RU2406985C1 - Pressure measurement device based on nano- and micro-electromechanical system having frequency output - Google Patents

Pressure measurement device based on nano- and micro-electromechanical system having frequency output Download PDF

Info

Publication number
RU2406985C1
RU2406985C1 RU2009132770/28A RU2009132770A RU2406985C1 RU 2406985 C1 RU2406985 C1 RU 2406985C1 RU 2009132770/28 A RU2009132770/28 A RU 2009132770/28A RU 2009132770 A RU2009132770 A RU 2009132770A RU 2406985 C1 RU2406985 C1 RU 2406985C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
integrator
output
strain
resistor
operational amplifier
Prior art date
Application number
RU2009132770/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Валерий Анатольевич Васильев (RU)
Валерий Анатольевич Васильев
Николай Валентинович Громков (RU)
Николай Валентинович Громков
Original Assignee
Валерий Анатольевич Васильев
Николай Валентинович Громков
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Валерий Анатольевич Васильев, Николай Валентинович Громков filed Critical Валерий Анатольевич Васильев
Priority to RU2009132770/28A priority Critical patent/RU2406985C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2406985C1 publication Critical patent/RU2406985C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Measuring Fluid Pressure (AREA)
  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: pressure measurement device based on a nano- and micro-electromechanical system, having a frequency output which has a strain gauge consists of a housing in which there is a nano- and micro-electromechanical system with an elastic member in form of a membrane having a base on which there is a heterogeneous structure made from thin films of materials in which there are tensoresistors joined into a tensobridge, a frequency converter for the signal from the output of the tensobridge, having a comparator and an integrator. The integrator is made on an operational amplifier with a first capacitor in a negative feedback circuit whose output is connected to the first input of the comparator, between whose output and the inverting input of the operational amplifier of the integrator of which a second capacitor is connected. The inverting input of the operational amplifier of the integrator is connected through a first resistor to one vertex of the measuring diagonal of the tensobridge, and the other vertex is connected to the non-inverting input of the operational amplifier of the integrator and the second input of the comparator. There is voltage divider comprising two resistors, a second resistor of the integrator and an extra resistor. The voltage divider is connected in parallel to the power diagonal of the tensobridge of the sensor. The output of the voltage divider is connected through the second resistor of the integrator to the inverting input of the operational amplifier of the integrator. The first vertex of the power diagonal of the tensobridge is connected through the extra resistor to the output of the comparator, and the second vertex is connected to an earth bus. The extra resistor consists of two parts.
EFFECT: broader functionalities of the pressure measurement device based on a nano- and micro-electromechanical system, having a frequency output, and high accuracy of converting a disbalance signal of the tensobridge of the sensor owing to reduced effect of tensoresistor heating temperature on the output signal.
3 cl, 17 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления в условиях воздействия температур измеряемой среды, как в системах автоматического контроля, так и в цифровых приборах специального и универсального назначения.The invention relates to measuring equipment and can be used to measure pressure under the influence of the temperature of the measured medium, both in automatic control systems and in digital devices of special and universal purpose.

Известны тензорезисторные датчики давления с тензорезисторами, расположенными на мембране в радиальном направлении и соединенными в мостовую измерительную цепь [1, 2]. Их общим недостатком является низкая точность в условиях воздействия температур измеряемой среды, они требуют дополнительных термокомпенсационных элементов (терморезисторов) и их подстройки. Это связано с появлением градиента температуры по радиусу мембраны, наличием температурного коэффициента сопротивления тензорезисторов, неравномерного нагрева тензорезисторов и его частей. В результате появляется разбаланс мостовой измерительной цепи, не связанный с измеряемым давлением, точность измерения давления резко снижается. Погрешность от воздействия температуры может достигать 30-60%, тогда как в обычных условиях обеспечивается погрешность 0,5-1,5%.Known strain gauge pressure sensors with strain gauges located on the membrane in the radial direction and connected to a bridge measuring circuit [1, 2]. Their common drawback is the low accuracy under the influence of the temperature of the measured medium, they require additional thermocompensation elements (thermistors) and their adjustment. This is due to the appearance of a temperature gradient along the radius of the membrane, the presence of a temperature coefficient of resistance of the strain gauges, uneven heating of the strain gauges and its parts. As a result, an imbalance of the bridge measuring circuit appears that is not related to the measured pressure, the accuracy of the pressure measurement is sharply reduced. The error from the influence of temperature can reach 30-60%, while under normal conditions an error of 0.5-1.5% is ensured.

Известен тензорезисторный датчик давления [3], основой которого является тонкопленочная нано- и микроэлектромеханическая система (НиМЭМС) с гетерогенной структурой. Под гетерогенными структурами в общем смысле понимают структуры, разнородные по своему составу или происхождению (принадлежности к той или иной форме, типу, группе, классу, системе). Датчики такого типа относятся к изделиям нано- и микросистемной техники [4].Known strain gauge pressure sensor [3], the basis of which is a thin-film nano- and microelectromechanical system (NIMEMS) with a heterogeneous structure. By heterogeneous structures in the general sense we mean structures that are heterogeneous in their composition or origin (belonging to one form or another, type, group, class, system). Sensors of this type relate to products of nano- and microsystem technology [4].

Тензорезисторный датчик давления [3] содержит вакуумированный корпус, тонкопленочную нано- и микроэлектромеханическую систему, состоящую из упругого элемента в виде круглой жесткозащемленной мембраны, выполненной за одно целое с основанием, на которой расположены соединенные в мостовую схему окружные и радиальные тензорезисторы. Они выполнены в виде соединенных низкоомными перемычками и равномерно размещенных по периферии мембраны идентичных тензоэлементов. Каждый из них касается двумя вершинами границы мембраны. Диэлектрик выполнен в виде тонкопленочной структуры Cr-SiO-SiO2, тензоэлементы - в виде структуры Х20Н75Ю, перемычки - в виде структуры V-Au.The strain gauge pressure sensor [3] contains a vacuum housing, a thin-film nano- and microelectromechanical system, consisting of an elastic element in the form of a round rigid-clamped membrane made in one piece with the base, on which circumferential and radial strain gauges connected to the bridge circuit are located. They are made in the form of identical strain gauges connected by low-resistance jumpers and uniformly placed along the periphery of the membrane. Each of them touches with two vertices of the membrane boundary. The dielectric is made in the form of a Cr-SiO-SiO 2 thin-film structure, the strain elements are in the form of an X20H75Y structure, and the bridges are in the form of a V-Au structure.

Поскольку тензоэлементы идентичны и находятся на периферии мембраны на одинаковом расстоянии от ее центра, то несмотря на изменение температуры на планарной стороне мембраны температуры тензоэлементов окружных и радиальных тензорезисторов, изменяясь, со временем будут одинаковы в каждый момент времени. Одинаковая температура радиальных и окружных тензорезисторов в каждый момент времени вызывает практически одинаковые изменения сопротивлений тензорезисторов, которые вследствие включения тензорезисторов в мостовую схему взаимно компенсируются.Since the strain elements are identical and are located on the periphery of the membrane at the same distance from its center, then despite the temperature change on the planar side of the membrane, the temperature of the strain elements of the circumferential and radial strain gauges, changing, will be the same at each time point. The identical temperature of the radial and circumferential strain gages at each moment of time causes almost the same changes in the resistance of the strain gages, which due to the inclusion of the strain gages in the bridge circuit are mutually compensated.

