RU2472125C1 - Pressure sensor of strain gauge type with thin-film nano- and microelectrical system - Google Patents

Pressure sensor of strain gauge type with thin-film nano- and microelectrical system Download PDF

Info

Publication number
RU2472125C1
RU2472125C1 RU2011136472/28A RU2011136472A RU2472125C1 RU 2472125 C1 RU2472125 C1 RU 2472125C1 RU 2011136472/28 A RU2011136472/28 A RU 2011136472/28A RU 2011136472 A RU2011136472 A RU 2011136472A RU 2472125 C1 RU2472125 C1 RU 2472125C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
membrane
strain gauges
strain
pair
thin
Prior art date
Application number
RU2011136472/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Евгений Михайлович Белозубов
Нина Евгеньевна Белозубова
Original Assignee
Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений"
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 Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" filed Critical Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений"
Priority to RU2011136472/28A priority Critical patent/RU2472125C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2472125C1 publication Critical patent/RU2472125C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: instrument making.SUBSTANCE: pressure sensor with a thin-film nano- and microelectromechanical system (NaMEMS) is designed for use when exposed to non-stationary temperatures and higher vibration accelerations. The pressure sensor of strain gauge type with a thin-film nano- and microelectromechanical system (NaMEMS) comprises a body, a NaMEMS installed in it, comprising a round membrane, arranged as a whole with a peripheral base, a heterogeneous structure from thin films of materials formed on it, where resistance strain gages are formed, arranged as identical square strain gauge elements connected by thin-film links of identical quantity. Strain gauge elements of the first pair of resistance strain gauges are arranged as symmetrical between each other relative to mutually perpendicular axes of a membrane, stretching via centres of resistance strain gauges, and symmetrical to appropriate strain gauge elements of the second pair of resistance strain gauges, relative to mutually perpendicular axes of the membrane, stretching via centres of contact sites, arranged symmetrically relative to mutually perpendicular axes of the membrane stretching via centres of resistance strain gauges. Distances between strain gauge elements of the first pair of resistance strain gauges are equal to each other and are equal to distances between strain gauge elements of the second pair of resistance strain gauges. Centres of all strain gage elements are arranged along a circumference, radius of which is defined in accordance with the appropriate ratio.EFFECT: reduced error of measurements in pressure sensors of strain gauge type and also increased long-term stability and reduced non-linearity of a calibration characteristic.3 dwg

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 датчика давления тензорезистивного типа с тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системой (НиМЭМС) [1], который предназначен для измерения давления в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды, содержащая корпус, тонкопленочную нано- и микроэлектромеханическую систему, состоящую из упругого элемента в виде круглой жесткозащемленной мембраны, выполненной за одно целое с периферийным основанием, на которой расположены соединенные в мостовую схему окружные и радиальные тензорезисторы, выполненные в виде соединенных тонкопленочными перемычками одинакового количества, имеющих одинаковую форму тензоэлементов, расположенных по окружности на периферии мембраны.A known design of a strain gauge pressure sensor with a thin-film nano- and microelectromechanical system (NIMEMS) [1], which is designed to measure pressure under the influence of unsteady temperature of the measured medium, containing a housing, a thin-film nano- and microelectromechanical system, consisting of an elastic element in the form of a round a rigidly sealed membrane made in one piece with a peripheral base on which circumferential and radial strain gauges connected to the bridge circuit are located s made in the form of connected by thin-film jumpers of the same amount having the same shape of the strain elements located around the circumference at the periphery of the membrane.

Недостатком известной конструкции является сравнительно большая погрешность при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды. Одной из причин 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. Недостатком известной конструкции является сравнительно большая погрешность при воздействии повышенных (более 10000 мс-2) виброускорений, которые вызывают несимметричное и неравномерное нестационарное температурное поле и, соответственно, аналогичные явления, описанные при воздействии нестационарных температур.A disadvantage of the known design is the relatively large error when exposed to unsteady temperature of the measured medium. One of the reasons is the interaction of a plurality of thermoelectric power connected in series and counterclockwise, arising at the interfaces between strain gauges and jumpers due to random inhomogeneities of the structure and non-identical physical characteristics of strain gauges and jumpers located in a non-stationary temperature field. A disadvantage of the known design is the relatively large error when exposed to increased (more than 10,000 ms -2 ) vibration accelerations, which cause an asymmetric and uneven unsteady temperature field and, accordingly, similar phenomena described when exposed to unsteady temperatures.

