RU42893U1

RU42893U1 - PRESSURE TRANSFORMER

Info

Publication number: RU42893U1
Application number: RU2004124147/22U
Authority: RU
Inventors: В.А. Гридчин; В.В. Грищенко; В.М. Любимский
Original assignee: Новосибирский государственный технический университет
Priority date: 2004-08-09
Filing date: 2004-08-09
Publication date: 2004-12-20

Abstract

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления жидкостей и газов. Тензопреобразователь давления, плоскую жестко защемленную прямоугольную мембрану 1 с отношением сторон от 1.4 до 1.6 с продольными 3 и поперечными 2 тензорезисторами, а указанные тензорезисторы расположены у краев длинных сторон мембраны и в близи оси симметрии, параллельной короткой стороне мембраны. Предложенный Тензопреобразователь давления имеет меньшую нелинейность при увеличенном выходном сигнале.The utility model relates to measuring technique and can be used to measure the pressure of liquids and gases. The pressure transducer is a flat, rigidly clamped rectangular membrane 1 with an aspect ratio of 1.4 to 1.6 with longitudinal 3 and transverse 2 strain gages, and these strain gages are located at the edges of the long sides of the membrane and near the axis of symmetry parallel to the short side of the membrane. The proposed pressure transducer has less nonlinearity with an increased output signal.

Description

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для измерения давления жидкостей и газов.The utility model relates to measuring technique and can be used to measure the pressure of liquids and gases.

Известен тензопреобразователь давления мембранного типа с мембраной, имеющей два концентратора механического напряжения (деформации) [1]. Все тензорезисторы расположены поперек оси симметрии мембраны (поперечные тензорезисторы): два между ее краем и концентратором механического напряжения (1 и 3 тензорезисторы) и два в центре мембраны между двумя концентраторами механического напряжения (2 и 4 тензорезисторы). Под действием давления два тензорезистора увеличивают свое сопротивление, а два других - уменьшают. При этом сопротивление R_j тензорезистора j зависит от деформации (ε) поверхности мембраны в месте расположения резистораKnown strain gauge pressure transducer of the membrane type with a membrane having two concentrators of mechanical stress (strain) [1]. All strain gages are located across the axis of symmetry of the membrane (transverse strain gages): two between its edge and a stress concentrator (1 and 3 strain gages) and two in the center of the membrane between two stress concentrators (2 and 4 strain gages). Under the influence of pressure, two strain gages increase their resistance, and the other two reduce it. The resistance R _{j of the} strain gage j depends on the deformation (ε) of the membrane surface at the location of the resistor

R_j=R_j(ε).R _j = R _j (ε).

Деформация ε пропорциональна приложенному давлению РThe strain ε is proportional to the applied pressure P

ε=А·Р,ε = A · P,

где А - коэффициент упругого преобразования, который определяется конструкцией тензопреобразователя давления и упругими характеристиками применяемых в нем материалов.where A is the coefficient of elastic transformation, which is determined by the design of the pressure transducer pressure and the elastic characteristics of the materials used in it.

Сопротивление j - тензорезистора под действием деформации, возникающей при подаче давления, изменяется как:The resistance of the j - strain gauge under the action of deformation that occurs when pressure is applied, changes as:

R_j=R(1+K_tε_j), j=1, 2, 3, 4,R _j = R (1 + K _t ε _j ), j = 1, 2, 3, 4,

где K_t - коэффициент тензочувствительности поперечного тензорезистора.where K _t is the coefficient of strain sensitivity of the transverse strain gauge.

В тензопреобразователе тензорезисторы соединены в мостовую схему, выходной сигнал которой при питании от генератора напряжения записывается в виде:In the strain gauge, the strain gauges are connected to a bridge circuit, the output signal of which, when powered by a voltage generator, is written as:

где U_пит. - напряжение питания моста,where u _pit. - bridge supply voltage,

ε₁, ε₂, ε₃, ε₄ - деформации 1, 2, 3, 4 тензорезисторов.ε ₁ , ε ₂ , ε ₃ , ε ₄ - strain 1, 2, 3, 4 strain gages.

Коэффициенты тензочувствительности поперечных тензорезисторов кремния р-типа равны:The strain sensitivity coefficients of the transverse p-type silicon strain gages are equal to:

K_t=-(1+v_Si)m₄₄,K _t = - (1 + v _Si ) m ₄₄ ,

где v_Si - коэффициент Пуассона кремния,where v _Si - Poisson's ratio of silicon,

m₄₄ - коэффициент эластосопротивления кремния р-типа.m ₄₄ is the coefficient of elastic resistance of silicon p-type.