Недостатком устройств для измерения давления, содержащих указанные датчики давления и преобразователи сигнала с аналоговым выходом, является то, что они сильно чувствительны к нестабильности напряжения питания тензомоста, имеют температурную погрешность, связанную с разогревом тензорезисторов моста, как от влияния температуры окружающей и измеряемой среды, так и от токопрохождения.The disadvantage of pressure measuring devices containing these pressure sensors and signal converters with an analog output is that they are highly sensitive to instability of the voltage supply of the strain gage, have a temperature error associated with the heating of the strain gages of the bridge, both from the influence of the temperature of the environment and the medium being measured, and from current passage.

Известен преобразователь [5] сигнала разбаланса тензомоста в частоту, содержащий тензомост, компаратор, выход которого подключен к диагонали питания тензомоста, и интегратор, выполненный на операционном усилителе с первым конденсатором в цепи отрицательной обратной связи, выход которого подключен к первому входу компаратора, между выходом компаратора и инвертирующим входом операционного усилителя интегратора включен второй конденсатор, вход интегратора соединен с одной из вершин измерительной диагонали тензомоста, а ее другая вершина подключена к неинвертирующему входу операционного усилителя интегратора и второму входу компаратора. Преобразователь содержит тензомост, интегратор на операционном усилителе с конденсатором в цепи отрицательной обратной связи, компаратор, выход которого подключен к диагонали питания тензомоста и через конденсатор соединен с инвертирующим входом усилителя, первый вход подключен к выходу интегратора, а второй вход - к одной из вершин измерительной диагонали тензомоста и к неинвертирующему входу усилителя. Другая вершина измерительной диагонали моста подключена к входу интегратора. Выходная частота данного преобразователя определяется по формулеA known converter [5] of the strain gage unbalance signal to a frequency, comprising a strain gage, a comparator, the output of which is connected to the power supply diagonal of the strain gage, and an integrator made on an operational amplifier with a first capacitor in the negative feedback circuit, the output of which is connected to the first input of the comparator, between the output a second capacitor is connected to the comparator and the inverting input of the integrator operational amplifier, the integrator input is connected to one of the vertices of the measuring diagonal of the tensor bridge, and its other vertex and connected to a non-inverting input of the operational amplifier of the integrator and the second input of the comparator. The converter contains a strain gauge bridge, an integrator on an operational amplifier with a capacitor in the negative feedback circuit, a comparator whose output is connected to the diagonal of the strain gauge power supply and connected through a capacitor to the inverting input of the amplifier, the first input is connected to the integrator output, and the second input to one of the measuring vertices the diagonal of the strain gage and to the non-inverting input of the amplifier. The other vertex of the measuring diagonal of the bridge is connected to the input of the integrator. The output frequency of this converter is determined by the formula

Figure 00000001
Figure 00000001

где εR - относительное изменение сопротивлений тензомоста от воздействия измеряемого давления; Rи - сопротивление интегратора 16, которое включает в себя выходное сопротивление тензометрического моста 15 и сопротивление кабельной линии; С20 - емкость конденсатора 20.where ε R is the relative change in the resistance of the strain bridge from the effects of the measured pressure; R and - the resistance of the integrator 16, which includes the output resistance of the strain gauge bridge 15 and the resistance of the cable line; C 20 - capacitor 20.

Как видно из формулы (1), частота выходного сигнала преобразователя определяется сопротивлением интегратора Rи, включающим в себя выходное сопротивление тензометрического моста и сопротивление кабельной линии, емкостью конденсатора С20 и относительным изменением сопротивлений тензомоста εR от воздействия измеряемого давления, но не зависит от напряжения питания. Однако формула (1) справедлива для данного устройства в случае, когда рабочая температура тензомоста не претерпевает значительных изменений, и преобразователь работает только при разбалансе тензомоста в одну сторону, а при разбалансе в другую сторону, и даже при нулевом разбалансе, схема «засыпает», т.е. выходная частота преобразователя равна нулю.As can be seen from formula (1), the frequency of the output signal of the converter is determined by the resistance of the integrator R and including the output resistance of the strain gauge bridge and the resistance of the cable line, the capacitance of the capacitor C 20 and the relative change in the resistance of the strain bridge ε R from the influence of the measured pressure, but does not depend on supply voltage. However, formula (1) is valid for this device in the case when the operating temperature of the strain gage does not undergo significant changes, and the converter only works when the strain gage is unbalanced in one direction, and when the imbalance is in the other direction, and even with zero imbalance, the circuit “falls asleep”, those. the output frequency of the converter is zero.

В реальных условиях эксплуатации датчиков давления при длительном и непрерывном времени работы и недостаточном отводе тепла рабочая температура тензомоста может изменяться за счет разогрева при протекании тока через тензорезисторы, а также за счет изменения температуры измеряемой среды и тогда сопротивление тензорезисторов, включенных по мостовой схеме, и сопротивление тензометрического моста в целом будут изменяться пропорционально температуре в соответствии со значением температурного коэффициента сопротивления, который, к примеру, для металлопленочных тензорезисторов имеет величину порядка 3*10-3%/10°С. При этом напряжение разбаланса с выхода измерительной диагонали тензомоста будет равно не εU0, а

Figure 00000002
где
Figure 00000003
- относительное изменение сопротивления тензометрического моста при изменении температуры, U0 - напряжение питания тензомоста.Under real conditions of operation of pressure sensors with long and continuous operation time and insufficient heat removal, the operating temperature of the strain gage can change due to heating during current flow through the strain gages, as well as due to a change in the temperature of the medium being measured, and then the resistance of the strain gages included in the bridge circuit and the resistance the strain gauge bridge as a whole will vary in proportion to the temperature in accordance with the value of the temperature coefficient of resistance, which, when Yeru for metalloplenochnyh strain gages is of the order 3 * 10 -3% / 10 ° C. In this case, the unbalance voltage from the output of the measuring diagonal of the tensor bridge will be not εU 0 , but
Figure 00000002
Where
Figure 00000003
- the relative change in the resistance of the strain gauge bridge when the temperature changes, U 0 - voltage supply of the strain gage.

Тогда формула (1) преобразуется к виду:Then the formula (1) is converted to the form:

Figure 00000004
Figure 00000004

Как видно из выражения (2), частота выходного сигнала преобразователя с увеличением температуры будет уменьшаться. Относительная температурная погрешность при этом может достигать 2% и более.As can be seen from expression (2), the frequency of the converter output signal will decrease with increasing temperature. The relative temperature error can reach 2% or more.

Таким образом, недостатками устройства, содержащего тензорезисторный датчик давления и частотный преобразователь сигнала с выхода тензомоста датчика, являются низкая точность при изменении сопротивлений тензорезисторов с изменением температуры разогрева тензомоста и работа преобразователя только при разбалансе тензомоста в одну сторону, т.е. «засыпание» схемы при разбалансе в другую сторону и при нулевом разбалансе.Thus, the disadvantages of the device containing the strain gauge pressure sensor and the frequency converter of the signal from the output of the strain gauge bridge are low accuracy when the resistance of the strain gauges changes with the temperature of the heating of the strain gage and the converter operates only when the strain gage is unbalanced in one direction, i.e. “Falling asleep” scheme with unbalance in the other direction and with zero unbalance.

Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей устройства для измерения давления с частотным выходом на основе нано- и микроэлектромеханической системы (НиМЭМС) и повышение точности преобразования сигнала разбаланса тензомоста датчика за счет уменьшения влияния температуры разогрева тензорезисторов на выходной сигнал.The technical result of the invention is to expand the functionality of a pressure measuring device with a frequency output based on a nano- and microelectromechanical system (NIMEMS) and to increase the accuracy of converting the strain gauge bridge imbalance signal by reducing the influence of the heating temperature of the strain gauges on the output signal.

Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве для измерения давления с частотным выходом на основе нано- и микроэлектромеханической системы (НиМЭМС), содержащем тензорезисторный датчик, состоящий из корпуса, установленной в нем НиМЭМС с упругим элементом в виде мембраны с основанием, сформированной на ней гетерогенной структурой из тонких пленок материалов, в которой образованы тензорезисторы, объединенные в тензомост, частотный преобразователь сигнала с выхода тензомоста, содержащий компаратор и интегратор, выполненный на операционном усилителе с первым конденсатором в цепи отрицательной обратной связи, выход которого подключен к первому входу компаратора, между выходом которого и инвертирующим входом операционного усилителя интегратора включен второй конденсатор, инвертирующий вход операционного усилителя интегратора через первый резистор соединен с одной из вершин измерительной диагонали тензомоста, а ее другая вершина подключена к неинвертирующему входу операционного усилителя интегратора и второму входу компаратора, введен делитель напряжения из двух резисторов, второй резистор интегратора и дополнительный резистор, при этом делитель напряжения подключен параллельно диагонали питания тензомоста датчика, выход делителя напряжения через второй резистор интегратора соединен с инвертирующим входом операционного усилителя интегратора, первая вершина диагонали питания тензомоста через дополнительный резистор подключена к выходу компаратора, а вторая вершина - к шине «земля». При этом дополнительный резистор выполнен из того же материала, что и тензорезисторы тензомоста датчика, установлен по контуру за периферией мембраны на ее основании или состоит из двух частей, первая из которых выполнена из того же материала, что и тензорезисторы тензомоста датчика, установлена по контуру за периферией мембраны на ее основании, а вторая - из резистивного материала и расположена за пределами мембраны в датчике или частотном преобразователе сигнала.This goal is achieved by the fact that in the known device for measuring pressure with a frequency output based on a nano- and microelectromechanical system (NiMEMS) containing a strain gauge sensor, consisting of a housing installed in it NiMEMS with an elastic element in the form of a membrane with a base formed on it a heterogeneous structure of thin films of materials in which strain gages are formed, combined into a strain gage, a frequency converter of the signal from the output of the strain gage, containing a comparator and integrator, made the second capacitor is connected to the operational amplifier with the first capacitor in the negative feedback circuit, the output of which is connected to the first input of the comparator, between the output of which and the inverting input of the integrator operational amplifier, the inverting input of the integrator operational amplifier is connected through one resistor to the vertices of the measuring diagonal of the tensor bridge , and its other vertex is connected to the non-inverting input of the operational amplifier of the integrator and the second input of the comparator, a divider is introduced of two resistors, a second integrator resistor and an additional resistor, while the voltage divider is connected parallel to the diagonal of the sensor strain bridge power supply, the output of the voltage divider through the second integrator resistor is connected to the inverting input of the integrator operational amplifier, the first vertex of the tensi bridge power diagonal is connected through the additional resistor to the output of the comparator and the second peak is to the ground bus. In this case, an additional resistor is made of the same material as the strain gages of the strain gage of the sensor, is installed along the circuit behind the periphery of the membrane on its base or consists of two parts, the first of which is made of the same material as the strain gages of the strain gage of the sensor, is installed on the circuit for the periphery of the membrane at its base, and the second is made of resistive material and is located outside the membrane in the sensor or signal frequency converter.

Устройство для измерения давления с частотным выходом на основе нано- и микроэлектромеханической системы (НиМЭМС) содержит тензорезисторный датчик давления 1 и частотный преобразователь 2 сигнала с выхода тензомоста.A device for measuring pressure with a frequency output based on a nano- and microelectromechanical system (NIMEMS) contains a strain gauge pressure sensor 1 and a frequency converter 2 of the signal from the output of the strain gauge bridge.

Тензорезисторный датчик давления 1 (фиг.1) содержит корпус 3 со штуцером 4 (фиг.2), установленную в нем тонкопленочную нано- и микроэлектромеханическую систему (НиМЭМС) 5, выводные проводники 6, кабельную перемычку 7. Тонкопленочная НиМЭМС 5 представляет собой конструктивно законченный модуль, обеспечивающий высокую технологичность сборки датчика.The strain gauge pressure sensor 1 (Fig. 1) contains a housing 3 with a fitting 4 (Fig. 2), a thin-film nano- and microelectromechanical system (NIMEMS) 5 installed in it, output conductors 6, a cable jumper 7. The thin-film NIMEMS 5 is a structurally finished a module providing high adaptability of the sensor assembly.

Частотный преобразователь 2 (фиг.1) сигнала с выхода тензомоста может быть выполнен в виде микроэлектронного модуля 8 (фиг.2), установленного в корпусе датчика.The frequency Converter 2 (Fig.1) of the signal from the output of the strain gage can be made in the form of a microelectronic module 8 (Fig.2) installed in the sensor housing.

На фиг.3 отдельно показана тонкопленочная нано- и микроэлектромеханическая система (НиМЭМС) датчика давления 1. Она состоит из упругого элемента - круглой мембраны 9, жестко заделанной по контуру, с периферийным основанием 10 за границей 11 мембраны, гетерогенной структуры 12, контактной колодки 13, герметизирующей втулки 14, соединительных проводников 15, выводных колков 16, диэлектрических втулок 17. Гетерогенная структура 12 из тонких пленок материалов (тонкопленочные диэлектрические, тензорезистивные, контактные и т.п. слои материалов) сформирована на мембране 9 методами нано- и микроэлектронной технологии, в которой образованы тензорезисторы, объединенные в тензомост.Figure 3 separately shows a thin-film nano- and microelectromechanical system (NIMEMS) of the pressure sensor 1. It consists of an elastic element - a round membrane 9, rigidly sealed along the contour, with a peripheral base 10 beyond the boundary 11 of the membrane, a heterogeneous structure 12, contact block 13 , the sealing sleeve 14, the connecting conductors 15, the output pegs 16, the dielectric bushings 17. A heterogeneous structure 12 of thin films of materials (thin-film dielectric, strain gauge, contact, etc. material layers) is formed ana the membrane 9 methods nano- and microelectronic technology in which are formed strain gages integrated in tenzomost.

На фиг.4 представлена функциональная электрическая схема устройства для измерения давления с частотным выходом на основе нано- и микроэлектромеханической системы (НиМЭМС). Она включает тензомост 18 тензорезисторного датчика давления 1 (фиг.2) и частотный преобразователь сигнала 2 (фиг.2) с выхода тензомоста датчика.Figure 4 presents a functional electrical diagram of a device for measuring pressure with a frequency output based on a nano- and microelectromechanical system (NIMEMS). It includes a strain gauge 18 of the strain gauge pressure sensor 1 (figure 2) and a frequency signal converter 2 (figure 2) from the output of the strain gauge bridge of the sensor.

