RU42894U1 - Тензопреобразователь давления - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления жидкостей и газов. Тензопреобразователь для измерения давления, содержит плоскую жестко защемленную квадратную мембрану, выполненную из монокристаллического кремния 1 с поперечными 2 и продольными 3 резисторами из поликристаллического кремния, расположенных в близи краев мембраны с центрами резисторов находящихся на осях симметрии мембраны. Предложенный Тензопреобразователь давления имеет нелинейную зависимость выходного сигнала от давления, описываемую формулой(D - коэффициент пропорциональности). Это позволяет компенсировать нелинейность между расходом газа или жидкости и перепадом давления в трубе Вентури и уменьшить на порядок погрешность измерения малых расходов газа или жидкости по сравнению с тензопреобразователем, имеющим линейную зависимость между давлением и выходным сигналом.

Description

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована в датчиках для измерения расходов жидкостей и газов. Особый интерес представляет использование тензопреобразователя для измерения перепада давления (относительного давления) в трубе Вентури для измерения расходов жидкостей или газов.

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 резистора

R_j=R_j(ε).

Деформация s пропорциональна приложенному давлению Р

ε=B·P,

где В - коэффициент упругого преобразования, который определяется конструкцией тензопреобразователя давления и упругими характеристиками применяемых в нем материалов.

Сопротивление j - тензорезистора под действием деформации, возникающей при подаче давления, изменяется как:

R_j=R(1+K_tε_j), j=1, 2, 3, 4,

где K_t - коэффициент тензочувствительности поперечного тензорезистора.

В тензопреобразователе тензорезисторы соединены в мостовую схему, выходной сигнал которой при питании от генератора напряжения записывается в виде:

где U_пит. - напряжение питания моста,

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

Коэффициенты тензочувствительности поперечных тензорезисторов кремния р-типа равны:

K_t=-(1+v_Si)m₄₄,

где v_Si - коэффициент Пуассона кремния,

m₄₄ - коэффициент эластосопротивления кремния р-типа.

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:

U_вых.=U_пит.K_t(ε₁-ε₂)/2.

Деформации ε₁ и ε₂ пропорциональны измеряемому перепаду давлений. Поэтому выходной сигнал датчика оказывается равным

где B₁ и В₂ - коэффициенты пропорциональности.

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].

Недостатком данного тензопреобразователя давления является то, что, так как величина потока жидкости или газа Ф через трубу Вентури пропорциональна квадратному корню из перепада давления Р между двумя сечениями в трубе Вентури

где А - коэффициент пропорциональности, то использование датчика с линейной зависимостью выходного сигнала U_вых. от давления приводит к нелинейной зависимости выходного сигнала от потока, как это следует из (1)-(3):

где С - коэффициент пропорциональности и расход жидкости или газа Q нелинейно связан с выходным напряжением

где S - площадь поперечного сечения трубы,

t - время, в течение которого измеряется расход.

В этом случае зависимость между расходом жидкости или газа - нелинейная и при измерении расхода жидкости или газа в начале диапазона возникают значительные ошибки измерений.

Кроме того, известен тензопреобразователь давления мембранного типа [2], являющийся прототипом предлагаемого изобретения и 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.

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 (T_t) и связаны с деформациями следующими соотношениями:

ε_L=S₁₁·T_L+S₁₂·T_t, ε_t=S₁₂·T_L+S₁₁·T_t,

где S₁₁ и S₁₂ - коэффициенты упругой податливости кремниевой подложки.

Учитывая, что на оси симметрии мембраны у края мембраны T_L≫T_t и ε_t≈0, выходной сигнал мостовой схемы тензопреобразователя давления может быть записан в виде:

U_вых.=U_пит.(K_Lε_L1-К_tε_L2+К_Lε_L3-К_tε_L4)/4,

где K_L - коэффициент тензочувствительности продольного тензорезистора,

K_t - коэффициент тензочувствительности поперечного тензорезистора,

ε_L1, ε_L2, ε_L3, ε_L4 - деформации 1, 2, 3, 4 тензорезисторов.