Тензорезисторы расположены так, что ε₁=ε₃, ε₂=ε₄ и имеют разные знаки. Тогда формула (1), без учета знаков деформаций тензорезисторов, может быть записана в виде:Strain gages are located so that ε ₁ = ε ₃ , ε ₂ = ε ₄ and have different signs. Then the formula (1), without taking into account the strain signs of the strain gauges, can be written in the form:

U_вых=U_питK_t(ε₁-ε₂)/2.U _o = U _pit K _t (ε ₁ -ε ₂ ) / 2.

Наличие концентраторов механических напряжений на мембране позволяет увеличить деформацию в местах расположения поперечных тензорезисторов из кремния р-типа по сравнению с плоской мембраной и соответственно увеличить выходной сигнал мостовой схемы до 50% без увеличения нелинейности выходного сигнала мостовой схемы [1].The presence of mechanical stress concentrators on the membrane allows one to increase the deformation at the locations of transverse p-type silicon strain gauges in comparison with a flat membrane and, accordingly, increase the output signal of the bridge circuit up to 50% without increasing the nonlinearity of the output signal of the bridge circuit [1].

Недостатками рассмотренной конструкции тензопреобразователя давления является то, что в этой конструкции используются только поперечные тензорезисторы. Поэтому данная конструкция возможна исключительно при использовании тех материалов, у которых коэффициент тензочувствительности поперечных тензорезисторов близок по абсолютной величине к коэффициенту тензочувствительности продольных тензорезисторов, как, например, в кремнии р-типа проводимости в плоскости (100), где коэффициенты тензочувствительности поперечных и продольных тензорезисторов близки по абсолютной величине, а также указанная конструкция не допускает миниатюрное исполнение с продольными тензорезисторами.The disadvantages of the considered design of the pressure transducer is that in this design only transverse strain gauges are used. Therefore, this design is possible only when using materials in which the coefficient of strain sensitivity of transverse strain gauges is close in absolute value to the coefficient of strain sensitivity of longitudinal strain gauges, as, for example, in p-type silicon in the (100) plane, where the coefficient of strain sensitivity of transverse and longitudinal strain gauges is close in absolute value, as well as the specified design does not allow miniature design with longitudinal strain gauges.

Кроме того, известен тензопреобразователь давления мембранного типа [2], являющийся прототипом предлагаемого изобретения и In addition, the known pressure transducer pressure type membrane [2], which is the prototype of the invention and

содержащий мост из поликремниевых тензорезисторов, расположенных на окисленной подложке из монокристаллического кремния, ориентированной в плоскости (100). Тензорезисторы в виде мезаструктур расположены у краев плоской мембраны на осях ее симметрии, первый и третий вдоль оси, а два других (второй и четвертый) - перпендикулярно оси.containing a bridge of polysilicon strain gages located on an oxidized substrate of single-crystal silicon, oriented in the (100) plane. Strain gauges in the form of mesastructures are located at the edges of a flat membrane on the axes of its symmetry, the first and third along the axis, and the other two (second and fourth) perpendicular to the axis.

Механические напряжения в плоской квадратной мембране имеют наибольшие значения на краях и в центре мембраны, причем на краях мембраны механические напряжения вдоль оси ее симметрии (T_L) значительно больше механических напряжений в перпендикулярном направлении (Г?) и связаны с деформациями следующими соотношениями:Mechanical stresses in a flat square membrane have the greatest values at the edges and in the center of the membrane, and at the edges of the membrane, mechanical stresses along its axis of symmetry (T _L ) are much greater than mechanical stresses in the perpendicular direction (Г?) And are associated with deformations by the following relationships:

ε_L=S₁₁·T_L+S₁₂·T_t, ε_t=S₁₂·T_L+S₁₁·T_t,ε _L = S ₁₁ · T _L + S ₁₂ · T _t , ε _t = S ₁₂ · T _L + S ₁₁ · T _t ,

где S₁₁ и S₁₂ - коэффициенты упругой податливости кремниевой подложки.where S ₁₁ and S ₁₂ are the elastic flexibility coefficients of the silicon substrate.

Учитывая, что на оси симметрии мембраны у края мембраны T_L≫Т_t и ε_t≈0, выходной сигнал мостовой схемы тензопреобразователя давления может быть записан в виде:Given that on the axis of symmetry of the membrane at the edge of the membrane T _L ≫Т _t and ε _t ≈ 0, the output signal of the bridge circuit of the pressure transducer pressure can be written in the form:

где U_пит. - напряжение питания мостовой схемы.where u _pit. - supply voltage of the bridge circuit.

K_L - коэффициент тензочувствительности продольного тензорезистора,K _L is the coefficient of strain sensitivity of the longitudinal strain gauge,

K_t - коэффициент тензочувствительности поперечного тензорезистора,K _t is the coefficient of strain sensitivity of the transverse strain gauge,

ε_L1, ε_L2, ε_L3, ε_L4 - деформации 1, 2, 3, 4 тензорезисторов.ε _L1 , ε _L2 , ε _L3 , ε _L4 - deformations of 1, 2, 3, 4 strain gages.

