SU1628037A1

SU1628037A1 - Weather data transducer

Info

Publication number: SU1628037A1
Application number: SU874297905A
Authority: SU
Inventors: Александр Федорович Алейников
Original assignee: Специальное Опытное Проектно-Конструкторско-Технологическое Бюро Со Васхнил
Priority date: 1987-08-24
Filing date: 1987-08-24
Publication date: 1991-02-15

Abstract

Изобретение относитс к измерительной технике и может быть использовано дл измерени метеопараметров таких как давление, температура и относительна влажность воздуха. Изобретение позвол ет уменьшить габаритные размеры датчика, упростить конструкцию и повысить чувствительность Датчик выполнен в виде общего корпуса 1 с трем интегральными тензопре- образовател ми 2, 3 и 4, на один из которых нанесен материал 6 с высоким температурным коэффициентом расширени , а на другой-материал обладающий гидродеформационными свойствами Таким образом, все измер емые величины (давление, температура, влажность) преобразуютс в перемещение, которое измер етс с помощью идентичных интегральных тензопреобразователей 2, 3 и 4, выполненных совместно с упругим элементом - мембраной. 1 ил.The invention relates to a measurement technique and can be used to measure meteorological parameters such as pressure, temperature and relative air humidity. The invention allows to reduce the overall dimensions of the sensor, simplify the design and increase the sensitivity. The sensor is made in the form of a common body 1 with three integral strain gauges 2, 3 and 4, on one of which material 6 is deposited with a high temperature expansion coefficient, and on the other material with hydrodeformational properties. Thus, all measured values (pressure, temperature, humidity) are converted into displacement, which is measured using identical integral strain gauges Lei 2, 3 and 4, performed in conjunction with the elastic element - the membrane. 1 il.

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения метеорологических параметров, таких как давление, температура и относительная влажность воздуха.The invention relates to measuring technique and can be used to measure meteorological parameters, such as pressure, temperature and relative humidity.

Целью изобретения является упрощение конструкции, уменьшение габаритных размеров и повышение чувствительности.The aim of the invention is to simplify the design, reduce overall dimensions and increase sensitivity.

На чертеже представлена конструкция датчика метеорологических параметров.The drawing shows the design of the sensor meteorological parameters.

Датчик метеорологических параметров содержит полый корпус 1, первую 2, вторую 3 и третью 4 полупроводниковые мембраны со сформированными на них тензопреобразователями (не показаны), теплопровод 5. первый слой термочувствительного материала 6, размеры которого изменяются в зависимости от изменений температуры, второй слой влагочувствительного материала 7, размеры которого изменяются в зависимости от изменений относительной влажности воздуха, токосъемник 8 с контактными площадками и электрический кабель 9. В корпусе изготовлено специальное микроотверстие 10, пропускающее молекулы воды к второму слою материала 7. Корпус 1 имеет внешнюю резьбу, предназначенную для установки его на объекте, и выполнен из теплоизоляционного материала с высокими диэлектрическими свойствами, например пластмассы. В верхней части корпуса изготовлено углубление, в которое устанавливается и закрепляется первая полупроводниковая мембрана 2, например, с помощью клея на основе эпоксидного компаунда.The meteorological parameters sensor comprises a hollow body 1, first 2, second 3 and third 4 semiconductor membranes with strain gauges formed on them (not shown), heat conduit 5. first layer of heat-sensitive material 6, the dimensions of which vary depending on temperature changes, the second layer of moisture-sensitive material 7, the dimensions of which vary depending on changes in relative humidity, a current collector 8 with contact pads and an electric cable 9. The housing is specially made pinhole 10, transmissive to water molecules second layer of material 7. The housing 1 has an external thread, adapted for mounting it on an object, and is made of thermally insulating material with high dielectric properties, such as plastic. A recess is made in the upper part of the housing, into which the first semiconductor membrane 2 is mounted and fixed, for example, using glue based on an epoxy compound.

