RU2399030C1 - Thin-film pressure sensor - Google Patents
Thin-film pressure sensor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2399030C1 RU2399030C1 RU2009128858/28A RU2009128858A RU2399030C1 RU 2399030 C1 RU2399030 C1 RU 2399030C1 RU 2009128858/28 A RU2009128858/28 A RU 2009128858/28A RU 2009128858 A RU2009128858 A RU 2009128858A RU 2399030 C1 RU2399030 C1 RU 2399030C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- housing
- peripheral base
- membrane
- thin
- area
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике, в частности к датчикам, предназначенным для использования в различных областях науки и техники, связанных с измерением давления в условиях воздействия нестационарных температур и повышенных виброускорений.The present invention relates to measuring equipment, in particular to sensors intended for use in various fields of science and technology related to measuring pressure under conditions of unsteady temperatures and increased vibration accelerations.
Известна конструкция тонкопленочного датчика давления, предназначенная для измерения давления в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды, содержащая корпус, круглую мембрану с периферийным основанием, по которому мембрана закреплена в корпусе, соединенные перемычками из низкоомного материала и включенные соответственно в противоположные плечи измерительного моста окружные и радиальные тензорезисторы, выполненные в виде соединенных низкоомными перемычками одинакового количества, имеющих одинаковую форму тензоэлементов, расположенных по окружности на периферии мембраны [1].A known design of a thin-film pressure sensor designed to measure pressure under conditions of unsteady temperature of the medium being measured, comprising a housing, a circular membrane with a peripheral base, along which the membrane is fixed in the housing, connected by jumpers of low-resistance material and included circumferential and radial respectively in the opposite arms of the measuring bridge strain gauges made in the form of connected by low-resistance jumpers of the same quantity having the same shape strain elements located around the circumference at the periphery of the membrane [1].
Недостатком известной конструкции является сравнительно большая погрешность измерения давления в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды вследствие различного влияния дополнительных низкоомных перемычек, соединяющих окружные и радиальные тензорезисторы на сопротивления этих тензорезисторов в процессе изменения температуры. Это вызвано изменением сопротивлений низкоомных перемычек при изменении температуры из-за большого (примерно на 2 порядка) температурного коэффициента сопротивления (ТКС) материала перемычек по сравнению с тензорезистивным материалом, а также различными конфигурацией и размерами перемычек, соединяющих окружные и радиальные тензорезисторы.A disadvantage of the known design is the relatively large error in measuring pressure under conditions of unsteady temperature of the medium being measured due to the different effects of additional low-resistance jumpers connecting the circumferential and radial strain gauges on the resistances of these strain gauges in the process of temperature change. This is caused by a change in the resistances of the low-resistance jumpers when the temperature changes due to the large (about 2 orders of magnitude) temperature coefficient of resistance (TCS) of the jumpers material compared to the strain gauge material, as well as different configurations and sizes of the jumpers connecting the circumferential and radial strain gauges.
Известна конструкция тонкопленочного датчика давления, предназначенная для измерения давления в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды, выбранная в качестве прототипа, содержащая корпус, круглую мембрану с периферийным основанием, по которому мембрана закреплена в корпусе, соединенные тонкопленочными перемычками из низкоомного материала и включенные соответственно в противоположные плечи измерительного моста окружные и радиальные тензорезисторы, выполненные в виде соединенных тонкопленочными перемычками одинакового количества имеющих одинаковую форму тензоэлементов, расположенных по окружности на периферии мембраны, причем тонкопленочные перемычки, которыми соединены тензоэлементы окружных и радиальных тензорезисторов, частично замкнуты дополнительными перемычками [2].A known design of a thin-film pressure sensor designed to measure pressure under the influence of unsteady temperature of the medium being measured, selected as a prototype, comprising a housing, a circular membrane with a peripheral base, along which the membrane is fixed in the housing, connected by thin-film jumpers of low resistance material and included respectively in opposite the shoulders of the measuring bridge are circular and radial strain gauges made in the form of connected thin-film jumpers E having the same number of the same shape tenzoelementov arranged circumferentially on the periphery of the membrane, the thin film webs, which are connected tenzoelementy circumferential and radial strain gauges partially closed further webs [2].