Деформации, действующие на тензорезисторы, можно представить в виде суммы двух слагаемых, первое из которых пропорционально давлению, действующему на мембрану.Deformations acting on strain gauges can be represented as the sum of two terms, the first of which is proportional to the pressure acting on the membrane.

Тогда выходной сигнал мостовой схемы тензопреобразователя давления может быть записан в виде:Then the output signal of the bridge circuit of the pressure transducer can be written in the form:

где первая квадратная скобка описывает линейную, а вторая квадратная скобка нелинейную часть выходного сигнала.where the first square bracket describes the linear, and the second square bracket the nonlinear part of the output signal.

Вычитая из (2) линейную часть выходного сигнала и деля ее на U^* _вых, при номинальном давлении, получим нелинейность выходного сигналаSubtracting from (2) the linear part of the output signal and dividing it by U ^* _out , at nominal pressure, we obtain the nonlinearity of the output signal

Недостатком данного тензопреобразователя давления является то, что в квадратной мембране нелинейность деформации на краю мембраны, где расположены продольные и поперечные резисторы, имеет один знак, а так как продольный и поперечный коэффициенты тензочувствительности имеют противоположные знаки, то, как видно из (3), нелинейности деформации складываются. В результате, для того чтобы нелинейность выходного сигнала тензопреобразователя не превышала 1%, номинальному давлению соответствует деформация на краю мембраны меньше 5·10^-4. Поэтому при U_пит=5 В выходной сигнал тензопреобразователя не превышает 30 мВ.The disadvantage of this pressure transducer is that the nonlinearity of deformation in the square membrane at the edge of the membrane, where the longitudinal and transverse resistors are located, has the same sign, and since the longitudinal and transverse strain sensitivity coefficients have opposite signs, it can be seen from (3) that the nonlinearity deformations add up. As a result, so that the nonlinearity of the output signal of the strain gauge does not exceed 1%, the nominal pressure corresponds to a deformation at the edge of the membrane of less than 5 · 10 ^-4 . Therefore, at U _pit = 5 V, the output signal of the strain gauge does not exceed 30 mV.

Задачей предлагаемого изобретения является уменьшение нелинейности выходного сигнала тензопреобразователя давления при увеличении его выходного сигнала.The task of the invention is to reduce the nonlinearity of the output signal of the pressure transducer with increasing its output signal.

Поставленная задача достигается тем, что в известном тензопреобразователе давления мембранного типа с продольными и поперечными тензорезисторами, расположенными у края жестко защемленной мембраны около осей симметрии, мембрана выполнена прямоугольной.The problem is achieved in that in the known pressure transducer of the membrane type with longitudinal and transverse strain gauges located at the edge of a rigidly clamped membrane near the axis of symmetry, the membrane is made rectangular.

На ФИГ.1 приведен общий вид тензопреобразователя давления. На ФИГ.2 - зависимости деформаций от безразмерной координаты у/а в прямоугольной мембране с размером 2а×2b=2000×3000 мкм², толщиной Figure 1 shows a General view of the pressure transducer pressure. In FIG.2 - the dependence of the deformation on the dimensionless coordinate y / a in a rectangular membrane with a size of 2A × 2b = 2000 × 3000 μm ² , a thickness

40 мкм при давлении 1 атм. На ФИГ.3 - зависимость нелинейности деформации NLε_y от безразмерной координаты у/а в прямоугольной мембране с размером 2а×2b=2000×3000 мкм², толщиной 40 мкм при давлении 1 атм. Деформации и нелинейности деформации мембраны рассчитаны по методике, предложенной в [3].40 microns at a pressure of 1 atm. In Fig.3 - the dependence of the nonlinearity of the strain NLε _y on the dimensionless coordinate y / a in a rectangular membrane with a size of 2a × 2b = 2000 × 3000 μm ² , a thickness of 40 μm at a pressure of 1 atm. Deformations and nonlinearities of membrane deformation were calculated according to the technique proposed in [3].

Тензопреобразователь давления (ФИГ.1) содержит: 1 - мембрану, 2 - поперечные тензорезисторы, расположенные на мембране 1, 3 - продольные тензорезисторы, расположенные на мембране 1, 4 - алюминиевую разводку, соединяющую тензорезисторы 2, 3, 5 - контактные окна к тензорезисторам.The pressure transducer pressure (FIG. 1) contains: 1 - a membrane, 2 - transverse strain gauges located on the membrane 1, 3 - longitudinal strain gauges located on the membrane 1, 4 - aluminum wiring connecting the strain gauges 2, 3, 5 - contact windows to the strain gauges .