ЕЗ качестве полупроводниковых мембран 2-4 могут быть использованы известные интегральные тензопреобразователи. изготовленные на квадратной пластине из кремния (с толщиной мембраны 10—100 мкм) за единый технологический цикл методами термической диффузии, ионной имплантации или эпитаксиального выращивания. Корпус 1 имеет отверстие, в которое установлен теплопровод 5. выполненный из материала с высокими теплопроводными свойствами, например из меди, серебра и т.п. Со стороны воздействия окружающей среды на теплопровод нанесен слой защитного покрытия (не показан), предохраняющий теплопровод от окисления в процессе эксплуатации датчика. На вторую мембрану 3 нанесен первый слой термочувствительного материала 6, выполненного, например, на основе полиэтилена, капрона, воска и т.п. Температурный коэффициент объемного расширения материала 6 должен превышать хотя бы на один порядок температурные коэффициенты объемного расширения материалов теплопровода 5, корпуса 1, мембраны 3 и клея, с помощью которого осуществляется сборка элементов датчика. На третью мембрану 4 нанесен второй слой влагочувствительного материала 7, выполненного на основе материала с гигродеформационными свойствами, например нейлона, органического вещества и т.п. Вторая 3 и третья 4 мембраны закреплены на внутренней поверхности корпуса, например, с помощью клея. При этом обеспечивается механический и тепловой контакт второй мембраны 3 (с нанесенным на нее первым слоем 6) с теплопроводником 5 и механический контакт третьей мембраны 4 (с нанесенным на нее вторым слоем материала 7) с поверхностью углубления в корпусе 1, где устанавливается мембрана 7.EZ known semiconductor membranes 2-4 can be used known integrated strain transducers. made on a square plate of silicon (with a membrane thickness of 10-100 microns) for a single technological cycle by thermal diffusion, ion implantation, or epitaxial growth. The housing 1 has an opening in which a heat conduit 5. is installed. It is made of a material with high heat-conducting properties, for example, copper, silver, etc. From the side of the environmental impact, a layer of protective coating (not shown) is applied to the heat pipe, which protects the heat pipe from oxidation during the operation of the sensor. On the second membrane 3, a first layer of heat-sensitive material 6 is applied, made, for example, on the basis of polyethylene, nylon, wax, etc. The temperature coefficient of the volume expansion of the material 6 must exceed at least one order of magnitude the temperature coefficients of the volume expansion of the materials of the heat conduit 5, the housing 1, the membrane 3 and the adhesive with which the sensor elements are assembled. On the third membrane 4, a second layer of moisture-sensitive material 7 is applied, made on the basis of a material with hygrodeformation properties, for example, nylon, organic matter, etc. The second 3 and third 4 membranes are fixed on the inner surface of the housing, for example, with glue. This ensures mechanical and thermal contact of the second membrane 3 (with the first layer 6 deposited on it) with the heat conductor 5 and mechanical contact of the third membrane 4 (with the second layer of material 7 deposited on it) with the surface of the recess in the housing 1, where the membrane 7 is installed.

Токосъемник 8 изготовлен, например, в виде шайбы из фольгированного текстолита с вытравленными химическим путем отдельными металлическими электропроводными площадками, к которым припаиваются электрические выводы тензопреобразователей мембран 2-4 и кабеля 9 (не показаны). Токосъемник 8 и электрический кабель 9 закрепля ют с я внутри корпуса, например, с помощью клея.The current collector 8 is made, for example, in the form of a foil textolite washer with chemically etched individual metal conductive pads to which the electrical leads of the strain gauges of the membranes 2-4 and cable 9 (not shown) are soldered. The current collector 8 and the electric cable 9 are secured to the inside of the housing, for example, with glue.

Последовательность сборки датчика следующая.The assembly sequence of the sensor is as follows.

Устанавливают и закрепляют теплопровод 5, вторую 3 и третью 4 мембраны. К верхней части корпуса 1 крепят первую мембрану 2. Устанавливают и закрепляют на корпусе 1 токосъемник 8. Выводы тензопреобразователей мембран 2-4 пропускают через отверстие токосъемника 8 и подпаивают к его контактным площадкам. К этим же контактным площадкам припаивают электрические выводы кабеля 9, которые пропускают через его изоляционную трубку. Трубку кабеля 9 крепят к корпусу 1, например, при помощи клея.Install and fix the heat pipe 5, second 3 and third 4 membranes. The first membrane 2 is attached to the upper part of the housing 1. The current collector is installed and fixed on the housing 1. The terminals of the membrane strain transducers 2-4 are passed through the opening of the current collector 8 and soldered to its contact pads. To the same pads solder the electrical leads of the cable 9, which are passed through its insulating tube. The cable tube 9 is attached to the housing 1, for example, with glue.

Датчик метеорологических параметров работает следующим образом.The meteorological parameters sensor operates as follows.