Недостатком известной конструкции является большая погрешность при воздействии нестационарной температуры окружающей среды, направленной не вдоль оси симметрии датчика. В случае воздействия нестационарной температуры окружающей среды вследствие несимметричной относительно мест размещения тензорезисторов плотности теплового потока тензорезисторы нагреваются или охлаждаются неравномерно. Различная температура тензорезисторов приводит к дополнительному изменению выходного сигнала мостовой измерительной схемы датчика, в которую включены тензорезисторы, вследствие двух причин. Одной из причин является зависимость сопротивления тензорезисторов от их температуры, что характеризуется температурными коэффициентами сопротивлений тензорезисторов. Другой причиной является взаимодействие множества последовательно и встречно включенных термоэдс, возникающих на границах разделов тензоэлементов и перемычек вследствие случайным образом распределенных по поверхности чувствительного элемента неоднородностей структуры и неидентичности физических характеристик тензоэлементов и перемычек, находящихся в нестационарном температурном поле.A disadvantage of the known design is a large error when exposed to unsteady ambient temperature, not directed along the axis of symmetry of the sensor. In the event of an unsteady ambient temperature due to the heat flux density asymmetrical relative to the locations of the strain gages, the strain gages are heated or cooled unevenly. Different temperature of the strain gauges leads to an additional change in the output signal of the bridge measuring circuit of the sensor, which includes the strain gauges, for two reasons. One of the reasons is the dependence of the resistance of the strain gages on their temperature, which is characterized by the temperature coefficients of the resistance of the strain gages. Another reason is the interaction of many successively and counter-connected thermoelectric power arising at the interfaces of strain elements and jumpers due to random inhomogeneities of the structure and non-identical physical characteristics of the strain elements and jumpers located in an unsteady temperature field.
Недостатком известной конструкции является также большая погрешность при воздействии повышенных (более 10000 мс-2) виброускорений, которые вследствие значительных виброперемещений вызывают несимметричное и неравномерное повышение температуры элементов конструкции и, соответственно, аналогичные явления, описанные при воздействии нестационарной температуры окружающей среды. Кроме того, значительные виброперемещения, вызванные повышенными виброускорениями иногда приводят к разрушению элементов конструкции датчика.A disadvantage of the known design is also a large error when exposed to increased (more than 10,000 ms -2 ) vibration accelerations, which, due to significant vibrations, cause an asymmetric and uneven increase in the temperature of structural elements and, correspondingly, similar phenomena described when exposed to unsteady ambient temperatures. In addition, significant vibrations caused by increased vibration accelerations sometimes lead to the destruction of the structural elements of the sensor.
Целью предлагаемого изобретения является уменьшение погрешности измерения в условиях воздействия нестационарной температуры окружающей среды и повышенных виброускорений за счет уменьшения различия температур тензорезисторов и термоэлектрических неоднородностей путем уменьшения и выравнивания по величине плотности тепловых потоков, проходящих через тензорезисторы и термоэлектрические неоднородности. Кроме того, целью предлагаемого изобретения является повышение виброустойчивости за счет уменьшения виброперемещений, вызванных виброускорениями.The aim of the invention is to reduce the measurement error under conditions of unsteady ambient temperature and increased vibration acceleration by reducing the temperature difference of the strain gages and thermoelectric inhomogeneities by reducing and equalizing the density of heat fluxes passing through the strain gages and thermoelectric inhomogeneities. In addition, the aim of the invention is to increase vibration resistance by reducing vibration displacement caused by vibration accelerations.
