SU1615578A1 - Датчик давлени - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике, в частности к датчикам, предназначенным дл  использовани  в различных област х науки и техники, св занных с измерением давлени . Цель изобретени  - повышение точности в услови х воздействи  термоудара, увеличение чувствительности и теплостойкости. Дл  этого в датчике давлени , содержащем корпус 1, упругий элемент в виде жесткозащемленной мембраны 2, выполненной за одно целое с опорным основанием 3, на которой расположены соединенные в мостовую схему тензорезисторы, размещенные по дуге окружности 4 и по радиусу мембраны 5, окружные и радиальные тензорезисторы выполнены в виде соединенных низкоомными перемычками 6 и равномерно размещенных по периферии мембраны идентичных резистивных квадратов 7, касающихс  двум  наиболее удаленными от центра мембраны вершинами 8 границы 9 раздела мембраны и опорного основани , причем количество резистивных квадратов в окружных и радиальных тензорезисторах одинакового и равно отношению сопротивлени  тензорезистора к его поверхностному сопротивлению, а размеры сторон резистивных квадратов удовлетвор ют представленному соотношению. 3 ил.

Description

Изобретение относитс  к измерительой технике, в частности к датчикам, пред- назначенным дл  использовани  в различ- ных област х науки и техники, св занных с измерением давлени  в услови х воздейст- ВИЯ нестационарной температуры измер е- мой среды (термоудара).

Цель изобретени  - повышение точно- сти в услови х действи -термоудара, увеличение теплостойкости и повышение чувствительности .

На фиг. 1 изображен датчик давлени , общий вид; на фиг. 2 - узлы I и II на фиг, 1; на фиг. 3 - графики измерений.

Датчик давлени  содержит корпус 1, уп- ругий элемент в виде круглой жесткозащем- ленной мембраны 2, выполненной за одно целое с опорным основанием 3, на которой расположены соединенные в мостовую схему тензорезисторы, размещенные по дуге окружности 4 и по радиусу мембраны 5. Окружные тензорезисторы и радиальные тензорезисторы выполнены в виде соединенных низкоомными перемычками 6 и равномерно размещенных по периферии мембраны идентичных резистивных квадратов 7. Каждый из квадратов касаетс  двум  наиболее удаленными от центра мембраны вершинами 8 границы 9 раздела .мембраны и опорного основани .

На поверхность мембраны и опорного основани  нанесен диэлектрик 10 в виде структуры AlaOs - Si02 толщиной 2 мкм, Тензорезисторы выполнены с поверхностным сопротивлением 10 Ом/квадрат. Низ- коомные перемычки 6 выполнены в виде структуры MO-NI толщиной 1,5 мкм.

Датчик давлени  работает следующим

образом.

При воздействии на мембрану давлени  в ней возникают радиальные и тангенциальные напр жени , которые привод т к по влению на планарной стороне мембрань

адиальных г и тангенциальных ег дефораций (фиг. 2 и 3). Так как резистивные квадаты касаютс  двум  наиболее удаленными т центра мембраны вершинами границы раздела мембраны и опорного основани , а акже в св зи с тем, что размеры сторон резистивных квадратов выбраны исход  из за вл емого соотношени , резистивный квадрат окружного тензорезистора (узел I, фиг. 2) подвергаетс  воздействию раст гивающих тангенциальных деформаций, направленных вдоль длины резистора, и сжимающих радиальных деформаций, направленных перпендикул рно длине рези- стора. В результате воздействи  таких деформаций сопротивление резисторного квадрата окружного тензорезистора увеличиваетс . Вследствие аналогичных причин резистивный квадрат радиального тензоре- зистора (узел II, фиг. 2), подвергаетс  воздействию раст гивающих тангенциальных деформаций, направленных перпендикул рно длине резистора, и сжимающих радиальных деформаций, направленных вдоль длины резистора.

