RU2631016C1 - Тензопреобразователь давления - Google Patents
Тензопреобразователь давления Download PDFInfo
- Publication number
- RU2631016C1 RU2631016C1 RU2016129629A RU2016129629A RU2631016C1 RU 2631016 C1 RU2631016 C1 RU 2631016C1 RU 2016129629 A RU2016129629 A RU 2016129629A RU 2016129629 A RU2016129629 A RU 2016129629A RU 2631016 C1 RU2631016 C1 RU 2631016C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- diaphragm
- strain
- gauges
- center
- longitudinal
- Prior art date
Links
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 11
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 5
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
- G01L9/02—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in ohmic resistance, e.g. of potentiometers, electric circuits therefor, e.g. bridges, amplifiers or signal conditioning
- G01L9/04—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in ohmic resistance, e.g. of potentiometers, electric circuits therefor, e.g. bridges, amplifiers or signal conditioning of resistance-strain gauges
Landscapes
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
- Pressure Sensors (AREA)
Abstract
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления жидкости и газов. Тензопреобразователь давления содержит квадратную плоскую диафрагму из монокристаллического кремния с опорной рамкой и четыре продольных тензорезистора. Тензорезисторы расположены на планарной поверхности диафрагмы, содержащей 12 одинаковых квадратных углублений со стороной не менее длины тензорезистора и глубиной не больше половины толщины диафрагмы. Четыре углубления расположены в центре, а восемь остальных - парами у краев диафрагмы симметрично ее срединным осям. Зазор между углублениями одинаков и равен ширине тензорезисторов, которые расположены между углублениями, два - в центре, а два - у краев диафрагмы, образуя мостовую схему. Технический результат - повышение чувствительности тензопреобразователя давления. 5 ил.
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления жидкостей и газов.
Известен тензопреобразователь давления, содержащий выполненную из монокристаллического кремния плоскую диафрагму, на которой расположены продольные и поперечные тензорезисторы. При этом диафрагма имеет разную толщину, причем толщина у краев больше толщины ее средней части, а указанные тензорезисторы расположены на части с большей толщиной (Патент RU №2237873, G01L 9/04, Тензопреобразователь давления, 10.10.2004).
Указанный тензопреобразователь работает следующим образом. Под действием измеряемого давления диафрагма прогибается, что вызывает деформацию диафрагмы, которая передается поперечным и продольным тензорезисторам. При этом сопротивление двух тензорезисторов увеличивается, а двух других уменьшается. Изменение сопротивления тензорезисторов, объединенных в мостовую схему, приводит к возникновению выходного электрического сигнала:
где Е - напряжение питания мостовой схемы,
Наличие у диафрагмы утолщенных краев позволяет расширить область максимальных деформаций в местах расположения тензорезисторов, что приводит к увеличению чувствительности устройства:
где Р - измеряемое давление.
Недостатком такого устройства является применение в мостовой схеме поперечных тензорезисторов, тензочувствительность 
которых меньше, чем у продольных 
(для тензорезисторов из поликристаллического кремния p-типа 
, 
). Кроме того, наличие утолщенных краев диафрагмы приводит к большей нелинейности преобразовательной характеристики по сравнению с плоской диафрагмой.
Кроме того, известен тензопреобразователь давления (прототип), содержащий поперечные и продольные тензорезисторы и выполненную из монокристаллического кремния квадратную плоскую диафрагму с опорной рамкой. При этом поперечные тензорезисторы расположены на краю, а продольные тензорезисторы частично выходят за пределы диафрагмы (Патент RU №2329480, G01L 9/04, Тензопреобразователь давления, 20.07.2008).
Указанный тензопреобразователь работает следующим образом. Измеряемое давление прогибает диафрагму, что вызывает деформацию тензорезисторов и изменение их сопротивления. Продольные и поперечные тензорезисторы включены по мостовой схеме и изменение их сопротивления приводит к возникновению электрического сигнала по формуле (1). Точная теория показывает, что деформации заходят за край диафрагмы. Учет этого эффекта позволяет сдвинуть продольные тензорезисторы за край диафрагмы на определенную величину, так что обеспечивается повышенная чувствительность, как описано в патенте, но при этом диафрагма остается плоской.