Поставленная цель достигается тем, что в тонкопленочном датчике давления, содержащем корпус, круглую мембрану с периферийным основанием, по которому мембрана закреплена в корпусе, соединенные тонкопленочными перемычками из низкоомного материала и включенные соответственно в противоположные плечи измерительного моста окружные и радиальные тензорезисторы, выполненные в виде соединенных тонкопленочными перемычками одинакового количества имеющих одинаковую форму тензоэлементов, расположенных по окружности на периферии мембраны, причем тонкопленочные перемычки, которыми соединены тензоэлементы окружных и радиальных тензорезисторов, частично замкнуты дополнительными перемычками, согласно изобретения расстояние между внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью периферийного основания в области размещения тензорезисторов и размеры периферийного основания связаны соотношениемThis goal is achieved by the fact that in a thin-film pressure sensor containing a housing, a circular membrane with a peripheral base, along which the membrane is fixed in the housing, circumferential and radial strain gauges connected in the form of connected thin-film jumpers of the same number having the same form of strain elements located around the circumference at the periphery of the membrane, with than the thin-film jumpers connecting the strain gauges of the circumferential and radial strain gauges are partially closed by additional jumpers, according to the invention, the distance between the inner surface of the housing and the outer surface of the peripheral base in the region of the strain gauges and the dimensions of the peripheral base are related by the ratio
где L0 - высота части периферийного основания, не контактирующей с корпусом;where L 0 is the height of the part of the peripheral base not in contact with the housing;
rK - радиус внутренней поверхности корпуса;r K is the radius of the inner surface of the housing;
r0 - радиус наружной поверхности периферийного основания в области размещения тензорезисторов;r 0 is the radius of the outer surface of the peripheral base in the area of the strain gauge;
r0B - радиус внутренней поверхности периферийного основания;r 0B is the radius of the inner surface of the peripheral base;
λ0 - коэффициент теплопроводности материала периферийного основания;λ 0 - coefficient of thermal conductivity of the material of the peripheral base;
λC - коэффициент теплопроводности среды между корпусом и периферийным основанием.λ C is the coefficient of thermal conductivity of the medium between the housing and the peripheral base.
Кроме того, соединение периферийного основания с корпусом выполнено в области между уплотнительной поверхностью периферийного основания, по которой датчик присоединятся к измеряемой среде, и максимальным наружным диаметром корпуса, а максимальный диаметр наружной поверхности периферийного основания в области соединения с корпусом выполнен равным максимальному диаметру уплотнительной поверхности периферийного основания, причем часть периферийного основания, не контактирующая с корпусом, находится между областью соединения периферийного основания с корпусом и областью максимального наружного диаметра корпуса.In addition, the connection of the peripheral base with the housing is made in the region between the sealing surface of the peripheral base, along which the sensor is connected to the medium to be measured, and the maximum outer diameter of the housing, and the maximum diameter of the outer surface of the peripheral base in the area of connection with the housing is made equal to the maximum diameter of the peripheral sealing surface base, and the part of the peripheral base, not in contact with the housing, is located between the connection area of the periphery a base with a housing and a region of the maximum outer diameter of the housing.
На фиг.1 изображен предлагаемый тонкопленочный датчик давления по п.1. формулы, на фиг.2 - то же, по п.2 формулы.Figure 1 shows the proposed thin-film pressure sensor according to claim 1. formula, figure 2 is the same, according to
Тонкопленочный датчик давления содержит корпус 1, круглую мембрану 2 с периферийным основанием 3, по которому мембрана закреплена в корпусе, соединенные тонкопленочными перемычками 4 из низкоомного материала и включенные соответственно в противоположные плечи измерительного моста окружные 5 и радиальные 6 тензорезисторы, выполненные в виде одинакового количества соединенных перемычками 4, имеющих одинаковую форму тензоэлементов 7, расположенных по окружности на периферии мембраны, находящейся около ее границы. Мембрана 2 с периферийным основанием 3 выполнена из сплава 36НКВХБТЮ.The thin-film pressure sensor comprises a housing 1, a
Выводные проводники 8 соединяют тензорезисторы с гермовыводами 9. Провода 10 соединяют гермовыводы с внешней измерительной схемой. Изоляторы 11 электрически изолируют гермовыводы от корпуса. На планарную сторону мембраны последовательно методами тонкопленочной технологии нанесена тонкая изоляционная пленка 12 из моноокиси кремния с подслоем хрома. Тензоэлементы 7, выполненные из сплава Х20Н75Ю, и перемычки 4, выполненные из золота Зл 999,9 с подслоем ванадия, образуют вместе тензосхему. Тонкопленочные перемычки, которыми соединены тензоэлементы окружных и радиальных тензорезисторов, частично замкнуты дополнительными перемычками.The output conductors 8 connect the strain gauges to the
Расстояние между внутренней поверхностью корпуса 1 и наружной поверхностью периферийного основания 3 в области размещения тензорезисторов и размеры периферийного основания 3 связаны заявляемым соотношением.The distance between the inner surface of the housing 1 and the outer surface of the peripheral base 3 in the area of the strain gauges and the size of the peripheral base 3 are connected by the claimed ratio.