Частотный преобразователь сигнала с выхода тензомоста 18 датчика давления содержит интегратор 19, выполненный на операционном усилителе 20 с первым конденсатором 21 в цепи обратной связи, компаратор 22. Выход операционного усилителя 20 подключен к первому входу компаратора 22, между выходом которого и инвертирующим входом операционного усилителя 20 интегратора 19 включен второй конденсатор 23. Инвертирующий вход операционного усилителя интегратора 19 через первый резистор 24 соединен с одной из вершин измерительной диагонали тензомоста 18, а ее другая вершина подключена к неинвертирующему входу операционного усилителя 20 интегратора 19 и второму входу компаратора 22. Делитель напряжения 25 из резисторов подключен параллельно диагонали питания тензомоста датчика 18. Выход делителя напряжения 25 через второй резистор 26 интегратора 19 соединен с инвертирующим входом операционного усилителя 20 интегратора 19. Первая вершина диагонали питания тензомоста 18 через дополнительный резистор 27 подключена к выходу компаратора 22, а вторая вершина - к шине «земля». Дополнительный резистор 27 выполнен из того же материала, что и тензорезисторы тензомоста датчика, установлен за периферией мембраны по контуру на ее основании. Дополнительный резистор 27 может состоять из двух частей, первая из которых выполнена из того же материала, что и тензорезисторы тензомоста датчика, и установлена за периферией мембраны по контуру на ее основании, а вторая - из резистивного материала и расположена за пределами мембраны в датчике давления 1 или частотном преобразователе 2 сигнала с выхода тензомоста 18.The frequency Converter signal from the output of the strain gauge bridge 18 of the pressure sensor contains an integrator 19, made on the operational amplifier 20 with the first capacitor 21 in the feedback circuit, a comparator 22. The output of the operational amplifier 20 is connected to the first input of the comparator 22, between the output of which and the inverting input of the operational amplifier 20 the integrator 19 includes a second capacitor 23. The inverting input of the operational amplifier of the integrator 19 through the first resistor 24 is connected to one of the vertices of the measuring diagonal of the strain bridge 18, and its the corner vertex is connected to the non-inverting input of the operational amplifier 20 of the integrator 19 and the second input of the comparator 22. The voltage divider 25 of the resistors is connected in parallel with the diagonal of the power supply of the strain gauge bridge 18. The output of the voltage divider 25 through the second resistor 26 of the integrator 19 is connected to the inverting input of the operational amplifier 20 of the integrator 19. The first vertex of the power diagonal of the strain gauge bridge 18 is connected to the output of the comparator 22 through an additional resistor 27, and the second vertex is connected to the ground bus. An additional resistor 27 is made of the same material as the strain gages of the strain gauge bridge of the sensor, is installed beyond the periphery of the membrane along the circuit at its base. The additional resistor 27 may consist of two parts, the first of which is made of the same material as the strain gages of the strain gauge bridge, and is installed behind the periphery of the membrane along the circuit at its base, and the second is made of resistive material and is located outside the membrane in the pressure sensor 1 or frequency converter 2 of the signal from the output of the strain gauge bridge 18.

Тонкопленочная гетерогенная структура 12 нано- и микроэлектромеханической системы (НиМЭМС) датчика давления (фиг.3) состоит из нано- и микроразмерных слоев, сформированных на металлической мембране 9 (в качестве материала мембраны может быть сталь 36НХТЮ) с высотой микронеровностей не более 50-100 нм (при высоте микронеровностей мембраны более 100 нм становится принципиально невозможным получение устойчивых тонкопленочных структур, а следовательно, и новых качественных показателей, характерных для датчика). Она содержит слой диэлектрика (например, в виде структуры Cr-SiO-SiO2, где Cr используется в качестве подслоя толщиной 150-300 нм), резистивный слой (например, в виде структуры Х20Н75Ю, толщиной 40…100 нм) и слой контактной группы (например, в виде структуры V-Au для формирования контактных площадок, перемычек, проводников). В гетерогенной структуре 12 методами фотолитографии и травления формируют мостовую схему из окружных 28 и радиальных 29 тензорезисторов (фиг.5), выполненных в виде соединенных низкоомными перемычками 30 (из структуры V-Au) и равномерно размещенных по периферии мембраны идентичных тензоэлементов 31 (из структуры Х20Н75Ю, толщиной не более 100 нм), дополнительный резистор 27, выполненный из того же материала, что и тензорезисторы тензомоста датчика. Дополнительный резистор 27 сформирован на основании 10 за границей 11 мембраны (фиг.3) в зоне, нечувствительной к механическим деформациям от давления.The thin-film heterogeneous structure 12 of the nano- and microelectromechanical system (NIMEMS) of the pressure sensor (Fig. 3) consists of nano- and micro-sized layers formed on a metal membrane 9 (36NKhTYu steel can be the material of the membrane) with a microroughness height of not more than 50-100 nm (with a membrane microroughness height of more than 100 nm, it becomes fundamentally impossible to obtain stable thin-film structures, and therefore new qualitative indicators characteristic of the sensor). It contains a dielectric layer (for example, in the form of a Cr-SiO-SiO 2 structure, where Cr is used as a sublayer with a thickness of 150-300 nm), a resistive layer (for example, in the form of an X20H75Y structure, 40 ... 100 nm thick) and a contact group layer (for example, in the form of a V-Au structure for the formation of contact pads, jumpers, conductors). In a heterogeneous structure 12, photolithography and etching methods form a bridge circuit of circular 28 and radial 29 strain gages (Fig. 5) made in the form of identical strain gauge elements 31 (uniformly arranged along the membrane periphery) connected by low-resistance jumpers 30 (from the V-Au structure) (from the structure Х20Н75Ю, with a thickness of not more than 100 nm), an additional resistor 27 made of the same material as the strain gages of the strain gage of the sensor. An additional resistor 27 is formed on the base 10 beyond the boundary 11 of the membrane (Fig. 3) in an area insensitive to mechanical deformations from pressure.

Устройство для измерения давления с частотным выходом на основе нано- и микроэлектромеханической системы (НиМЭМС) работает следующим образом.A device for measuring pressure with a frequency output based on a nano- and microelectromechanical system (NIMEMS) works as follows.

Измеряемое давление Р воздействует на упругий элемент - мембрану тензорезисторного датчика давления 1 (фиг.1), деформация которой с помощью тензорезисторов тензомоста преобразуется в напряжение, подаваемое на вход частотного преобразователя 2 (фиг.4). На выходе частотного преобразователя 2 сигнала с тензомоста генерируется сигнал прямоугольной формы типа «меандр» с частотой, пропорциональной измеряемому давлению. Питание датчика осуществляется от двухполярного источника постоянного напряжения, не требующего стабилизации в силу того, что питание тензомоста 18 (фиг.4) осуществляется напряжением с выхода частотного преобразователя 2, амплитуда которого не влияет на частоту выходного сигнала устройства.The measured pressure P acts on the elastic element - the membrane of the strain gauge pressure sensor 1 (figure 1), the deformation of which with the help of strain gauges of the strain gage is converted to the voltage supplied to the input of the frequency Converter 2 (figure 4). At the output of the frequency converter 2 of the signal from the strain gage, a square wave signal of the meander type is generated with a frequency proportional to the measured pressure. The sensor is powered from a bipolar DC voltage source that does not require stabilization due to the fact that the strain gauge bridge 18 (Fig. 4) is supplied with voltage from the output of the frequency converter 2, the amplitude of which does not affect the frequency of the output signal of the device.