Недостатками указанного тензопреобразователя являются применение в мостовой схеме наряду с продольными поперечных тензорезисторов, для которых 
, что приводит к уменьшению общей чувствительности тензопреобразователя, а также высокая нелинейность преобразования измеряемого давления в электрический сигнал (для диапазона давления 0…2⋅105 Па около 0.3%).
Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение чувствительности тензопреобразователя давления.
Технический результат достигается благодаря тому, что в тензопреобразователе давления, который содержит квадратную плоскую диафрагму из монокристаллического кремния с опорной рамкой и четыре тензорезистора, причем все тензорезисторы - продольные и расположены на планарной поверхности диафрагмы, имеющей 12 одинаковых квадратных углублений, со стороной не менее длины тензорезистора и глубиной не больше половины толщины диафрагмы, из них четыре расположены в центре, а остальные восемь - парами у краев диафрагмы симметрично ее срединным осям, при этом зазор между углублениями одинаков и равен ширине тензорезисторов, которые расположены между углублениями, два - в центре и два - у краев диафрагмы, образуя мостовую схему.
На ФИГ. 1 представлен общий вид предлагаемого тензопреобразователя давления. На ФИГ. 2 - поперечный разрез тензопреобразователя. На ФИГ. 3 - преобразовательная характеристика тензопреобразователя. На ФИГ. 4 - распределение деформаций вдоль тензорезисторов. На ФИГ. 5 - нелинейность преобразовательной характеристики тензопреобразователя.
Предлагаемый тензопреобразователь (ФИГ. 1) содержит кремниевый профилированный упругий элемент - 1 с квадратной диафрагмой - 2 и опорной рамкой - 3, двенадцать углублений - 4 и четыре тензорезистора - 5.
Тензопреобразователь работает следующим образом: при подаче измеряемого давления на упругий элемент 1 с квадратной диафрагмой 2 и опорной рамкой 3 диафрагма 2 прогибается (ФИГ. 2). Возникшая деформация передается продольным тензорезисторам 5, которые расположены в центре и на краю диафрагмы 2 в зазорах между углублениями 4 и объединены в мостовую схему. Тензорезисторы 5, которые находятся на краю и в центре диафрагмы 2, получают разные по знаку деформации. В отличие от прототипа благодаря введению углублений сопротивление краевых и центральных тензорезисторов 5 определяется лишь продольным коэффициентом тензочувсвтительности:
где Rкрай - сопротивление тензорезисторов, расположенных на краю диафрагмы,
Rцентр - сопротивление тензорезисторов, расположенных в центре диафрагмы,
R0 - сопротивление тензорезисторов в отсутствие измеряемого давления,
εкрай - продольная деформация тензорезисторов, расположенных на краю диафрагмы,
εцентр - продольная деформация тензорезисторов, расположенных в центре диафрагмы.
Выходной сигнал предложенного тензопреобразователя определяется формулой (1).
Так как для тензорезисторов из поликристаллического кремния p-типа 
, то изменение сопротивления продольных тензорезисторов под действием давления выше изменения сопротивления поперечных тензорезисторов ≈50%, поэтому в предложенном тензопреобразователе чувствительность продольных тензорезисторов, расположенных в центре диафрагмы, выше чувствительности тензорезисторов прототипа, работающих на поперечном коэффициенте тензочувствительности. Углубления 4 на поверхности диафрагмы 2 создают области концентрации механических деформаций, равных по величине, но противоположных по значению, в которых располагаются тензорезисторы 5. Это приводит к увеличению общей чувствительности тензопреобразователя более чем на 30%. На ФИГ. 3 представлено сравнение преобразовательных характеристик предложенного тензопреобразователя давления и тензопреобразователя-прототипа, а на ФИГ. 4 - распределение деформаций у прототипа и предложенного тензопреобразователя.
Дополнительным преимуществом предложенного тензопреобразователя давления является уменьшение нелинейности преобразовательной характеристики. Углубления 4 выравнивают нелинейные составляющие деформации продольных тензорезисторов по знаку и величине, что позволяет достичь нелинейности не более 0.1% (ФИГ. 5).