Известен датчик давления тензорезистивного типа с тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системой (НиМЭМС) [2], выбранный в качестве прототипа, содержащий корпус, установленную в нем НиМЭМС, состоящую из упругого элемента - круглой мембраны, выполненной за одно целое с периферийным основанием, сформированной на ней гетерогенной структуры из тонких пленок материалов, в которой образованы включенные соответственно в противоположные плечи измерительного моста воспринимающие деформацию разного знака от измеряемого давления тензорезисторы, выполненные в виде соединенных тонкопленочными перемычками одинакового количества одинаковых квадратных тензоэлементов, расположенных по окружности на периферии мембраны, а характеристики элементов конструкции датчика связаны соотношением.A known strain gauge pressure sensor with a thin-film nano- and microelectromechanical system (NiMEMS) [2], selected as a prototype, containing a housing installed in it NiMEMS, consisting of an elastic element - a round membrane made in one piece with a peripheral base formed on heterogeneous structure of thin films of materials, in which are formed respectively corresponding to the opposite shoulders of the measuring bridge perceiving deformation of a different sign from the measured pressure Resistors made in the form of connected thin-film webs of the same number of identical square tenzoelementov arranged circumferentially on the periphery of the membrane, and characteristics of the structural elements of the sensor are related.

Недостатком известной конструкции является сравнительно большая погрешность при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды и повышенных (более 10000 мс-2) виброускорений, а также иногда неудовлетворительная долговременная стабильность и нелинейность из-за несимметричности расположения тензоэлементов относительно нестационарных полей температур, деформаций, а также относительно деформаций от измеряемого давления вследствие отклонения размеров тензоэлементов в слоях, несовмещения слоев, конечного значения радиуса скругления между приемной поверхностью мембраны и внутренней поверхностью опорного основания.A disadvantage of the known design is the relatively large error due to the unsteady temperature of the medium being measured and increased (more than 10,000 ms -2 ) vibration accelerations, as well as sometimes unsatisfactory long-term stability and non-linearity due to the asymmetry of the location of the strain elements relative to unsteady temperature fields, deformations, and also relative to deformations from the measured pressure due to the deviation of the sizes of the strain elements in the layers, the misregistration of the layers, the final value of the radius Glenn between the receiving surface of the membrane and the inner surface of the supporting base.

Целью предлагаемого изобретения является уменьшение погрешности измерения датчиков давления тензорезистивного типа с тонкопленочными НиМЭМС при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды и повышенных виброускорений, а также повышение долговременной стабильности и уменьшение нелинейности градуировочной характеристики за счет уменьшения несимметрии расположения тензоэлементов относительно нестационарных полей температур и деформаций, в том числе от измеряемого давления вследствие учета отклонения размеров тензоэлементов в слоях, несовмещения слоев, конечного значения радиуса скругления между приемной поверхностью мембраны и внутренней поверхностью периферийного основания.The aim of the invention is to reduce the measurement error of the strain gauge pressure sensors with thin-film NiMEMS under the influence of unsteady temperature of the medium being measured and increased vibration accelerations, as well as to increase long-term stability and reduce the non-linearity of the calibration characteristic by reducing the asymmetry of the location of the strain elements relative to unsteady temperature and strain fields, including from the measured pressure due to taking into account the deviation of the dimensions of the tensoe ementov in layers misregistration layers, the final value of the fillet radius between the receiving surface of the membrane and the inner peripheral surface of the base.