В установившемся режиме работы устройства с выхода компаратора 22 преобразователя следуют разнополярные импульсы амплитудой ±U0. Пусть в момент времени t1 произошла смена полярности выходного напряжения с -U0 на +U0. При этом напряжение на выходе интегратора 19 обусловлено положительным "скачком" напряжения с одной из вершин измерительной диагонали тензомоста 18, равным

Figure 00000005
(где εR=ΔR/R - относительное изменение сопротивления тензомоста 18 под действием давления,
Figure 00000006
- коэффициент, равный отношению эквивалентного сопротивления параллельного соединения тензомоста 18, с сопротивлением R, и делителя напряжения 25, состоящего из двух резисторов с общим сопротивлением Rд=aR, к сопротивлению тензомоста 18) и отрицательным "скачком" через конденсатор 23, равным
Figure 00000007
, где С23 - емкость конденсатора 23, C21 - емкость конденсатора 21. Напряжение питания тензомоста Ucd при подключенном дополнительном резисторе 27 будет определяться выражениемIn the steady state of the device, the output of the comparator 22 of the Converter is followed by bipolar pulses of amplitude ± U 0 . Let at the time t 1 there was a change in the polarity of the output voltage from -U 0 to + U 0 . In this case, the voltage at the output of the integrator 19 is due to a positive "jump" in voltage from one of the vertices of the measuring diagonal of the tensile bridge 18, equal to
Figure 00000005
(where ε R = ΔR / R is the relative change in the resistance of the strain bridge 18 under the action of pressure,
Figure 00000006
- a coefficient equal to the ratio of the equivalent resistance of the parallel connection of the strain gage 18, with resistance R, and the voltage divider 25, consisting of two resistors with a total resistance R d = a R, to the resistance of the strain gage 18) and a negative "jump" through the capacitor 23, equal to
Figure 00000007
where C 23 is the capacitance of the capacitor 23, C 21 is the capacitance of the capacitor 21. The voltage supply of the strain bridge U cd with the additional resistor 27 connected will be determined by the expression

Figure 00000008
Figure 00000008

где

Figure 00000009
- отношение сопротивлений дополнительного резистора 27 и тензомоста 18.Where
Figure 00000009
- the ratio of the resistances of the additional resistor 27 and the strain bridge 18.

С учетом начальных условий имеем:Given the initial conditions, we have:

Figure 00000010
Figure 00000010

Под действием напряжения разбаланса тензомоста 18, равного

Figure 00000011
, и напряжения с выхода резистивного делителя напряжения 25, равного
Figure 00000012
, где εда/а - разбаланс делителя напряжения 25, напряжение на выходе интегратора 19 будет увеличиваться до положительного порогового уровня компаратора 22, равного
Figure 00000013
.Under the influence of the strain unbalance strain bridge 18, equal to
Figure 00000011
, and the voltage from the output of the resistive voltage divider 25, equal to
Figure 00000012
where ε d = Δ a / a is the imbalance of the voltage divider 25, the voltage at the output of the integrator 19 will increase to a positive threshold level of the comparator 22, equal to
Figure 00000013
.

В момент равенства порога срабатывания и напряжения на выходе интегратора вновь произойдет смена полярности выходного напряжения.At the moment of equal response threshold and voltage at the output of the integrator, the polarity of the output voltage will again change.

При этом напряжение на выходе интегратора будет равноIn this case, the voltage at the output of the integrator will be equal to

Figure 00000014
Figure 00000014

где R24 и R26 - соответственно сопротивления первого и второго резисторов интегратора 19, C21 - емкость конденсатора 21 в цепи отрицательной обратной связи интегратора 19, Tк - период колебаний выходного сигнала.wherein R 24 and R 26, - respectively, the resistance of the first and second resistors of the integrator 19, C 21 - capacitor 21 in the negative feedback loop of the integrator 19, T k - oscillation period of the output signal.

Для момента равенства напряжений на выходе интегратора и порогового уровня компаратора справедливо выражениеFor the moment of equal voltage at the output of the integrator and the threshold level of the comparator, the expression

Figure 00000015
Figure 00000015

Решая выражение (6) относительно периода следования импульсов выходного сигнала Tк, получим выражение для выходной частоты преобразователяSolving expression (6) relative to the pulse repetition period of the output signal T to , we obtain the expression for the output frequency of the Converter

Figure 00000016
Figure 00000016

В том случае, когда первый и второй резисторы интегратора 19 равны R24=R26=Rи, выражение (7) принимает видIn the case when the first and second resistors of the integrator 19 are equal to R 24 = R 26 = R and , expression (7) takes the form

Figure 00000017
Figure 00000017

При этом начальная частота выходного сигнала при нулевом разбалансе (εR=0) тензомоста 18 будет равнаIn this case, the initial frequency of the output signal at zero imbalance (ε R = 0) of the strain bridge 18 will be equal to

Figure 00000018
Figure 00000018

а девиация частоты в зависимости от измеряемого давленияand frequency deviation depending on the measured pressure

Figure 00000019
Figure 00000019

Диапазон изменения выходной частоты преобразователя в зависимости от заданного разбаланса тензомоста 18, который соответствует заданному диапазону измеряемого давления, можно устанавливать с помощью емкости конденсатора C23 и сопротивления интегратора Rи, а начальную частоту - с помощью соотношения резисторов делителя 25 напряжения εд.Output Frequency Range converter according to a predetermined unbalance tenzomosta 18 which corresponds to a predetermined range of the measured pressure can be set via capacitance C of the capacitor 23 and the resistance R and the integrator, and an initial frequency - using the relationship ε divider resistors 25 voltage d.

Введение в схему дополнительного резистора 27 уменьшает напряжение питания тензомоста 18, снижает мощность, выделяемую тензорезисторами, и не сказывается на чувствительности устройства, поскольку функция преобразования не зависит от напряжения питания. Снижение мощности, выделяемой тензорезисторами, позволяет снизить температуру разогрева тензорезисторов от протекающего через них тока. При этом снижается энергопотребление датчика давления 1.The introduction of an additional resistor 27 into the circuit reduces the supply voltage of the strain gauge bridge 18, reduces the power released by the strain gauges, and does not affect the sensitivity of the device, since the conversion function is independent of the supply voltage. Reducing the power released by the strain gauges, allows to reduce the heating temperature of the strain gauges from the current flowing through them. This reduces the power consumption of the pressure sensor 1.

Выражения (7)-(10) были получены без учета влияния температуры разогрева тензомоста и не учитывают погрешность преобразования, связанную с изменением сопротивлений тензорезисторов и дополнительного резистора 27.Expressions (7) - (10) were obtained without taking into account the influence of the heating temperature of the strain gage and do not take into account the conversion error associated with a change in the resistances of the strain gages and the additional resistor 27.

С учетом влияния температуры для выходной частоты преобразователя выражение (7) принимает видTaking into account the influence of temperature for the output frequency of the converter, expression (7) takes the form

Figure 00000020
Figure 00000020

где значения

Figure 00000021
,
Figure 00000022
,
Figure 00000023
,
Figure 00000024
зависят от относительного изменения сопротивлений тензорезисторов, связанных с изменением температуры тензомоста и величиной температурного коэффициента сопротивления материала тензорезисторов.where are the values
Figure 00000021
,
Figure 00000022
,
Figure 00000023
,
Figure 00000024
depend on the relative change in the resistance of the strain gages associated with a change in the temperature of the strain gage and the value of the temperature coefficient of resistance of the material of the strain gages.

Математическое моделирование устройства с учетом реально возможных значений параметров схемы и заданных диапазонов разбаланса тензомоста, температуры разогрева датчика давления, частоты выходного сигнала, конкретных значений температурного коэффициента сопротивления тензорезисторов и дополнительного резистора позволило получить графические зависимости выходного сигнала от изменения перечисленных выше параметров и произвести сравнительную оценку заявляемого устройства с прототипом.Mathematical modeling of the device, taking into account the real possible values of the circuit parameters and the specified ranges of the strain gage unbalance, the temperature of the pressure sensor heating, the frequency of the output signal, specific values of the temperature coefficient of resistance of the strain gages and an additional resistor, allowed us to obtain graphical dependences of the output signal on changes in the above parameters and make a comparative assessment of the claimed devices with a prototype.