Соединение периферийного основания 3 с корпусом 1 выполнено в области между уплотнительной поверхностью 13 периферийного основания 3, по которой датчик присоединятся к измеряемой среде, и максимальным наружным диаметром корпуса 1. Максимальный диаметр наружной поверхности периферийного основания 3 в области соединения с корпусом 1 выполнен равным максимальному диаметру уплотнительной поверхности 13 периферийного основания 3. Часть периферийного основания 3, не контактирующая с корпусом 1, находится между областью соединения периферийного основания 3 с корпусом 1 и областью максимального наружного диаметра корпуса 1.The connection of the peripheral base 3 with the housing 1 is made in the region between the
Датчик давления работает следующим образом. Измеряемое давление воздействует на мембрану 2 со стороны, противоположной расположению тензосхемы. На планарной поверхности мембраны возникают радиальные и тангенциальные напряжения и деформации, которые воспринимаются тензоэлементами 7 окружных 5 и радиальных 6 тензорезисторов. Воздействие деформации от измеряемого давления на окружные тензорезисторы 5 приводит к увеличению их сопротивлений, а воздействие деформации от измеряемого давления на радиальные тензорезисторы 6 приводит к уменьшению их сопротивлений. Так как окружные 5 и радиальные 6 тензорезисторы включены соответственно в противоположные плечи измерительного моста, то при подаче на него питающего напряжения формируется выходной сигнал, величина которого однозначно связана с измеряемым давлением. Выводные проводники 8 и гермовыводы 9 обеспечивают подачу на измерительный мост напряжения питания и снятие выходного сигнала.The pressure sensor operates as follows. The measured pressure acts on the
Для обоснования наличия причинно-следственной связи между совокупностью признаков и достигаемым техническим результатом рассмотрим более подробно конструкцию датчика давления в условиях воздействия нестационарной температуры окружающей среды, направленной под углом к оси датчика, и повышенных виброускорений.To justify the presence of a causal relationship between the set of features and the achieved technical result, we consider in more detail the design of the pressure sensor under the influence of unsteady ambient temperature, directed at an angle to the axis of the sensor, and increased vibration accelerations.
При измерении давления в условиях воздействия нестационарной температуры окружающей среды, направленной под углом к оси датчика, например, в диапазоне температур 50-200°С на датчик, установленный на агрегате жидкостного реактивного двигателя, захоложенного до температуры жидкого кислорода или водорода, в датчике возникает нестационарное температурное поле. К аналогичному явлению приводит воздействие на датчик повышенных виброускорений.When measuring pressure under the influence of an unsteady ambient temperature directed at an angle to the axis of the sensor, for example, in the temperature range of 50-200 ° C, a sensor mounted on the unit of a liquid-propellant engine, cooled to the temperature of liquid oxygen or hydrogen, unsteady temperature field. The effect on the sensor of increased vibration accelerations leads to a similar phenomenon.
При воздействии нестационарной температуры окружающей среды и повышенных виброускорений на корпус датчика можно выделить следующие тепловые потоки:When exposed to unsteady ambient temperatures and increased vibration accelerations on the sensor housing, the following heat fluxes can be distinguished:
- тепловой поток от корпуса к мембране упругого элемента по кратчайшему пути ФМ;- heat flux from the housing to the membrane of the elastic element along the shortest path Ф М ;
- тепловой поток от корпуса к мембране упругого элемента по периферийному основанию ФО;- heat flux from the housing to the membrane of the elastic element along the peripheral base Ф О ;
- тепловой поток от корпуса к гермовыводам ФГ.- heat flow from the housing to the hermetic terminals F G.
Для более равномерного распределения температур на мембране в зонах размещения тензорезисторов необходимо, чтобы тепловой поток от корпуса к мембране по кратчайшему пути был меньше теплового потока от корпуса к мембране по периферийному основанию ФМ<ФО. Для выполнения этого условия необходимо, чтобы термическое сопротивление между внутренней поверхностью корпуса 1 и наружной поверхностью периферийного основания 3 в области размещения тензорезисторов было больше термического сопротивления периферийного основания от места присоединения к корпусу до тензосхемы.For a more uniform distribution of temperatures on the membrane in the zones where the strain gages are located, it is necessary that the heat flux from the housing to the membrane along the shortest path be less than the heat flux from the housing to the membrane along the peripheral base Ф М <Ф О. To fulfill this condition, it is necessary that the thermal resistance between the inner surface of the housing 1 and the outer surface of the peripheral base 3 in the area of the strain gages is greater than the thermal resistance of the peripheral base from the point of attachment to the housing to the strain circuit.