Поставленная цель достигается тем, что в датчике давления тензорезистивного типа с тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системой (НиМЭМС), содержащем корпус, установленную в нем НиМЭМС, состоящую из упругого элемента - круглой мембраны, выполненной за одно целое с периферийным основанием, сформированной на ней гетерогенной структуры из тонких пленок материалов, в которой образованы включенные соответственно в противоположные плечи измерительного моста тензорезисторы, выполненные в виде соединенных тонкопленочными перемычками одинакового количества одинаковых квадратных тензоэлементов, расположенных по окружности на периферии мембраны, в соответствии с предлагаемым изобретением тензоэлементы первой пары тензорезисторов, включенных в противоположные плечи измерительного моста, выполнены симметричными между собой относительно взаимно перпендикулярных осей мембраны, проходящих через центры тензорезисторов, и симметричными соответствующим тензоэлементам второй пары тензорезисторов, включенных в противоположные плечи измерительного моста, относительно взаимно перпендикулярных осей мембраны, проходящих через центры контактных площадок, размещенных симметрично относительно взаимно перпендикулярных осей мембраны, проходящих через центры тензорезисторов, а расстояния между тензоэлементами первой пары тензорезисторов равны между собой и равны расстояниям между тензоэлементами второй пары тензорезисторов, при этом центры всех тензоэлементов размещены по окружности, радиус которой r0 определен по соотношениюThis goal is achieved by the fact that in the pressure sensor is a resistive type with a thin-film nano- and microelectromechanical system (NiMEMS) containing a body, the NiMEMS installed in it, consisting of an elastic element - a round membrane made in one piece with the peripheral base formed on it heterogeneous structures made of thin films of materials in which strain gages are formed respectively connected to the opposite shoulders of the measuring bridge, made in the form of connected thin-film jumpers in accordance with the invention, the tensile elements of the first pair of strain gages included in the opposite shoulders of the measuring bridge are symmetrical to each other with respect to mutually perpendicular axes of the membrane passing through the centers of the strain gauges and symmetric to the corresponding tensor the second pair of strain gages included in the opposite shoulders of the measuring bridge, relates the mutually perpendicular axes of the membrane passing through the centers of the contact pads symmetrically relative to the mutually perpendicular axes of the membrane passing through the centers of the strain gauges, and the distances between the strain elements of the first pair of strain gauges are equal to each other and are equal to the distances between the strain elements of the second pair of strain gauges along a circle whose radius r 0 is determined by the ratio

Figure 00000001
Figure 00000001

где rм - радиус мембраны; rс - максимальное значение радиуса скругления между приемной поверхностью мембраны и внутренней поверхностью периферийного основания; X - предельное отклонение размеров по оси X в слоях; Y - предельное отклонение размеров по оси Y в слоях; S - максимально допустимое несовмещение слоев; Т - технологический запас, зависящий от характеристик применяемого оборудования; a - размер стороны квадратного тензоэлемента.where r m is the radius of the membrane; r with - the maximum value of the radius of fillet between the receiving surface of the membrane and the inner surface of the peripheral base; X - the maximum deviation of dimensions along the X axis in the layers; Y - the maximum deviation of the dimensions along the Y axis in the layers; S is the maximum allowable mismatch of layers; T - technological stock, depending on the characteristics of the equipment used; a is the side size of the square strain gauge.

Заявляемая конструкция датчика давления тензорезистивного типа с тонкопленочной НиМЭМС представлена на фиг.1-3. Она содержит корпус 1, установленную в нем НиМЭМС, состоящую из упругого элемента - круглой мембраны 2, выполненной за одно целое с периферийным основанием 3, сформированной на ней гетерогенной структуры 4 из тонких пленок материалов, в которой образованы включенные соответственно в противоположные плечи измерительного моста тензорезисторы R1, R3 и R2, R4, выполненные в виде соединенных тонкопленочными перемычками 5 одинакового количества одинаковых квадратных тензоэлементов 6, расположенных по окружности на периферии мембраны. Тензоэлементы 6 первой пары тензорезисторов R1, R3, включенных в противоположные плечи измерительного моста, выполнены симметричными между собой относительно взаимно перпендикулярных осей 7 и 8 мембраны, проходящих через центры тензорезисторов R1, R3 и R2, R4 и симметричными соответствующим тензоэлементам 6 второй пары тензорезисторов R2, R4, включенных в противоположные плечи измерительного моста, относительно взаимно перпендикулярных осей мембраны 9 и 10, проходящих через центры контактных площадок 11, 12, 13, 14, размещенных симметрично относительно взаимно перпендикулярных осей мембраны 7 и 8, проходящих через центры тензорезисторов R1, R3 и R2, R4. Расстояния между тензоэлементами 6 первой пары тензорезисторов R1 и R3 равны между собой и равны расстояниям между тензоэлементами 6 второй пары тензорезисторов R2 и R4. Таким образом, тензоэлементы находятся на удалении от границы 15 мембраны. Центры 16 всех тензоэлементов 6 размещены по окружности 17, радиус которой rо определен по заявляемому соотношению.The inventive design of the strain gauge pressure sensor with a thin-film NIMEMS is presented in figure 1-3. It contains a housing 1, a NiMEMS installed in it, consisting of an elastic element - a round membrane 2, made in one piece with the peripheral base 3, formed on it a heterogeneous structure 4 of thin films of materials, in which strain gauges are included respectively in the opposite shoulders of the measuring bridge R1, R3 and R2, R4, made in the form of connected by thin-film jumpers 5 of the same number of the same square strain gauges 6 located around the circumference at the periphery of the membrane. The strain gauges 6 of the first pair of strain gauges R1, R3 included in the opposite shoulders of the measuring bridge are made symmetrical to each other with respect to the mutually perpendicular axes 7 and 8 of the membrane passing through the centers of the strain gauges R1, R3 and R2, R4 and symmetric to the corresponding strain gauges 6 of the second pair of strain gauges R2 R4 included in the opposite shoulders of the measuring bridge relative to the mutually perpendicular axes of the membrane 9 and 10 passing through the centers of the contact pads 11, 12, 13, 14, placed symmetrically relative about mutually perpendicular axes of the membrane 7 and 8 passing through the centers of the strain gauges R1, R3 and R2, R4. The distances between the strain gauges 6 of the first pair of strain gauges R1 and R3 are equal to each other and equal to the distances between the strain gauges 6 of the second pair of strain gauges R2 and R4. Thus, the strain elements are located at a distance from the boundary 15 of the membrane. The centers 16 of all strain elements 6 are placed on a circle 17, the radius of which r about determined by the claimed ratio.