На фиг.6 показана зависимость частоты выходного сигнала от разбаланса тензомоста εR согласно выражению (7) в диапазоне от - 0,01 до +0,01, без учета влияния температуры, при следующих параметрах схемы: сопротивление тензомоста R=700 Ом, сопротивление резистивного делителя напряжения R=140 кОм (a=200), при этом относительный разбаланс делителя напряжения εд=0,04, сопротивления интегратора R24=27778 Ом и R26=35714 Ом, емкость конденсатора C23=40 пФ при отсутствии дополнительного резистора 27 (n=0).Figure 6 shows the dependence of the output signal frequency on the strain gage imbalance ε R according to expression (7) in the range from -0.01 to +0.01, without taking into account the influence of temperature, with the following circuit parameters: strain gage resistance R = 700 Ohm, resistance resistive voltage divider R = 140 kOhm ( a = 200), while the relative imbalance of the voltage divider ε d = 0.04, the integrator resistance R 24 = 27778 Ohms and R 26 = 35714 Ohms, the capacitor capacitance is C 23 = 40 pF in the absence of an additional resistor 27 (n = 0).

Из графика фиг.6 видно, что зависимость частоты выходного сигнала от разбаланса тензомоста изменяется от 3000 Гц при εR=-0,01 до 11000 Гц при εR=+0,01 и равна 7000 Гц при εR=0, носит линейный характер во всем диапазоне разбаланса (как в отрицательной, так и в положительной области), что может быть использовано в дифференциальных датчиках давления и по сравнению с прототипом [5], который работает только при одностороннем разбалансе тензомоста, расширяет функциональные возможности устройства.From the graph of Fig.6 it is seen that the dependence of the output signal frequency on the strain gage unbalance varies from 3000 Hz at ε R = -0.01 to 11000 Hz at ε R = + 0.01 and is equal to 7000 Hz at ε R = 0, it is linear the character in the entire range of imbalance (both in the negative and in the positive region), which can be used in differential pressure sensors and, compared with the prototype [5], which works only with unilateral strain bridge imbalance, expands the functionality of the device.

При включении в схему устройства дополнительного резистора 27 с увеличением соотношения n=R27/R (n=1, n=4) уменьшение частоты выходного сигнала компенсируется увеличением емкости конденсатора C23.When an additional resistor 27 is included in the device circuit with an increase in the ratio n = R 27 / R (n = 1, n = 4), a decrease in the frequency of the output signal is compensated by an increase in the capacitance of the capacitor C 23 .

На фиг.7 показаны зависимости при: n=0, C23=40 пФ; n=1, C23=20 пФ; n=4, С23=10 пФ; остальные параметры оставались неизменными.Figure 7 shows the dependences at: n = 0, C 23 = 40 pF; n = 1, C 23 = 20 pF; n = 4, C 23 = 10 pF; other parameters remained unchanged.

Из графика фиг.7 видно, что с увеличением n сохраняется линейный характер зависимости, но несколько изменяется наклон. Однако с помощью разбаланса εд делителя напряжения можно установить ту же начальную частоту, что и при n=0, а с помощью резисторов интегратора R24 и R26 можно изменить чувствительность, или диапазон изменения выходной частоты, и тем самым изменить наклон прямой частотной зависимости.From the graph of Fig. 7 it is seen that with increasing n the linear nature of the dependence is preserved, but the slope changes somewhat. However, using the imbalance ε d of the voltage divider, you can set the same initial frequency as for n = 0, and using the integrator resistors R 24 and R 26, you can change the sensitivity or the range of the output frequency, and thereby change the slope of the direct frequency dependence .

При повышении температуры измеряемой среды происходит разогрев тензомоста как за счет разогрева датчика от воздействия среды, так и за счет протекания тока через тензорезисторы, что ограничивает повышение чувствительности датчиков давления путем повышения напряжения питания тензомоста и соответственно увеличения амплитуды сигнала с выхода измерительной диагонали тензомоста из-за ограниченной мощности тензорезисторов. С повышением температуры и увеличением разбаланса тензомоста сказываются температурные изменения сопротивлений тензорезисторов, которые приводят к дополнительной погрешности преобразования.When the temperature of the medium being measured increases, the strain gages are heated both by heating the sensor from the influence of the medium and by the flow of current through the strain gages, which limits the increase in the sensitivity of pressure sensors by increasing the voltage supply of the strain gage and, accordingly, increasing the signal amplitude from the output of the measuring diagonal of the strain gage due to limited power strain gages. With an increase in temperature and an increase in the imbalance of the strain gage, temperature changes in the resistance of the strain gages are affected, which lead to an additional conversion error.

На фиг.8 показана температурная зависимость (11) выходной частоты преобразователя (фиг.4) с изменением температуры в диапазоне от 0 до 150°С с учетом указанного выше значения температурного коэффициента сопротивления материала тензорезисторов при отсутствии добавленного резистора 27 (n=0) и разбалансе тензомоста, равном εR=0,01.On Fig shows the temperature dependence (11) of the output frequency of the Converter (figure 4) with a temperature change in the range from 0 to 150 ° C, taking into account the above temperature coefficient of resistance of the material of the strain gages in the absence of added resistor 27 (n = 0) and the imbalance of the strain bridge equal to ε R = 0,01.

Из графика зависимости (фиг.8) видно, что частота выходного сигнала уменьшается с ростом температуры и относительная температурная погрешность для данного случая составляет 3%.From the dependence graph (Fig. 8) it is seen that the frequency of the output signal decreases with increasing temperature and the relative temperature error for this case is 3%.

Уменьшить данную погрешность или полностью ее компенсировать можно путем введения в схему частотного преобразователя (фиг.4) дополнительного резистора 27. При этом следует отметить, что величина и расположение данного резистора в схеме преобразователя по-разному влияют на частоту выходного сигнала.To reduce this error or to completely compensate for it by introducing an additional resistor 27 into the frequency converter circuit (Fig. 4). It should be noted that the magnitude and location of this resistor in the converter circuit affect the output signal frequency differently.

Так, если дополнительный резистор расположить непосредственно в микроэлектронном модуле 8 устройства (фиг.2), считая, что сопротивление его не изменяется с увеличением температуры, а изменяется только сопротивление тензомоста, то частота выходного сигнала частотного преобразователя устройства будет увеличиваться.So, if an additional resistor is located directly in the microelectronic module 8 of the device (Fig. 2), assuming that its resistance does not change with increasing temperature, but only the resistance of the tensor bridge changes, then the frequency of the output signal of the device’s frequency converter will increase.

При расположении дополнительного резистора на мембране, выполнив его из того же материала, что и тензорезисторы, и расположив его по контуру за периферией мембраны на ее основании в зоне, нечувствительной к механическим деформациям от воздействия измеряемого давления, при температуре разогрева, близкой к температуре тензорезисторов, частота выходного сигнала частотного преобразователя устройства будет уменьшаться.When an additional resistor is located on the membrane, it is made of the same material as the strain gages and placed along the contour beyond the periphery of the membrane at its base in an area insensitive to mechanical deformations from the influence of the measured pressure, at a heating temperature close to the temperature of the strain gages, the frequency of the output signal of the frequency converter of the device will decrease.