Термическое сопротивление между корпусом и мембраной по кратчайшему пути [3]Thermal resistance between housing and membrane along the shortest path [3]
Термическое сопротивление между корпусом и мембраной по периферийному основанию [3]Thermal resistance between the housing and the membrane at the peripheral base [3]
где А - площадь поперечного сечения периферийного основания.where A is the cross-sectional area of the peripheral base.
Подставляя в выражение (3) выражение (4), после приравнивания выражений (2) и (3) и необходимых преобразований получаемSubstituting expression (4) into expression (3), after equating expressions (2) and (3) and necessary transformations, we obtain
Полученное соотношение характеризует условие превалирования теплового потока от корпуса к мембране по периферийному основанию над тепловым потоком от корпуса к мембране по кратчайшему пути, а следовательно, условие уменьшения величины теплового потока на мембране, вызванным нестационарной температурой окружающей среды и повышенными виброускорениями. Для дополнительного выравнивания распределения температуры на мембране необходимо, чтобы длина кратчайшего пути теплового потока от корпуса к мембране по периферийному основанию к наиболее удаленной от воздействия нестационарной температуры точке мембраны была равна длине пути теплового потока от корпуса к мембране по периферийному основанию к наиболее близкой от воздействия нестационарной температуры точке мембраны. Длина кратчайшего пути теплового потока от корпуса к мембране по периферийному основанию к наиболее близкой от воздействия нестационарной температуры точке мембраны равна высоте части периферийного основания, не контактирующей с корпусом. Длина кратчайшего пути теплового потока от корпуса к мембране по периферийному основанию к наиболее удаленной от воздействия нестационарной температуры точке мембраны равна части длины кривой, образованной пересечением плоскости, проходящей через наиболее удаленную от воздействия нестационарной температуры точку мембраны, и наиболее близкую к воздействию нестационарной температуры точку периферийного основания. Так как мембрана круглая, то такой кривой является эллипс. Для эллипса с достаточной для данного случая точностью можно определить длину [4]The obtained ratio characterizes the condition for the prevailing heat flux from the housing to the membrane along the peripheral base over the heat flux from the housing to the membrane along the shortest path, and therefore, the condition for reducing the heat flux on the membrane caused by unsteady ambient temperature and increased vibration accelerations. For additional equalization of the temperature distribution on the membrane, it is necessary that the length of the shortest path of heat flux from the housing to the membrane along the peripheral base to the point of the membrane farthest from the influence of unsteady temperature is equal to the length of the heat flux path from the housing to the membrane along the peripheral base closest to the non-stationary temperature point of the membrane. The length of the shortest path of the heat flux from the housing to the membrane along the peripheral base to the point of the membrane closest to the influence of non-stationary temperature is equal to the height of the part of the peripheral base that is not in contact with the housing. The length of the shortest path of heat flux from the housing to the membrane along the peripheral base to the point of the membrane furthest from the influence of unsteady temperature is equal to the part of the length of the curve formed by the intersection of the plane passing through the point of the membrane furthest from the influence of unsteady temperature and the point of the peripheral closest to the influence of unsteady temperature grounds. Since the membrane is round, an ellipse is such a curve. For an ellipse with sufficient accuracy for this case, you can determine the length [4]
где а - половина большой оси эллипса,where a is half the major axis of the ellipse,
b - половина малой оси эллипса.b is half the minor axis of the ellipse.
В нашем случаеIn our case
ТогдаThen
Так как тепловой поток по периферийному основанию к наиболее удаленной точке воздействия направлен по половине длины эллипса и двум направлениям, можно записать выражение длины пути этого теплового потокаSince the heat flux along the peripheral base to the farthest point of influence is directed along half the length of the ellipse and in two directions, we can write the expression for the path length of this heat flux
Приравнивая L0=LЭФ, после подстановки получимEquating L 0 = L EF , after substitution we get
После решения квадратного уравнения определим минимальную высоту части периферийного основания, не контактирующей с корпусомAfter solving the quadratic equation, we determine the minimum height of the part of the peripheral base that is not in contact with the housing
Следовательно, для дополнительного выравнивания распределения температуры на мембране необходимо, чтобы высота части периферийного основания, не контактирующей с корпусом удовлетворяла соотношениюTherefore, to further equalize the temperature distribution on the membrane, it is necessary that the height of the part of the peripheral base not in contact with the housing satisfy the relation
После преобразований выражения (5) и объединения с выражением (12) получаем заявляемые соотношения.After transformations of expression (5) and union with expression (12), we obtain the claimed relations.