Датчик давления работает следующим образом. Измеряемое давление воздействует на приемную поверхность мембраны 2. В результате этого на планарной поверхности мембраны 2 возникают радиальные и тангенциальные деформации, которые приводят к изменению сопротивлений, включенных соответственно в противоположные плечи измерительного моста тензорезисторов R1, R3 и R2, R4, выполненных в виде соединенных тонкопленочными перемычками 5 одинакового количества одинаковых квадратных тензоэлементов 6, расположенных по окружности на периферии мембраны. Так как тензоэлементы 6 первой пары тензорезисторов R1, R3, включенных в противоположные плечи измерительного моста, выполнены симметричными между собой относительно взаимно перпендикулярных осей 7 и 8 мембраны, проходящих через центры тензорезисторов R1, R3 и R2, R4, и симметричными соответствующим тензоэлементам 6 второй пары тензорезисторов R2, R4 относительно взаимно перпендикулярных осей мембраны 9 и 10, проходящих через центры контактных площадок 11, 12, 13, 14, размещенных симметрично относительно взаимно перпендикулярных осей мембраны 7 и 8, проходящих через центры тензорезисторов R1, R3 и R2, R4, то тензоэлементы 6 первой пары тензорезисторов R1, R3 и тензоэлементы 6 второй пары тензорезисторов R2, R4 будут подвергаться одинаковым деформациям от измеряемого давления. Кроме того, вследствие вышеуказанного симметричного размещения тензоэлементов 6 первой пары тензорезисторов R1, R3 и тензоэлементов 6 второй пары тензорезисторов R2, R4 они при воздействии нестационарных температур и повышенных виброускорений будут находиться в зонах одинаковых температур и температурных деформаций. Таким образом, вышеуказанное симметричное размещение тензоэлементов первой и второй пары тензорезисторов приводит к одинаковому воздействию на тензоэлементы первой и второй пары тензорезисторов одинаковых деформаций, температур и температурных деформаций в течение всего назначенного срока службы датчика давления, например 20 и более лет, что позволяет уменьшить погрешность от нестационарных температур и повышенных виброускорений, а также обеспечить повышение долговременной стабильности и уменьшение нелинейности градуировочной характеристики НиМЭМС и датчика давления на ее основе.The pressure sensor operates as follows. The measured pressure acts on the receiving surface of the membrane 2. As a result, radial and tangential deformations occur on the planar surface of the membrane 2, which lead to a change in the resistances included respectively in the opposite shoulders of the measuring bridge of the strain gauges R1, R3 and R2, R4, made in the form of connected thin-film jumpers 5 of the same number of identical square strain elements 6 located around the circumference at the periphery of the membrane. Since the strain gauges 6 of the first pair of strain gauges R1, R3 included in the opposite shoulders of the measuring bridge are symmetrical to each other with respect to the mutually perpendicular axes 7 and 8 of the membrane passing through the centers of the strain gauges R1, R3 and R2, R4, and symmetrical to the corresponding strain gauges 6 of the second pair strain gauges R2, R4 relative to mutually perpendicular axes of the membrane 9 and 10 passing through the centers of the contact pads 11, 12, 13, 14 placed symmetrically relative to mutually perpendicular axes of the membrane 7 and 8, pass connecting strain gages R1, R3 and R2, R4 through the centers, then the strain gauges 6 of the first pair of strain gages R1, R3 and strain gauges 6 of the second pair of strain gauges R2, R4 will undergo the same deformations from the measured pressure. In addition, due to the above symmetric arrangement of the strain gauges 6 of the first pair of strain gauges R1, R3 and strain gauges 6 of the second pair of strain gauges R2, R4, they will be in the same temperature and temperature deformation zones under the influence of unsteady temperatures and increased vibration accelerations. Thus, the above symmetric placement of the strain gauges of the first and second pair of strain gages leads to the same effect on the strain elements of the first and second pair of strain gages of the same deformations, temperatures and temperature deformations during the entire designated life of the pressure sensor, for example 20 years or more, which allows to reduce the error from unsteady temperatures and increased vibration accelerations, as well as to provide an increase in long-term stability and a decrease in the nonlinearity of the calibration curve characteristics of NiMEMS and a pressure sensor based on it.

