ⁶⁰ to reduce the effects of the tangential component of the sensor sensitivity since on the one hand in the event of increase decreases relative length of ribs disposed perpendicularly to the longitudinal strain gages axis by increasing the relative lengths of the edges of the surface element disposed at an angle relative to the longitudinal axis of the strain gages, and on the other hand, if it decreases, the radial component σ _r1 decreases. The relationship between the height of the element and the thickness of the dielectric is determined experimentally. With a dielectric thickness of 1 μm and an element height of 0.05-0.2 μm, the technical characteristics of the sensors correspond to the requirements of the technical specifications. They are operable in the temperature range (-253) - (+300) ^о С. With an increase in the element height more than 0.2 μm, the sensor structures are operable only in the temperature range (-196) - (+200) ^о С. , 05 microns complicates the manufacturing process of the elastic element.

При автономных испытаниях предлагаемой конструкции подтверждена ее работоспособность в условиях резкого изменения температуры измеряемой среды от (-253) до (+300)^оС. Известные тонкопленочные датчики давления работоспособны при резком изменении температуры измеряемой среды от (-196) до (+100)^оС. Напряжение пробоя не менее 50 В. Напряжение пробоя в известных конструкциях тонкопленочных датчиков не превышает 30 В. Поэтому предлагаемый датчик можно питать более высоким напряжением питания 12В по сравнению 9 В питания у известных датчиков, т.е. выходной сигнал предлагаемых датчиков давления в 1,5 раза больше, чем у известных. При изготовлении тонкопленочных датчиков по известному решению трудоемкость изготовления упругого элемента 5,2 нормочаса, а по предлагаемому 3,4 нормочаса.During autonomous tests of the proposed design, its operability was confirmed under conditions of a sharp change in the temperature of the measured medium from (-253) to (+300) ^о С. Known thin-film pressure sensors are operable with a sharp change in the temperature of the measured medium from (-196) to (+100) ^о C. The breakdown voltage of at least 50 V. The breakdown voltage in the known designs of thin-film sensors does not exceed 30 V. Therefore, the proposed sensor can be powered with a higher voltage of 12 V compared to 9 V power supply of known sensors, i.e. the output signal of the proposed pressure sensors is 1.5 times greater than that of the known ones. In the manufacture of thin-film sensors according to a well-known solution, the complexity of manufacturing an elastic element is 5.2 standard hours, and according to the proposed 3.4 standard hours.

Таким образом, технико-экономическим преимуществом изобретения является расширение температурного диапазона примерно в 2 раза, увеличение более чем в 1,6 раза пробивного напряжения, увеличение в 1,5 раза входного сигнала и уменьшение более чем в 1,5 трудоемкости изготовления упругих элементов. Другим преимуществом предлагаемого датчика является то, что необходимое качество конструкции можно получить при большей величине высоты элементов по сравнению с высотой микронеровностей известного датчика. Thus, the technical and economic advantage of the invention is to expand the temperature range by about 2 times, an increase of more than 1.6 times the breakdown voltage, an increase of 1.5 times the input signal and a decrease of more than 1.5 the complexity of manufacturing elastic elements. Another advantage of the proposed sensor is that the required quality of the structure can be obtained with a larger height of the elements compared with the height of the microroughness of the known sensor.

Claims

1. THIN-FILM PRESSURE SENSOR, comprising a vacuum housing in which a metal elastic membrane is installed, coated with a dielectric layer, and strain gauges located on the dielectric, characterized in that, in order to expand the temperature range of the measured pressures and increase the output signal, the surface of the metal membrane is on the side the dielectric is made in the form of a constant microrelief with convex elements.

2. The sensor according to claim 1, characterized in that all surface elements are made in the form of identical hexagons, and their parameters are determined by the ratio
R = (0.05-0.2) H _d at β = 0 ^° , γ = 60 ^° ,
where R is the height of the element;
H _d - the thickness of the dielectric;
β, γ are the angles counted from the lines passing through the middle of the opposite sides of the elements to the abscissa line,
drawn parallel to the longitudinal axis of the strain gages, while the longitudinal axis of the strain gages are perpendicular to two opposite sides of the membrane surface element.