Например, при rk=3,9, r0=3,8, r0B=2,5, λ0=14,5 Вт/м·К, λС=25,4·10-3 Вт/м·К получаем 4,64≤L0≤8,2.For example, when r k = 3.9, r 0 = 3.8, r 0B = 2.5, λ 0 = 14.5 W / m · K, λ C = 25.4 · 10 -3 W / m · To get 4.64≤L 0 ≤8.2.
Так как соединение периферийного основания 3 с корпусом 1 выполнено в области между уплотнительной поверхностью 13 периферийного основания 3, по которой датчик присоединяется к измеряемой среде, и максимальным наружным диаметром корпуса 1, то по сравнению с прототипом, во-первых, уменьшается погрешность от воздействия виброускорений и повышается виброустойчивость за счет уменьшения виброперемещений и нагрева мембраны вследствие приближения мембраны и периферийного основания к уплотнительной поверхности, а, во-вторых, уменьшается величина максимального наружного диаметра периферийного основания, что повышает технологичность и экономичность за счет увеличения коэффициента использования материала. Кроме того, такое решение позволяет уменьшить размеры и массу корпуса, что также повышает виброустойчивость конструкции.Since the connection of the peripheral base 3 with the housing 1 is made in the region between the sealing
Соединение периферийного основания 3 с корпусом 1 в области между уплотнительной поверхностью 13 и корпуса 1 сохраняет необходимую герметичность вследствие того, что соединение находится за зоной уплотнения и измеряемая среда в этом случае не воздействует на соединение. Соединение периферийного основания 3 с корпусом 1 уменьшает погрешность от воздействия виброускорений и повышается виброустойчивость за счет уменьшения виброперемещений и нагрева соединения вследствие воздействия сжимающего усилия уплотнения, приложенного к максимальному наружному диаметру корпуса, которое обычно создается накидной гайкой на максимальном наружном диаметре корпуса.The connection of the peripheral base 3 with the housing 1 in the region between the sealing
Максимальный диаметр наружной поверхности периферийного основания 3 в области соединения с корпусом 1 выполнен равным максимальному диаметру уплотнительной поверхности 13 периферийного основания 3, по следующим причинам. В случае если максимальный диаметр наружной поверхности периферийного основания 3 будет больше максимального диаметра уплотнительной поверхности, то ухудшится технологичность и экономичность вследствие уменьшения коэффициента использования материала. В случае если максимальный диаметр наружной поверхности периферийного основания 3 будет меньше максимального диаметра уплотнительной поверхности, то ухудшатся условия уплотнения датчика при присоединении датчика к изделию, что не допустимо.The maximum diameter of the outer surface of the peripheral base 3 in the area of connection with the housing 1 is made equal to the maximum diameter of the sealing
Так как часть периферийного основания, не контактирующая с корпусом, находится между областью соединения периферийного основания с корпусом и областью максимального наружного диаметра корпуса, то по сравнению с прототипом, уменьшается погрешность от воздействия виброускорений и повышается виброустойчивость за счет уменьшения виброперемещений и нагрева мембраны вследствие приближения мембраны и периферийного основания к уплотнительной поверхности.Since the part of the peripheral base that is not in contact with the casing is located between the area of connection of the peripheral base with the casing and the region of the maximum outer diameter of the casing, in comparison with the prototype, the error from the effects of vibration acceleration is reduced and the vibration resistance is increased due to the reduction of vibrations and heating of the membrane due to the approach of the membrane and a peripheral base to the sealing surface.
В результате испытаний макетов тонкопленочных датчиков давления в соответствии формулой изобретения установлено, что погрешность при воздействии нестационарной температуры окружающей среды от минус 196 до 25±10°С не превышает 0,7% от предела измерений. Погрешность тонкопленочного датчика давления в соответствии с прототипом в тех же условиях составляет 3%. Погрешность наиболее совершенного серийного тонкопленочного датчика давления Bm 212, предназначенного для измерения давления в изделиях ракетно-космической техники в условиях воздействия нестационарной температуры окружающей среды с ранее указанными параметрами достигает 10% от предела измерений.As a result of testing the models of thin-film pressure sensors in accordance with the claims, it was found that the error when exposed to unsteady ambient temperatures from minus 196 to 25 ± 10 ° C does not exceed 0.7% of the measurement limit. The error of the thin-film pressure sensor in accordance with the prototype under the same conditions is 3%. The error of the most advanced serial thin-film pressure sensor Bm 212, designed to measure pressure in rocket and space technology products under conditions of unsteady ambient temperature with the previously specified parameters reaches 10% of the measurement limit.