Дополнительное повышение долговременной стабильности заявляемой конструкции обеспечивается тем, что расстояния между тензоэлементами 6 первой пары тензорезисторов R1 и R3 равны между собой и равны расстояниям между тензоэлементами 6 второй пары тензорезисторов R2 и R4. В этом случае повышение долговременной стабильности датчика достигается за счет идентичности температур всех тензоэлементов от нагрева током питания в течение всего назначенного срока службы датчика давления. Все вышеуказанные соображения справедливы только при осесимметричном распределении деформаций и температур на планарной поверхности мембраны. При реальном изготовлении упругих элементов тонкопленочных НиМЭМС между приемной поверхностью мембраны и внутренней поверхностью периферийного основания образуется радиус скругления, величина которого общем случае определяется конечным радиусом применяемого инструмента. Величина вышеуказанного радиуса часто сравнима с толщиной мембраны и поэтому приводит к существенному искажению распределения деформаций и температур на планарной стороне мембраны. Проведенные экспериментальные исследования показали, что наиболее сильно искажаются распределения деформаций и температур на планарной стороне мембраны в области, находящейся над радиусом скругления и ограниченной половиной радиуса скругления. Поэтому для достижения заявляемого технического результата необходимо, чтобы при всех неблагоприятных сочетаниях тензоэлементы даже частично не находились в области существенного искажения распределения деформаций и температур. С другой стороны тензоэлементы нецелесообразно размещать слишком далеко от границы мембраны и периферийного основания из-за уменьшения в этом случае деформаций от измеряемого давления и увеличения неравномерности термодеформаций. Для определения оптимального местоположения тензоэлементов обратимся к фиг.3. Непосредственно из предыдущих выводов и фиг.3 следует, что оптимальное размещение тензоэлементов достигается при выполнении следующего условия размещения центров тензоэлементовAn additional increase in long-term stability of the claimed design is provided by the fact that the distances between the strain gauges 6 of the first pair of strain gauges R1 and R3 are equal to each other and equal to the distances between the strain gauges 6 of the second pair of strain gauges R2 and R4. In this case, an increase in the long-term stability of the sensor is achieved due to the identity of the temperatures of all strain elements from heating by the supply current during the entire designated life of the pressure sensor. All the above considerations are valid only with the axisymmetric distribution of deformations and temperatures on the planar surface of the membrane. In the actual manufacture of elastic elements of thin-film NIMEMS between the receiving surface of the membrane and the inner surface of the peripheral base, a rounding radius is formed, the value of which in the general case is determined by the final radius of the tool used. The value of the above radius is often comparable with the thickness of the membrane and therefore leads to a significant distortion of the distribution of deformations and temperatures on the planar side of the membrane. The conducted experimental studies showed that the distributions of deformations and temperatures on the planar side of the membrane in the region located above the fillet radius and limited to half the fillet radius are most distorted. Therefore, to achieve the claimed technical result, it is necessary that, for all adverse combinations, the strain elements are not even partially in the region of a significant distortion of the distribution of deformations and temperatures. On the other hand, it is impractical to place strain elements too far from the boundary of the membrane and the peripheral base due to a decrease in this case of deformations from the measured pressure and an increase in the non-uniformity of thermal deformations. To determine the optimal location of the strain elements, we turn to figure 3. Directly from the previous conclusions and figure 3 it follows that the optimal placement of the strain elements is achieved when the following conditions for the placement of centers of the strain elements