Недостатком данного тензопреобразователя, как и предыдущего, является то, что из-за линейной зависимости выходного сигнала от приложенного давления при малых расходах наблюдается большая погрешность измерений.

Задачей предлагаемой полезной модели является разработка тензопреобразователя с нелинейной зависимостью выходного сигнала от перепада давления, компенсирующей нелинейность между потоком и давлением и поэтому с малой погрешностью измерений при малых расходах жидкости или газа.

Если выходной сигнал тензопреобразователя U_вых от перепада давления Р описываемой формулой

где D - коэффициент пропорциональности,

то

и выходной сигнал пропорционален потоку

а расход жидкости или газа, в соответствии с формулой (5), пропорционален выходному сигналу датчика:

Поставленная задача достигается тем, что в известном тензопреобразователе мембранного типа с продольными и поперечными резисторами, расположенными у края мембраны, плоская мембрана имеет определенное отношение толщины к стороне.

На ФИГ.1 приведен общий вид тензопреобразователя давления, на ФИГ.2 - зависимости продольной ε_L и поперечной ε_t деформации в мембране в месте расположения одного из поперечных резисторов, на ФИГ. 3 - зависимости выходных сигналов датчиков U_вых от давления Р.

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.

Квадратная мембрана 1 (см. ФИГ.1) расположена в средней части тензопреобразователя давления и сформирована анизотропным травлением подложки из монокристаллического кремния со слоем изолирующего окисла. На поверхности мембраны 1 (см. ФИГ.1) сформированы поперечные 2 и продольные 3 тензорезисторы из поликристаллического кремния. Для стабилизации характеристик Тензопреобразователь давления покрыт слоем защитного окисла, в котором вскрыты окна под контактные площадки 5.

Устройство работает следующим образом: под действием перепада давления на Тензопреобразователь происходит деформация мембраны 1, которая передается поперечным 2 и продольным 3 тензорезисторам, расположенным у края мембраны около осей симметрии. Если мембрана тонкая, то пропорциональность между деформацией тензорезисторов и действующим на мембрану давлением нарушается и ее преобразовательная характеристика становится нелинейной. Выбором толщины и размера мембраны можно нелинейностью преобразовательной характеристики упругого элемента компенсировать нелинейность между потоком и давлением (3). Для этого отношение толщины мембраны к длине ее стороны

должно быть 0.007-0.0076. Так деформации у края мембраны с общим размером 2а×2а=1970×1970 мкм и толщиной 15 мкм в месте расположения одного из поперечных резисторов, рассчитанные по [3], приведены на ФИГ.2 (1 - продольная деформация ε_L, 2 - поперечная деформация ε_t). Из ФИГ.2 видно, что деформации от давления нелинейны. На ФИГ.3 приведены экспериментальная зависимость выходного сигнала датчика от давления с мембранным тензопреобразователем и аппроксимирующая ее зависимость: 1 - экспериментальные результаты, 2 - аппроксимирующая зависимость U_выx.=1.35·P^1/2. Длина стороны квадратной мембраны равна 1970 мкм при толщине 15 мкм, отношение толщины к длине стороны равно 0.0076. Из ФИГ.3 видно, что экспериментальные результаты хорошо аппроксимируются зависимостью вида

и расход жидкости или газа, в соответствии с формулами (6) и (7), линейно зависит от выходного сигнала, поэтому погрешность измерения расхода жидкости или газа при малых давлениях на порядок меньше, чем у тензопреобразователей с линейной зависимостью выходного сигнала от давления.

Литература.

1. L.В.Wilner, A diffused silicon pressure transducer with stress concentrated at transverse gages, ISA Transactions, v.7, No.1, p.83-87.

2. Патент 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.

Claims (1)

1. Тензопреобразователь для измерения давления, содержащий плоскую жестко защемленную квадратную мембрану, выполненную из монокристаллического кремния, с продольными и поперечными резисторами из поликристаллического кремния, расположенными вблизи краев мембраны с центрами резисторов, находящихся на осях симметрии мембраны, отличающийся тем, что отношение толщины мембраны к длине ее стороны равно 0,007-0,0076.