Таким образом, преимуществом заявляемого решения является уменьшение погрешности измерения при воздействии нестационарной температуры окружающей среды, вызванной в том числе виброускорениями, за счет уменьшения различия температур тензорезисторов и термоэлектрических неоднородностей путем уменьшения и выравнивания по величине плотности тепловых потоков, проходящих через тензорезисторы и эти неоднородности. Преимуществом заявляемой конструкции является также улучшение массогабаритных характеристик за счет уменьшения размеров и массы корпуса.Thus, the advantage of the proposed solution is to reduce the measurement error under the influence of unsteady ambient temperature, caused, among other things, by vibration accelerations, by reducing the temperature difference of the strain gages and thermoelectric inhomogeneities by reducing and equalizing the density of heat fluxes passing through the strain gages and these inhomogeneities. An advantage of the claimed design is also the improvement of overall dimensions by reducing the size and weight of the housing.
Кроме того, заявляемое решение обеспечивает уменьшение погрешности от воздействия виброускорений и повышение виброустойчивости за счет уменьшения виброперемещений и нагрева мембраны вследствие приближения мембраны и периферийного основания к уплотнительной поверхности, а также уменьшения размеров и массы корпуса. Кроме этого, заявляемое решение обеспечивает повышение технологичности и экономичности вследствие увеличения коэффициента использования материала. Преимуществом заявляемой конструкции является также то, что достижение более высоких характеристик происходит при сохранении необходимой герметичности присоединения к изделию вследствие нахождения соединения за зоной уплотнения и измеряемая среда в этом случае не воздействует на соединение.In addition, the claimed solution provides a reduction of the error from the effects of vibration acceleration and increased vibration resistance by reducing vibration displacement and heating of the membrane due to the approach of the membrane and the peripheral base to the sealing surface, as well as reducing the size and weight of the housing. In addition, the claimed solution provides an increase in manufacturability and economy due to an increase in the utilization of the material. An advantage of the claimed design is also that the achievement of higher characteristics occurs while maintaining the necessary tightness of the connection to the product due to the location of the connection beyond the sealing zone and the measured medium in this case does not affect the connection.
Источники информацииInformation sources
1. Патент RU № 1615578, МПК G01L 9/04, Бюл. № 47, 23.12.90.1. Patent RU No. 1615578,
2. Патент RU № 2312319, МПК G01L 9/04, Бюл. № 34, 10.12.2007.2. Patent RU No. 2312319,
3. Теплопроводность твердых тел: Справочник./Под редакцией А.С.Охотина. М.: Энергоатомиздат, 1984. 320 с.3. Thermal conductivity of solids: a Handbook. / Edited by A.S. Ohotin. M .: Energoatomizdat, 1984. 320 p.
4. Бронштейн И.Н., Сеиендиев К.А. Справочник по математике, М.: Наука, 1980, 976 с.4. Bronstein I.N., Seyendiev K.A. Handbook of Mathematics, Moscow: Nauka, 1980, 976 pp.