Figure 00000002
Figure 00000002

где rр - результирующий размер вдоль радиуса мембраны, на котором не должны находиться тензоэлементы;where r p - the resulting size along the radius of the membrane, which should not be strain elements;

h - высота сегмента окружности, образованного стороной тензоэлемента и окружностью, проходящей через две вершины тензоэлемента.h is the height of the segment of the circle formed by the side of the strain gauge and the circle passing through the two vertices of the strain gauge.

В заявляемом решении для исключения нахождения тензоэлементов в области искажения распределения деформаций и температур в результирующий размер необходимо включить предельное отклонение размеров по оси X в слоях, предельное отклонение размеров по оси Y в слоях, максимально допустимое несовмещение слоев, технологический запас, зависящий от характеристик применяемого оборудования. Тогда можно записатьIn the proposed solution, in order to exclude the presence of strain elements in the distortion of the distribution of deformations and temperatures, the resulting size must include the maximum deviation of dimensions along the X axis in the layers, the maximum deviation of sizes along the Y axis in the layers, the maximum allowable misregistration of the layers, the technological stock depending on the characteristics of the equipment used . Then you can write

Figure 00000003
Figure 00000003

Высоту сегмента окружности, образованного стороной тензоэлемента и окружностью, проходящей через две вершины тензоэлемента, определим в соответствии с [3] по формулеThe height of the segment of the circle formed by the side of the strain gauge and the circle passing through the two vertices of the strain gauge, we define in accordance with [3] by the formula

Figure 00000004
Figure 00000004

Подставляя выражения (3) и (4) в соотношение (2) и проведя необходимые преобразования, получим заявляемое соотношение. Полученное соотношение размеров элементов конструкции обеспечивает оптимальное размещение тензоэлементов на планарной поверхности мембраны при всех неблагоприятных сочетаниях технологических отклонений. При этом с одной стороны тензоэлементы даже частично не находятся в области существенного искажения распределения деформаций и температур, а с другой стороны тензоэлементы размещены не слишком далеко от границы мембраны и периферийного основания вне зоны существенного уменьшения деформаций от измеряемого давления и увеличения неравномерности термодеформацийSubstituting expressions (3) and (4) in relation (2) and having carried out the necessary transformations, we obtain the claimed ratio. The resulting aspect ratio of the structural elements ensures optimal placement of the strain elements on the planar surface of the membrane for all adverse combinations of technological deviations. In this case, on the one hand, the strain elements are not even partially in the region of a significant distortion of the distribution of deformations and temperatures, and on the other hand, the strain elements are not too far from the boundary of the membrane and the peripheral base outside the zone of a significant decrease in deformations from the measured pressure and an increase in the non-uniformity of thermal deformations

Таким образом, техническим результатом заявляемого решения является уменьшение погрешности измерения датчиков давления тензорезистивного типа с тонкопленочными НиМЭМС при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды и повышенных виброускорений, а также повышение долговременной стабильности и уменьшение нелинейности за счет уменьшения несимметрии расположения тензоэлементов относительно нестационарных полей температур и деформаций, в том числе от измеряемого давления вследствие учета отклонения размеров тензоэлементов в слоях, несовмещения слоев, конечного значения радиуса скругления между приемной поверхностью мембраны и внутренней поверхностью периферийного основания.Thus, the technical result of the proposed solution is to reduce the measurement error of the strain gauge pressure sensors with thin-film NiMEMS under the influence of unsteady temperature of the medium being measured and increased vibration accelerations, as well as to increase long-term stability and reduce non-linearity by reducing the asymmetry of the location of the strain elements relative to unsteady temperature and strain fields, in including from the measured pressure due to taking into account the deviation of the dimensions of the tensoelement comrade in layers misregistration layers, the final value of the fillet radius between the receiving surface of the membrane and the inner peripheral surface of the base.