И, наконец, если выполнить дополнительный резистор составным из двух частей, когда одна часть будет установлена в микроэлектронном модуле (как в первом случае), а другая часть - на мембране (как во втором случае), при различных соотношениях можно добиться полной компенсации температурной погрешности преобразования для определенных диапазонов температуры и измеряемого давления.And finally, if you make an additional resistor in two-part, when one part is installed in the microelectronic module (as in the first case), and the other part is on the membrane (as in the second case), with various ratios, you can fully compensate for the temperature error transformations for certain ranges of temperature and measured pressure.

На фиг.9-14 относительное изменение сопротивлений εR обозначено через букву Е.9-14, the relative change in resistances ε R is denoted by the letter E.

На фиг.9, 10 и 11 показаны зависимости частоты выходного сигнала от температуры в диапазоне от 0 до +150°С при n=1 (R27=R=700 Ом), разбалансе тензомоста (εR=0; 0,005; 0,01) и при различных вариантах размещения дополнительного резистора 27:Figures 9, 10 and 11 show the dependences of the frequency of the output signal on temperature in the range from 0 to + 150 ° C for n = 1 (R 27 = R = 700 Ohm), strain gage imbalance (ε R = 0; 0.005; 0, 01) and with various options for placing an additional resistor 27:

1 вариант - в микроэлектронном модуле (в схеме),Option 1 - in the microelectronic module (in the circuit),

2 вариант - на мембране датчика (на ТМ),Option 2 - on the sensor membrane (on TM),

3 вариант - комбинированный (комбин.), когда одна часть установлена в микроэлектронном модуле, а другая часть - на мембране.Option 3 - combined (comb.), When one part is installed in the microelectronic module, and the other part is on the membrane.

Из графиков (фиг.9, 10, 11) видно, что при размещении дополнительного резистора 27 в микроэлектронном модуле (см. - в схеме) частота выходного сигнала увеличивается при росте температуры тензомоста на мембране, а при размещении его на мембране (см. - на ТМ) она уменьшается. Полная компенсация температурной погрешности преобразования, при котором частота выходного сигнала остается неизменной для конкретного диапазона разбаланса тензомоста, осуществляется при комбинированном размещении дополнительного резистора (см. - комбин.).From the graphs (Figs. 9, 10, 11) it can be seen that when placing an additional resistor 27 in the microelectronic module (see - in the diagram), the frequency of the output signal increases with increasing temperature of the tensor bridge on the membrane, and when placing it on the membrane (see - on TM) it decreases. Full compensation of the temperature error of conversion, in which the frequency of the output signal remains unchanged for a specific range of unbalance of the strain gage, is carried out with the combined placement of an additional resistor (see. Comb.).

На фиг.12, 13, 14 показаны аналогичные зависимости частоты выходного сигнала при n=4 (R27=4R=2800 Ом).On Fig, 13, 14 shows a similar dependence of the frequency of the output signal at n = 4 (R 27 = 4R = 2800 Ohms).

Следует отметить, что для полной компенсации температурной погрешности в случае комбинированного размещения дополнительного резистора (комбин.) с увеличением его номинала следует изменять соотношение частей, размещенных на мембране и в микроэлектронном модуле преобразователя (Rтм/Rсх). Причем, чем больше значение n, тем большая составная часть его должна быть на мембране в зоне расположения тензомоста (ТМ). Так, например, при разбалансе εR=0,005 для n=1 это соотношение будет равно 0,551, а для и=4 оно равно 0,717, т.е. меньшая часть дополнительного резистора должна размещаться в микроэлектронном модуле, а большая часть - на мембране.It should be noted that in order to completely compensate for the temperature error in the case of combined placement of an additional resistor (comb.) With an increase in its value, the ratio of the parts placed on the membrane and in the microelectronic module of the converter (R tm / R cx ) should be changed. Moreover, the greater the value of n, the greater its component should be on the membrane in the area of the tensor bridge (TM). So, for example, with an imbalance ε R = 0.005 for n = 1, this ratio will be 0.551, and for u = 4 it will be 0.717, i.e. a smaller part of the additional resistor should be located in the microelectronic module, and a large part - on the membrane.

На фиг.15 показана зависимость соотношения частей дополнительного резистора R27, при котором осуществляется компенсация температурной погрешности, от диапазона разбаланса тензомоста (εR=0; 0,005; 0,01) и величины n=R27/R (1; 4; 10), где Rтм - часть резистора, размещенная на мембране, Rсх - на микроэлектронном модуле (схеме). При этом R27=Rтм+Rсх.On Fig shows the dependence of the ratio of the parts of the additional resistor R 27 , in which the temperature error is compensated, on the unbalance range of the strain gage (ε R = 0; 0.005; 0.01) and the value n = R 27 / R (1; 4; 10 ), where R tm is the part of the resistor located on the membrane, R cx is on the microelectronic module (circuit). Moreover, R 27 = R tm + R cx .

Таким образом, для заданных значений диапазона измеряемых давлений, температуры разогрева тензомоста, частотного диапазона выходного сигнала устройства, путем правильного подбора параметров элементов схемы частотного преобразователя сигнала с выхода тензомоста можно значительно уменьшить (или полностью компенсировать) погрешность измерения устройства, связанную с изменением температуры измеряемой среды и с разогревом тензомоста датчика давления.Thus, for given values of the range of measured pressures, the temperature of the heating of the strain gage, the frequency range of the output signal of the device, by correctly selecting the parameters of the circuit elements of the frequency converter of the signal from the output of the strain gage, it is possible to significantly reduce (or completely compensate) the measurement error of the device associated with a change in the temperature of the measured medium and with heating the strain gauge of the pressure sensor.

Схема принципиальная электрическая устройства была смоделирована с помощью компьютерной программы «Micro-Cap» и представлена на фиг.16. На фиг.17 показаны формы и амплитуды сигналов с выхода компаратора устройства (верхняя диаграмма) и с выхода интегратора (нижняя диаграмма), а также частота выходного сигнала (в правом верхнем углу). Результаты схемотехнического компьютерного моделирования подтвердили справедливость выведенных выражений и результатов математического моделирования.The circuit diagram of the electrical device was modeled using the computer program "Micro-Cap" and is presented in Fig.16. On Fig shows the waveforms and amplitudes of the signals from the output of the comparator device (upper diagram) and from the output of the integrator (lower diagram), as well as the frequency of the output signal (in the upper right corner). The results of circuit computer simulation confirmed the validity of the derived expressions and the results of mathematical modeling.

Источники информацииInformation sources

1. Васильев В.А. Технологические особенности твердотельных мембранных чувствительных элементов. // Вестник Московского государственного технического университета. Сер. Приборостроение. - М., 2002 - №4. - С.97-108.1. Vasiliev V.A. Technological features of solid-state membrane sensitive elements. // Bulletin of Moscow State Technical University. Ser. Instrument making. - M., 2002 - No. 4. - S.97-108.

2. Белозубов Е.М. Патент РФ №2031355, 6G01B 7/16. Способ термокомпенсации тензомоста. Бюл. №8 от 20.03.95.2. Belozubov EM RF patent No. 2031355, 6G01B 7/16. Strain bridge thermal compensation method. Bull. No. 8 dated 03/20/95.

3. Белозубов Е.М. Патент РФ №1615578 5G01L 9/04. Датчик давления. Опубл. 23.12.90. Бюл. №47.3. Belozubov EM RF patent No. 1615578 5G01L 9/04. Pressure meter. Publ. 12/23/90. Bull. No. 47.