В результате воздействи  таких деформаций сопротивление резистивного квадрата ради,чльного тензорезистора уменьшаетс , В св зи с тем, что окружные и ради- альные тенз орезисторы выполнены В виде последовательно соединенных низкоомными перемычками и равномерно размещенных по периферии мембраны идентичных квадратов, то изменение сопротивлени  ок- ружных и радиальных тензорезисторов будет равно сумме изменений сопротивлений соответствующих резистивных квадратов, а также изменени  сопротивлений соответствующих резистивных квадратов раен ы меж- ду собой. Увеличение сопротивлений противоположно включенных окружных резисторов и уменьшение противоположно вклюенных радиальных резисторов преобразутс  мостовой схемой & электрический сиг ал, который поступает на выходные конакты датчика. При воздействии нестациоарной температуры измер емой среды термоудара) вследствие различных термиеских сопротивлений сравнительно тонкой ембраны и массивного опорного основаи  на мембране возникает неравномерное поле температур, фиг. 3, где приведена экспериментально определенна  зависимость распределени  температуры на планарнои стороне упругого элемента через 0.1 с после подачи на мембрану датчика давлени  жидкого азота с температурой Тс. В св зи с тем, что размеры сторон резистивиых квадратов радиальных и окружных тензорезисторов одинаковы, а все резистивные квадрать, своими наиболее удаленными от центра мембраны вершинами касаютс  границы раздела мембраны и опорного основани , то несмотр  на нестационарный характер изменени  температуры на планарнои стороне мембраны температура резистивных квадратов окружных и радиальных тензоре- (фиг. 3), измен  сь, со временем будет одинакова в каждый конкретный момент времени. Одинакова  температура радиальных и окружных тензорезисторов в каждый конкретный момент времени вызывает одинаковые изменени  сопротивлении тензорезисторов, которые вследствие включени  тензорезисторов в мостовую схему взаимно компенсируютс .

Так как радиальные деформации будут

рав.ны О при По . то с целью обеспечени  нахождени  резистивных квадратов в зоне максимального воздействи  радиал ь- ных деформаций величина разности г - . характеризующа  рассто ние от опорного основани  до точки, где радиальные деформации мен ют знак (т.е. область отрицательных сжимающих значений радиальнь.х деформаций), умен ьшена в два раза. Этим самым достигаетс  то, что резистивные квадрат располагаютс  в области максимальных отрицательных радиальных дефор . маций. В св зи с тем, что размеры резистив- нь,х квадратов существенно --«ьше радиу са мембраны, можно сказать, что, вь,брав величину размера стороны квадрата мень g (г - 4, заведомо помещают резистивные квадраты в области наибольших отрицательных радиальных Вследствие того, что окружные и ради альные тензорезисторы выполнены в виде последовательно соединенных низкоомнь.5 10 15

20

ми перемычками и равномерно размещенных по периферии мембраны идэнтичных квадратов касающихс  двум  наиболее удаленными от центра мембраны .ершина- ми границы раздела мембраны и опорного основани , а также в св зи с одинаковым количеством резистивных квадратов, мощность выдел ема  в каждом резистивном квадрате от напр жени  питани , будет одинакова и будет одинакова температура перегрева относительно опорного основани  каждого резистивного квадрата. Причем так как все резистивные квадраты непосредственно аримыкают к опорному основанию, то услови  отвода тепла от саморазогрева резистивных квадратов полностью идентичны.

Активна  температурна  погрешность датчика давлени  при воздействии нестаци- онарной температуры измер емой среды от + до температуры жидкого азота не превышает 0,6%. Датчик .Я, роватьс  при температурах до -400 С. Чув ствительность предлагаемого датчика 5 давлени  при толщине мембраны 0,2 мм и радиусе 2,5 мм при напр жении питани  b В составл ет 0,38 мВ/МПаВ.

Преимуществом конструкции  вл етс  также повышение чувствительности на 2U 0 за счет размещени  радиальных и окружных тензорезисторов в зоне максимального изменени  радиальных деформаций, а также за счет суммировани  воздействи  радиальных и тангенциальных деформации. За счет 5 повышени  чувствительности становитс  возможным при тех же самых конструктивных размерах изготавливать датчики давлени  на меньшие пределы измерени .

40

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Датчик давлени , содержащий корпус, мембрану с утоненной центральной частью радиуса г и периферийным утолщенным ос- новзнием, по которому мембрана закреплена в корпусе, окружные и радиальные тензорезисторы, закрепленные на мемора- не и соединенные перемычками и включенные соответственно в противоположные плечи измерительного моста, отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности в услови х воздействи  термоуда- па повышени  чувствительности- и теплостойкости , в нем перемычки выполнены из низкоомного материала, а тензорезисторы имеют форму квадрата и расположены по окружности, причем две вершины каждого квадрата расположены на радиусе г, количество окружных и радиальных тензорезисторов одинаково и равно отношению сопро