Источники информации:Information sources:

1. Патент RU №2312319, МПК G01L 9/04. Бюл. №34, 10.12.2007.1. Patent RU No. 2312319, IPC G01L 9/04. Bull. No. 34, December 10, 2007.

2. Патент RU №2391641 МПК G01L 9/04. Бюл. №16, 10.06.2010.2. Patent RU No. 2391641 IPC G01L 9/04. Bull. No. 16, 06/10/2010.

3. Бронштейн И.Н., Семендиев К.А. Справочник по математике. М.: Наука, 1980, 976 с.3. Bronstein I.N., Semendiev K.A. Math reference. M .: Nauka, 1980, 976 p.

Claims (1)

Датчик давления тензорезистивного типа с тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системой (НиМЭМС), содержащий корпус, установленную в нем НиМЭМС, состоящую из упругого элемента - круглой мембраны, выполненной за одно целое с периферийным основанием, сформированной на ней гетерогенной структуры из тонких пленок материалов, в которой образованы включенные соответственно в противоположные плечи измерительного моста тензорезисторы, выполненные в виде соединенных тонкопленочными перемычками одинакового количества одинаковых квадратных тензоэлементов, расположенных по окружности на периферии мембраны, отличающийся тем, что тензоэлементы первой пары тензорезисторов, включенных в противоположные плечи измерительного моста, выполнены симметричными между собой относительно взаимно перпендикулярных осей мембраны, проходящих через центры тензорезисторов, и симметричными соответствующим тензоэлементам второй пары тензорезисторов, включенных в противоположные плечи измерительного моста, относительно взаимно перпендикулярных осей мембраны, проходящих через центры контактных площадок, размещенных симметрично относительно взаимно перпендикулярных осей мембраны, проходящих через центры тензорезисторов, а расстояния между тензоэлементами первой пары тензорезисторов равны между собой и равны расстояниям между тензоэлементами второй пары тензорезисторов, при этом центры всех тензоэлементов размещены по окружности, радиус которой r0 определен по соотношению
Figure 00000005

где rм - радиус мембраны;
rс - максимальное значение радиуса скругления между приемной поверхностью мембраны и внутренней поверхностью периферийного основания;
Х - предельное отклонение размеров по оси Х в слоях;
Y - предельное отклонение размеров по оси Y в слоях;
S - максимально допустимое несовмещение слоев;
Т - технологический запас, зависящий от характеристик применяемого оборудования;
Figure 00000006
- размер стороны квадратного тензоэлемента.
A strain gauge pressure sensor with a thin-film nano- and microelectromechanical system (NiMEMS), comprising a housing installed in it NiMEMS, consisting of an elastic element - a circular membrane made in one piece with the peripheral base, formed on it of a heterogeneous structure of thin films of materials, which are formed, respectively, included in the opposite shoulders of the measuring bridge, strain gages made in the form of connected by thin-film jumpers of the same number of identical to adratic strain gauges located on a circumference on the periphery of the membrane, characterized in that the strain gauges of the first pair of strain gauges included in the opposite shoulders of the measuring bridge are symmetrical to each other with respect to mutually perpendicular axis of the membrane passing through the centers of the strain gauges and symmetric to the corresponding strain gauges of the second pair to the opposite shoulders of the measuring bridge, relatively mutually perpendicular to the axis of the membrane passing through Centralized pads arranged symmetrically about perpendicular axes of the membrane passing through gages centers and the distances between tenzoelementami first pair of strain gauges are equal to each other and equal distances between tenzoelementami second pair of strain gauges, with the centers of all tenzoelementov arranged on a circle whose radius r 0 is defined in relation
Figure 00000005

where r m is the radius of the membrane;
r with - the maximum value of the radius of rounding between the receiving surface of the membrane and the inner surface of the peripheral base;
X - the maximum deviation of dimensions along the X axis in the layers;
Y - the maximum deviation of the dimensions along the Y axis in the layers;
S is the maximum allowable mismatch of layers;
T - technological stock, depending on the characteristics of the equipment used;
Figure 00000006
- the size of the side of the square strain gauge.
RU2011136472/28A 2011-09-01 2011-09-01 Pressure sensor of strain gauge type with thin-film nano- and microelectrical system RU2472125C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011136472/28A RU2472125C1 (en) 2011-09-01 2011-09-01 Pressure sensor of strain gauge type with thin-film nano- and microelectrical system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011136472/28A RU2472125C1 (en) 2011-09-01 2011-09-01 Pressure sensor of strain gauge type with thin-film nano- and microelectrical system