Под действием измеряемого давления Р мембрана 2 прогибается. Это вызывает изменение электрического сопротивления гензопреобразователя, которое преобразуется в электрическое напряжение известными методами. Изменение температуры воздуха (Т,°С) через теплопровод 5 вызывает изменение объема материала 6 за счет его теплового расширения, а следовательно. перемещение мембраны 3 и изменение сопротивления ее тензопреобразователя. Аналогично происходит процесс измерения относительной влажности воздуха ( у?,%). Влага через отверстие 10 изменяет объем материала 7 за счет гигродеформационного эффекта и вызывает перемещение мембра1628037 ны 4, а следовательно, и изменение сопротивления ее тензопреобразователя.Under the influence of the measured pressure P, the membrane 2 bends. This causes a change in the electrical resistance of the gas converter, which is converted into electrical voltage by known methods. A change in air temperature (T, ° C) through the heat conduit 5 causes a change in the volume of the material 6 due to its thermal expansion, and therefore. moving the membrane 3 and changing the resistance of its strain transducer. Similarly, the process of measuring relative air humidity (γ,%) takes place. Moisture through the opening 10 changes the volume of the material 7 due to the hygrodeformation effect and causes the membrane 4 to move, and, consequently, the resistance of its strain transducer.

Таким образом, процесс измерения давления представляет собой последовательную цепь преобразований измеряемого давления в перемещение мембраны 2, которое в свою очередь преобразуется в электрическое напряжение с помощью ее тензопреобразователя (давление - перемещение - электрическое напряжение). Процесс измерения температуры также представляет собой последовательную цепь преобразований измеряемой температуры в перемещение с помощью материала 6, которое в дальнейшем вызывает перемещение мембраны 3. Перемещение мембраны 3 преобразуется в электрическое напряжение с помощью тензопреобразователя мембраны 3 (температура - перемещение - электрическое напряжение). Аналогично описывается и последовательная цепь преобразований информационных сигналов, характеризующая процесс измерения относительной влажности воздуха (влажность - перемещение - электрическое напряжение). В качестве оконечного измерительного преобразователя в данном случае используется тензопреобрэзователь. основанный на тензоэффекте.Thus, the pressure measurement process is a serial chain of transformations of the measured pressure into the movement of the membrane 2, which in turn is converted into electrical voltage using its strain transducer (pressure - displacement - electrical voltage). The temperature measurement process is also a series of transformations of the measured temperature into displacement using material 6, which subsequently causes the displacement of the membrane 3. Displacement of the membrane 3 is converted into electrical voltage using the membrane strain transducer 3 (temperature - displacement - electrical voltage). A sequential chain of transformations of information signals describing the process of measuring relative air humidity (humidity - displacement - electrical voltage) is described similarly. In this case, a strain gauge is used as the terminal measuring transducer. based on the strain effect.

В качестве оконечною преобоатовлтеля при изготовлении датчика метеорологических параметров может использова г сч и другой преобразователь, например m ос; ный. работа которого основа!.а на п[.;остпонственно-емкостном эффекте. В этом случае чувствительный элемент для измерения давления представляет собой мембрану, защемленную в корпусе датчика, с ащ-щгт н ным на ее внутреннюю (по ион..--нию к корпусу) поверхность подвижным электродом и, например, ситалловую подложку с нанесенным на ее поверхность неподвижным электродом. При изменении давления мембрана перемещается и вызывает изме нение емкости между подвижным и неподвижным электродами, На неподвижный электрод подложки может быть нанесен слой гигрочувствительного материала, например окиси алюминия (AI2O3), на который, в свою очередь, может быть нанесен слой первого дополнительного электрода. За счет абсорбции влаги окисью алюминия ее диэлектрические характеристики изменяются. об изменении влажности можно судить по изменению емкости конденсатора, созданного структурой, состоящей из неподвижного электрода, окиси алюминия и первого дополнительного электрода.In the manufacture of a meteorological parameter sensor, a pre-preamplifier can be used with a gcc and another transducer, for example m os; ny. whose work is the basis! .a on p [.; capacitive-effect. In this case, the pressure measuring element is a membrane pinched in the sensor body, with a movable electrode on its internal (by ion ..-- to the body) surface, and, for example, a ceramic substrate deposited on it surface by a fixed electrode. When the pressure changes, the membrane moves and causes a change in the capacitance between the movable and fixed electrodes. A layer of hygro-sensitive material, for example, aluminum oxide (AI2O3), on which, in turn, a layer of the first additional electrode can be applied, can be applied to the fixed electrode of the substrate. Due to the absorption of moisture by aluminum oxide, its dielectric characteristics change. the change in humidity can be judged by the change in the capacitance of the capacitor created by the structure consisting of a fixed electrode, aluminum oxide and the first additional electrode.