Claims (2)
где L0 - высота части периферийного основания, не контактирующей с корпусом;
rK - радиус внутренней поверхности корпуса;
r0 - радиус наружной поверхности периферийного основания в области размещения тензорезисторов;
r0B - радиус внутренней поверхности периферийного основания;
λ0 - коэффициент теплопроводности материала периферийного основания;
λC - коэффициент теплопроводности среды между корпусом и периферийным основанием.1. A thin-film pressure sensor comprising a housing, a circular membrane with a peripheral base, on which the membrane is fixed in the housing, circumferential and radial strain gauges connected in the form of connected by thin-film jumpers of the same number connected by thin-film jumpers of low-resistance material and connected respectively to opposite arms of the measuring bridge, having the same form of strain elements located around a circle on the periphery of the membrane, and thin-film jumpers, which the strain gauges of the circumferential and radial strain gauges are connected, partially closed by additional jumpers, characterized in that the distance between the inner surface of the housing and the outer surface of the peripheral base in the area of the strain gauges and the dimensions of the peripheral base are related by the ratio
where L 0 is the height of the part of the peripheral base not in contact with the housing;
r K is the radius of the inner surface of the housing;
r 0 is the radius of the outer surface of the peripheral base in the area of the strain gauge;
r 0B is the radius of the inner surface of the peripheral base;
λ 0 - coefficient of thermal conductivity of the material of the peripheral base;
λ C is the coefficient of thermal conductivity of the medium between the housing and the peripheral base.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009128858/28A RU2399030C1 (en) | 2009-07-27 | 2009-07-27 | Thin-film pressure sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009128858/28A RU2399030C1 (en) | 2009-07-27 | 2009-07-27 | Thin-film pressure sensor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2399030C1 true RU2399030C1 (en) | 2010-09-10 |
Family
ID=42800592
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2009128858/28A RU2399030C1 (en) | 2009-07-27 | 2009-07-27 | Thin-film pressure sensor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2399030C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2489693C1 (en) * | 2012-02-27 | 2013-08-10 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" | Manufacturing method of thin-film pressure sensor |
| CN103712729A (en) * | 2013-12-18 | 2014-04-09 | 中国电子科技集团公司第四十八研究所 | Non-welding-sealed pressure sensor |
| RU197682U1 (en) * | 2019-12-27 | 2020-05-21 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ, НИ ТГУ) | SEMICONDUCTOR PRESSURE SENSOR |
-
2009
- 2009-07-27 RU RU2009128858/28A patent/RU2399030C1/en active
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2489693C1 (en) * | 2012-02-27 | 2013-08-10 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" | Manufacturing method of thin-film pressure sensor |
| CN103712729A (en) * | 2013-12-18 | 2014-04-09 | 中国电子科技集团公司第四十八研究所 | Non-welding-sealed pressure sensor |
| CN103712729B (en) * | 2013-12-18 | 2016-06-29 | 中国电子科技集团公司第四十八研究所 | Non-solder seals pressure transducer |
| RU197682U1 (en) * | 2019-12-27 | 2020-05-21 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ, НИ ТГУ) | SEMICONDUCTOR PRESSURE SENSOR |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN105466626B (en) | Diaphragm pressure sensor and its manufacturing method | |
| RU2398195C1 (en) | Method of making nano- and micro-electromechanical pressure sensor system and pressure sensor based on said system | |
| JP2014102252A (en) | Measurement device for measuring physical quantity | |
| CN203163913U (en) | Diaphragm type fiber bragg grating pressure sensor with temperature compensation | |
| Sengupta et al. | Sensing of hydrostatic pressure using FBG sensor for liquid level measurement | |
| JP2011524015A (en) | Improved isolation system for process pressure measurement | |
| RU2399030C1 (en) | Thin-film pressure sensor | |
| HUE026046T2 (en) | Capacitative pressure measurement cell for detecting the pressure of a medium adjacent to the measurement cell | |
| RU2312319C2 (en) | Thin-film pressure gage | |
| CN117889898B (en) | Fiber bragg grating sensor for strain and temperature double-parameter measurement | |
| CN207395944U (en) | A kind of one-piece type sensor of new construction pressure and temp | |
| GHOSH | AN INTRODUCTION TO LINEAR ALGEBRA | |
| CN207366096U (en) | Minimize temperature sensor module | |
| RU2411474C1 (en) | High precision pressure sensor based on nano- and micro-electromechanical system with thin-film tensoresistors | |
| JP4844252B2 (en) | Thermal mass flow meter | |
| RU2391640C1 (en) | Strain gauge pressure sensor on basis of thin-film nano- and microelectromechanical system | |
| US3060396A (en) | Transducer | |
| RU2391641C1 (en) | Pressure sensor of strain gauge with thin-film nano- and microelectromechanical system | |
| RU2398196C1 (en) | Device for measuring pressure based on nano- and micro-electromechanical system with frequency-domain output signal | |
| RU2601613C1 (en) | Thermally stable pressure sensor based on nano-and micro-electromechanical system with membrane having rigid centre | |
| JP5628236B2 (en) | Thermal humidity sensor | |
| RU2464538C1 (en) | Pressure sensor | |
| Jones et al. | The creep of aluminium during neutron irradiation | |
| Belozubova | Reducing the errors caused by the nonstationarity of temperatures in nano-and micro-electromechanical pressure transducer systems | |
| SU1525504A1 (en) | Pressure transducer |