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2472125C1 true RU2472125C1 (en) 2013-01-10

Family

ID=48806187

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2011136472/28A RU2472125C1 (en) 2011-09-01 2011-09-01 Pressure sensor of strain gauge type with thin-film nano- and microelectrical system

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2472125C1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050034529A1 (en) * 2003-05-07 2005-02-17 Hongxing Tang Strain sensors based on nanowire piezoresistor wires and arrays
RU2397460C1 (en) * 2009-06-01 2010-08-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенский государственный университет" (ПГУ) Pressure sensor based on tensoresistor thin-film nano- and micro-electromechanical system
RU2397461C1 (en) * 2009-06-09 2010-08-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенский государственный университет" (ПГУ) Tensoresistor pressure sensor based on nano- and micro-electromechanical system
RU2398196C1 (en) * 2009-09-08 2010-08-27 Валерий Анатольевич Васильев Device for measuring pressure based on nano- and micro-electromechanical system with frequency-domain output signal
RU2399031C1 (en) * 2009-09-15 2010-09-10 Евгений Михайлович Белозубов Pressure sensor with thin-film tensoresistor nano- and micro-electromechanical system

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050034529A1 (en) * 2003-05-07 2005-02-17 Hongxing Tang Strain sensors based on nanowire piezoresistor wires and arrays
RU2397460C1 (en) * 2009-06-01 2010-08-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенский государственный университет" (ПГУ) Pressure sensor based on tensoresistor thin-film nano- and micro-electromechanical system
RU2397461C1 (en) * 2009-06-09 2010-08-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенский государственный университет" (ПГУ) Tensoresistor pressure sensor based on nano- and micro-electromechanical system
RU2398196C1 (en) * 2009-09-08 2010-08-27 Валерий Анатольевич Васильев Device for measuring pressure based on nano- and micro-electromechanical system with frequency-domain output signal
RU2399031C1 (en) * 2009-09-15 2010-09-10 Евгений Михайлович Белозубов Pressure sensor with thin-film tensoresistor nano- and micro-electromechanical system

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6063540B2 (en) Capacitance type pressure gauge assembly
CN107101755B (en) A kind of strain-type three-dimensional force sensor
RU2398195C1 (en) Method of making nano- and micro-electromechanical pressure sensor system and pressure sensor based on said system
CN101738156B (en) Detection method of vehicle engine crankshaft key slot
KR20170120040A (en) Method of manufacturing a pressure sensor
JP2012500397A (en) Combined calibration / verification gauge and manufacturing method thereof
CN105698686A (en) Device and method of detecting crack width measuring instrument indication value errors
KR20150136570A (en) Magnetic displacement sensor and method for detecting displacement
US2388582A (en) Method of and apparatus for measuring center spacing
RU2312319C2 (en) Thin-film pressure gage
RU2472125C1 (en) Pressure sensor of strain gauge type with thin-film nano- and microelectrical system
Vannoni et al. Three-flat test with plates in horizontal posture
CN105403362A (en) Helicopter blade static balance detection and calibration method
RU2411474C1 (en) High precision pressure sensor based on nano- and micro-electromechanical system with thin-film tensoresistors
CN203629517U (en) Turbonator positioning rib chord distance measurement tool
CN102607379A (en) Detection method of included angle deviations of V-shaped roller paths of inner ring relative to reference end surface
RU2398196C1 (en) Device for measuring pressure based on nano- and micro-electromechanical system with frequency-domain output signal
RU2805781C1 (en) Pressure sensor
RU2464538C1 (en) Pressure sensor
RU2391640C1 (en) Strain gauge pressure sensor on basis of thin-film nano- and microelectromechanical system
RU2601613C1 (en) Thermally stable pressure sensor based on nano-and micro-electromechanical system with membrane having rigid centre
CN110132710A (en) A method of calibrating bellows flexibility test device
CN207300109U (en) Thickness measurement equipment
SU1615578A1 (en) Pressure-transducer
RU2628734C1 (en) Fiber optical pressure sensor