4. Белозубов Е.М., Белозубова Н.Е. Тонкопленочные тензорезисторные датчики давления - изделия нано- и микросистемной техники. // Нано- и микросистемная техника - М., 2007. - №.12. - С.49-51.4. Belozubov EM, Belozubova N.E. Thin-film strain gauge pressure sensors are products of nano- and microsystem technology. // Nano- and microsystem technology - M., 2007. - No. 12. - S. 49-51.

5. Громков Н.В., Михотин В.Д., Шахов Э.К., Шляндин В.М. А.с. СССР №828406, М. Кл. H03K 13/20. Опубл. 07.05.81. Бюл. №17.5. Gromkov N.V., Mikhotin V.D., Shakhov E.K., Shlyandin V.M. A.S. USSR No. 828406, M. Cl. H03K 13/20. Publ. 05/07/81. Bull. Number 17.

Claims (3)

1. Устройство для измерения давления с частотным выходом на основе нано- и микроэлектромеханической системы (НиМЭМС), содержащее тензорезисторный датчик, состоящий из корпуса, установленное в нем НиМЭМС с упругим элементом в виде мембраны с основанием, сформированной на ней гетерогенной структурой из тонких пленок материалов, в которой образованы тензорезисторы, объединенные в тензомост, частотный преобразователь сигнала с выхода тензомоста, содержащий компаратор и интегратор, выполненный на операционном усилителе с первым конденсатором в цепи отрицательной обратной связи, выход которого подключен к первому входу компаратора, между выходом которого и инвертирующим входом операционного усилителя интегратора включен второй конденсатор, инвертирующий вход операционного усилителя интегратора через первый резистор соединен с одной из вершин измерительной диагонали тензомоста, а ее другая вершина подключена к неинвертирующему входу операционного усилителя интегратора и второму входу компаратора, отличающееся тем, что введен делитель напряжения из двух резисторов, второй резистор интегратора и дополнительный резистор, при этом делитель напряжения подключен параллельно диагонали питания тензомоста датчика, выход делителя напряжения через второй резистор интегратора соединен с инвертирующим входом операционного усилителя интегратора, первая вершина диагонали питания тензомоста через дополнительный резистор подключена к выходу компаратора, а вторая вершина - к шине «земля».1. A device for measuring pressure with a frequency output based on a nano- and microelectromechanical system (NiMEMS), comprising a strain gauge sensor consisting of a housing, a NiMEMS installed in it with an elastic element in the form of a membrane with a base formed on it by a heterogeneous structure of thin films of materials in which strain gages are integrated in a strain gage, a frequency converter of the signal from the output of the strain gage, comprising a comparator and an integrator made on an operational amplifier with a first condensate ohm in the negative feedback circuit, the output of which is connected to the first input of the comparator, between the output of which and the inverting input of the integrator’s operational amplifier, a second capacitor is connected, the inverting input of the integrator’s operational amplifier is connected through one resistor to the vertices of the measuring bridge diagonal, and its other vertex is connected to the non-inverting input of the operational amplifier of the integrator and the second input of the comparator, characterized in that a voltage divider of two resistors is introduced, in an integrator resistor and an additional resistor, while the voltage divider is connected parallel to the diagonal of the sensor strain bridge power supply, the output of the voltage divider through the second integrator resistor is connected to the inverting input of the integrator operational amplifier, the first vertex of the strain bridge power diagonal is connected to the comparator output through the additional resistor, and the second vertex to the ground bus. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительный резистор выполнен из того же материала, что и тензорезисторы тензомоста датчика, установлен по контуру за периферией мембраны на ее основании.2. The device according to claim 1, characterized in that the additional resistor is made of the same material as the strain gages of the strain gauge bridge of the sensor, is installed along the contour beyond the periphery of the membrane at its base. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительный резистор состоит из двух частей, первая из которых выполнена из того же материала, что и тензорезисторы тензомоста датчика, установлена по контуру за периферией мембраны на ее основании, а вторая - из резистивного материала и расположена за пределами мембраны в датчике или частотном преобразователе сигнала. 3. The device according to claim 1, characterized in that the additional resistor consists of two parts, the first of which is made of the same material as the strain gages of the strain gauge bridge of the sensor, is installed along the contour behind the periphery of the membrane at its base, and the second is made of resistive material and located outside the membrane in the sensor or inverter of the signal.
RU2009132770/28A 2009-08-31 2009-08-31 Pressure measurement device based on nano- and micro-electromechanical system having frequency output RU2406985C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009132770/28A RU2406985C1 (en) 2009-08-31 2009-08-31 Pressure measurement device based on nano- and micro-electromechanical system having frequency output

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009132770/28A RU2406985C1 (en) 2009-08-31 2009-08-31 Pressure measurement device based on nano- and micro-electromechanical system having frequency output

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2406985C1 true RU2406985C1 (en) 2010-12-20

Family

ID=44056714

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2009132770/28A RU2406985C1 (en) 2009-08-31 2009-08-31 Pressure measurement device based on nano- and micro-electromechanical system having frequency output

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2406985C1 (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2398195C1 (en) Method of making nano- and micro-electromechanical pressure sensor system and pressure sensor based on said system
JPH0257853B2 (en)
CN108007334B (en) Method and device for measuring step response characteristics of resistance strain measuring instrument
CN106199166A (en) A kind of method and device of current measurement
US20160123828A1 (en) A thin film sensor
Islam et al. A relaxation oscillator-based transformer ratio arm bridge circuit for capacitive humidity sensor
RU2408857C1 (en) Pressure sensor based on nano- and micro-electromechanical system with frequency-domain output signal
Leclercq et al. Apparatus for simultaneous temperature and heat‐flow measurements under transient conditions
RU2398196C1 (en) Device for measuring pressure based on nano- and micro-electromechanical system with frequency-domain output signal
CN103411699B (en) A kind of high precision measuring temperature instrument
RU2312319C2 (en) Thin-film pressure gage
RU2406985C1 (en) Pressure measurement device based on nano- and micro-electromechanical system having frequency output
Kalita et al. Design and uncertainty evaluation of a strain measurement system
RU2397460C1 (en) Pressure sensor based on tensoresistor thin-film nano- and micro-electromechanical system
RU2395060C1 (en) Frequency converter for disbalance signal of strain gauge bridge with low temperature error
Ghaly et al. Implementation of a broad range smart temperature measurement system using an auto-selecting multi-sensor core in LabVIEW
Alsnaie et al. Study and Design of a Multi-range Programmable Sensor for Temperature Measurement
Ghosh et al. A novel sensitivity enhancement technique employing wheatstone's bridge for strain and temperature measurement
RU2391640C1 (en) Strain gauge pressure sensor on basis of thin-film nano- and microelectromechanical system
Schäck High-precision measurement of strain gauge transducers at the physical limit without any calibration interruptions
Bera et al. A modified Schering bridge for measurement of the dielectric parameters of a material and the capacitance of a capacitive transducer
Jain et al. An efficient digitization scheme for resistive sensors interfaced through quarter bridge
RU2601613C1 (en) Thermally stable pressure sensor based on nano-and micro-electromechanical system with membrane having rigid centre
Chattopadhyay et al. Modified AC Wheatstone bridge network for accurate measurement of pressure using strain gauge type pressure sensor
RU2430342C1 (en) Semiconductor pressure gage with frequency output signal