Прямоугольная жестко защемленная мембрана 1 (см. ФИГ.1) расположена в средней части тензопреобразователя давления. На поверхности мембраны 1 (см. ФИГ.1) сформированы поперечные 2 и продольные 3 тензорезисторы. Для стабилизации характеристик тензопреобразователь давления покрыт слоем защитного окисла, в котором вскрыты окна под контактные площадки 5.Rectangular rigidly clamped membrane 1 (see FIG. 1) is located in the middle of the pressure transducer. On the surface of the membrane 1 (see FIG. 1), transverse 2 and longitudinal 3 strain gages are formed. To stabilize the characteristics, the pressure transducer is covered with a layer of protective oxide, in which the windows for the contact pads 5 are opened.

Устройство работает следующим образом: при действии давления на тензопреобразователь давления происходит деформация мембраны 1, которая передается поперечным 2 и продольным 3 тензорезисторам. Продольные 3 и поперечные 2 тензорезисторы расположены у краев мембраны около ее длинных сторон около оси симметрии, параллельной короткой стороне мембраны, и имеют координаты: продольные 3 от до , а поперечные 2 от до .The device operates as follows: under the action of pressure on the pressure transducer, the membrane 1 deforms, which is transmitted to the transverse 2 and longitudinal 3 strain gages. Longitudinal 3 and transverse 2 strain gages are located at the edges of the membrane near its long sides near the axis of symmetry parallel to the short side of the membrane, and have the coordinates: longitudinal 3 from before , and transverse 2 from before .

В случае, если отношения сторон мембраны удовлетворяют соотношению 1.4<b/a<1.6, то средние нелинейности (см. ФИГ.3) поперечных тензорезисторов 2 - положительные, а продольных тензорезисторов 3 - отрицательные. В результате, так как K_L и K_t имеют разные знаки, то, как видно из формулы (3), нелинейности, в отличие от квадратной мембраны, вычитаются. Средние деформации (см. ФИГ.2) продольных тензорезисторов при номинальном давлении 1 атм. равны If the ratio of the sides of the membrane satisfy the relation 1.4 <b / a <1.6, then the average non-linearities (see FIG. 3) of the transverse strain gages 2 are positive, and the longitudinal strain gages 3 are negative. As a result, since K _L and K _t have different signs, then, as can be seen from formula (3), nonlinearities, in contrast to a square membrane, are subtracted. The average strain (see FIG. 2) of longitudinal strain gauges at a nominal pressure of 1 atm. are equal

0.54·10^-3, а не 0.33·10^-3, как в квадратной мембране с размером 2a×2а=2000×2000 мкм² и толщиной 40 мкм. В результате выходной сигнал тензопреобразователя при U_пит=5 B больше 50 мВ при нелинейности около 0.3%, а не 30 мВ при нелинейности около 1% как в квадратной мембране.0.54 · 10 ^-3 , not 0.33 · 10 ^-3 , as in a square membrane with a size of 2a × 2a = 2000 × 2000 μm ² and a thickness of 40 μm. As a result, the output signal of the strain gauge at U _pit = 5 V is more than 50 mV with a nonlinearity of about 0.3%, and not 30 mV with a nonlinearity of about 1% as in a square membrane.

Таким образом, по сравнению с прототипом, нелинейность выходного сигнала в 3 раза меньше при большем в 1.6 раза выходном сигнале тензопреобразователя.Thus, in comparison with the prototype, the nonlinearity of the output signal is 3 times smaller with a 1.6 times greater output signal of the strain gauge.

Литература.Literature.

1. L.В.Wilner, A diffused silicon pressure transducer with stress concentrated at transverse gages, ISA Transactions, v.17, No.1, 83-87.1. L. B. Wilner, A diffused silicon pressure transducer with stress concentrated at transverse gages, ISA Transactions, v.17, No.1, 83-87.

2. Патент SU 1830138 A3, G 01 L 9/04.2. Patent SU 1830138 A3, G 01 L 9/04.

3. В.А.Гридчин, В.М.Любимский, А.В.Шапорин. Нелинейность прямоугольных диафрагм. Микроэлектроника. 2003. Т.32. с.294-394.3. V.A. Gridchin, V. M. Lyubimsky, A. V. Shaporin. Non-linearity of rectangular diaphragms. Microelectronics. 2003.V.32. p. 294-394.

Claims

A pressure transducer containing a flat rigidly clamped membrane on which longitudinal and transverse strain gages are located, characterized in that the membrane is rectangular with a ratio of sides ranging from 1.4 to 1.6, and these strain gages are located at the edges of the long sides of the membrane and near the axis of symmetry parallel to the short side of the membrane.