Аналогично для измерения температуры на неподвижный электрод можно нане сти слой диэлектрика с высоким коэффициентом теплового расширения, на который необходимо нанести слой второго дополнительного электрода. Изменение температуры вызывает объемное расширение этого диэлектрика, а следовательно, и изменение емкости между неподвижным электродом и вторым дополнительным электродом.Similarly, to measure temperature, a dielectric layer with a high coefficient of thermal expansion can be applied to a fixed electrode, on which a second additional electrode layer must be applied. A change in temperature causes a volume expansion of this dielectric, and, consequently, a change in capacitance between the stationary electrode and the second additional electrode.

Все слои электродов, материала-диэлектрика с высоким температурным коэффициентом расширения и гигрочувствительного материала-диэлектрика (AI2O.3) могут быть нанесены с использованием методов интегральной технологии, что позволяет создать миниатюрный многофункциональный датчик метеорологических параметров. Возможно такое построение датчика метеорологических параметров, в котором в качестве оконечного преобразователя используется, например, фотоэлемент. работа которого основана на фотоэффекте. В этом случае изменение измеряемых метеорологических параметров преобразуется в перемещение, которое изменяет оптические свойства оптронной пары. состоящей из соответствующих источников и приемников излучения. Изменение оптических свойств преобразуется с помощью фотоприемников б электрический сигнал. Креме того, возможно построение датчиков метеорологических параметров не толью для измерения рассмотренных физических вели тин (давление, температура, влажность), но и для измерения других неэчютрических величин, например интенсивности союечню радиации. В этом случае, если нанести на слой материала, размеры которого изменяются в зависимости от изменения темпера.уры, слой вещества, поглощаю цею энергию этого электромагнитного излучения, изменение энергии вызывает изменение температуры материала, что приводит к изменению его объема, а изменение объема вызывает изменение перемещения мембраны и т.п.All layers of electrodes, a dielectric material with a high temperature coefficient of expansion and a hygro-sensitive dielectric material (AI2O.3) can be deposited using integrated technology methods, which makes it possible to create a miniature multifunctional meteorological parameters sensor. Such a construction of a meteorological parameter sensor is possible, in which, for example, a photocell is used as a terminal converter. whose work is based on the photoelectric effect. In this case, a change in the measured meteorological parameters is converted into a movement that changes the optical properties of the optocoupler pair. consisting of appropriate radiation sources and receivers. The change in optical properties is converted using photodetectors using an electrical signal. In addition, it is possible to construct meteorological parameters sensors not only for measuring the physical values considered (pressure, temperature, humidity), but also for measuring other non-eccentric quantities, for example, radiation intensity. In this case, if you apply a layer of material, the dimensions of which vary with temperature, the substance layer absorbs the energy of this electromagnetic radiation, a change in energy causes a change in the temperature of the material, which leads to a change in its volume, and a change in volume causes a change membrane movements, etc.

Таким образом, возможны различные виды построения датчиков метеорологических параметров. Выбор видов преобразований информационных сигналов при измерении конкретных величин и количества измерительных преобразователей в их последовательной цепи осуществляется из условия минимизации потерь информации о каждой измеряемой величине при построении датчика. Этот выбор може- осуществляться расчетным или экспериментальным путем при проектировании конкретных многофункциональных датчиков, предназнаΊ ченных для измерения нескольких физических величин или параметров.Thus, various types of construction of sensors for meteorological parameters are possible. The choice of the types of transformations of information signals when measuring specific quantities and the number of measuring transducers in their serial circuit is carried out from the condition of minimizing the loss of information about each measured quantity during the construction of the sensor. This choice can be made by calculation or experimentally when designing specific multifunction sensors designed to measure several physical quantities or parameters.

Claims

Claim

A meteorological parameters sensor comprising a housing in which pressure, temperature and air humidity transducers are installed, characterized in that, in order to simplify the design, reduce overall dimensions and increase sensitivity, the housing is made in the form of a hollow cylinder, the pressure transducer is in the form of the first a semiconductor membrane with strain gauges, a temperature transducer - in the form of a second semiconductor membrane with a strain gauge mounted on the inner wall of the cylinder, on the surface of A hole is formed that faces the cylinder wall and is filled with a heat-sensitive material with a high temperature coefficient of linear expansion 5, and a heat-conducting rod installed in the cylinder wall and in contact with the heat-sensitive material, and a humidity transducer - in the form of a third semiconductor membrane mounted on the cylinder’s inner wall with strain gauges, on the surface of which a recess is formed, facing the cylinder wall and filled with moisture-sensitive hygrodeforms 15 material, while in the wall of the housing a through hole is made associated with a moisture-sensitive material.