Claims (1)
- Тензопреобразователь давления, содержащий квадратную плоскую диафрагму из монокристаллического кремния с опорной рамкой, и четыре тензорезистора, отличающийся тем, что все тензорезисторы - продольные и расположены на планарной поверхности диафрагмы, содержащей 12 одинаковых квадратных углублений со стороной не менее длины тензорезистора и глубиной не больше половины толщины диафрагмы, из них четыре расположены в центре, а остальные восемь - парами у краев диафрагмы симметрично ее срединным осям, при этом зазор между углублениями одинаков и равен ширине тензорезисторов, которые расположены между углублениями - два в центре, а два - у краев диафрагмы, образуя мостовую схему.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016129629A RU2631016C1 (ru) | 2016-07-19 | 2016-07-19 | Тензопреобразователь давления |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016129629A RU2631016C1 (ru) | 2016-07-19 | 2016-07-19 | Тензопреобразователь давления |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2631016C1 true RU2631016C1 (ru) | 2017-09-15 |
Family
ID=59894033
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016129629A RU2631016C1 (ru) | 2016-07-19 | 2016-07-19 | Тензопреобразователь давления |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2631016C1 (ru) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1712802A1 (ru) * | 1989-02-13 | 1992-02-15 | Предприятие П/Я А-1891 | Датчик давлени |
| RU2237873C2 (ru) * | 2002-06-19 | 2004-10-10 | Новосибирский государственный технический университет | Тензопреобразователь давления |
| RU2329480C2 (ru) * | 2006-07-19 | 2008-07-20 | Новосибирский государственный технический университет | Тензопреобразователь давления |
| RU2531549C2 (ru) * | 2012-12-27 | 2014-10-20 | Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации | Высокотемпературный полупроводниковый преобразователь давления на основе структуры "поликремний-диэлектрик" |
-
2016
- 2016-07-19 RU RU2016129629A patent/RU2631016C1/ru active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1712802A1 (ru) * | 1989-02-13 | 1992-02-15 | Предприятие П/Я А-1891 | Датчик давлени |
| RU2237873C2 (ru) * | 2002-06-19 | 2004-10-10 | Новосибирский государственный технический университет | Тензопреобразователь давления |
| RU2329480C2 (ru) * | 2006-07-19 | 2008-07-20 | Новосибирский государственный технический университет | Тензопреобразователь давления |
| RU2531549C2 (ru) * | 2012-12-27 | 2014-10-20 | Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации | Высокотемпературный полупроводниковый преобразователь давления на основе структуры "поликремний-диэлектрик" |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102162757B (zh) | 一种光纤光栅土压力传感器 | |
| CN103090778B (zh) | 一种应变式线性双向大位移传感器及其检测方法 | |
| Malhaire et al. | Design of a polysilicon-on-insulator pressure sensor with original polysilicon layout for harsh environment | |
| CN102519648A (zh) | 单剪连接结构钉载矢量测量方法和测量仪 | |
| CN105628269B (zh) | 一种微力及微位移放大传感器 | |
| CN102175137B (zh) | 测量构件微小变形的引伸计 | |
| CN103196526B (zh) | 具有偏载隔离功能的测力称重传感器及其隔离测量方法 | |
| RU2631016C1 (ru) | Тензопреобразователь давления | |
| CN104299483B (zh) | 一种电桥式杨氏模量组合仪 | |
| US2592223A (en) | Strain responsive gauge | |
| RU178060U1 (ru) | Тензометрический динамометр | |
| CN207456930U (zh) | 弹性模量、抗弯刚度多功能组合实验装置 | |
| RU2469437C1 (ru) | Интегральный преобразователь давления с одним жестким центром | |
| CN203324300U (zh) | 一种双悬臂梁式微机械加速度传感器 | |
| CN105486273A (zh) | 静水压多轴加载试验中的圆环式双轴径向引伸计 | |
| RU2519363C1 (ru) | Динамометрический ключ | |
| RU115474U1 (ru) | Устройство для измерения механических напряжений | |
| RU111646U1 (ru) | Устройство для измерения механических напряжений | |
| MX2010013040A (es) | Sensor de campo magnetico de alta resolucion integrado por una estructura resonante de vigas de sicilio fabricado en tecnologia mems. | |
| RU2530466C1 (ru) | Тензометрический преобразователь | |
| CN204155503U (zh) | 一种电桥式杨氏模量组合仪 | |
| CN102749035B (zh) | 光纤光栅位移传感器及传感方法 | |
| SU1566235A1 (ru) | Силоизмерительное устройство | |
| SU568854A1 (ru) | Динамометр | |
| RU2469436C1 (ru) | Интегральный преобразователь давления с тремя жесткими центрами |