тонкопленочный датчик давления
Классы МПК: | G01L9/04 резисторных тензометров |
Автор(ы): | Белозубов Е.М., Педоренко Н.П. |
Патентообладатель(и): | Научно-исследовательский институт физических измерений |
Приоритеты: |
подача заявки:
1987-12-01 публикация патента:
09.08.1995 |
Использование: в измерительной технике, в частности для измерения давления с помощью тензорезисторного датчика в условиях воздействия на датчик нестационарной температуры измеряемой среды. Сущность изобретения: в датчике давления, содержащем мембрану 2 с диэлектриком 3, на котором расположены центральные тензорезисторы 4 в виде части колец, равноудаленных от контура мембраны, и периферийные тензорезисторы. Последние выполнены в виде равнобедренных трапеций, продольные оси которых расположены по радиусу мембраны с основаниями, выполненными по дуге соответствующей окружности, а малое основание совпадает с контуром мембраны, при этом ширина периферийных тензорезисторов определяется из определенного соотношения. 1 з.п. ф-лы, 4 ил. 1 табл.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5
Формула изобретения
1. ТОНКОПЛЕНОЧНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ, содержащий металлический упругий элемент в виде выполненной за одно целое с опорным основанием круглой жесткозащемленной мембраны с диэлектриком, на котором расположены симметрично относительно одной из осей мембраны центральные тензорезисторы в виде части круговых колец, равноудаленных от контура мембраны, и периферийные тензорезисторы в виде участков, симметрично расположенных относительно этой же оси, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и точности измерения, периферийные тензорезисторы выполнены в виде равнобедренных трапеций, продольные оси которых расположены по радиусу мембраны, с основаниями, выполненными по дуге соответствующей окружности, а малое основание совпадает с контуром мембраны. 2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что ширина с периферийных тензорезисторов удовлетворяет соотношению![тонкопленочный датчик давления, патент № 2041452](/images/patents/431/2041452/2041452-15t.gif)
где C0 минимальная ширина периферийного тензорезистора;
H толщина опорного основания;
R, h радиус и толщина мембраны;
Ri расстояние от центра мембраны до наибольшего основания периферийного резистора;
K коэффициент пропорциональности;
причем ширина центральных тензорезисторов равна ширине периферийных тензорезисторов в месте расположения средней линии центральных тензорезисторов, расстояние Rсл от которой до центра мембраны удовлетворяет соотношению:
![тонкопленочный датчик давления, патент № 2041452](/images/patents/431/2041452/2041452-16t.gif)
Примечание: корректировка формулы носит характер редактирования и не затрачивает существа изобретения.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к измерительной технике, в частности к тонкопленочным датчикам давления, предназначенным для измерения давления агрегатов ЖРД в условиях воздействия нестационарной и повышенной температуры измеряемой среды. Известен тонкопленочный датчик давления, содержащий вакуумированный корпус, в котором установлен металлический упругий элемент в виде колпачковой мембраны со слоями диэлектрика с тензорезисторами и теплоизолирующего покрытия, толщина которого выбирается в зависимости от соотношения толщин цилиндрической части и мембраны [1]Недостатком известной конструкции является сложность формирования теплоизолирующего покрытия. Кроме того, довольно трудно подобрать теплоизоли- рующее покрытие с требуемыми теплофизическими свойствами и необходимой стойкостью к воздействию агрессивных компонентов ракетного топлива или окислителя. Недостатком известной конструкции является также значительный перегрев тензорезисторов от тока питания особенно при воздействии повышенной температуры вследствие недостаточного теплоотвода от центральных тензорезисторов из-за большого термического сопротивления тонкой металлической мембраны. Наиболее близкими по технической сущности и достигаемому положительному эффекту к предлагаемому является тонкопленочный датчик давления, содержащий металлический упругий элемент в виде выполненной за одно целое с опорным основанием круглой жесткозащемленной мембраны с диэлектриком, на поверхности которого расположены симметрично одной из осей мембраны центральные резисторы и периферийные резисторы, выполненные в виде участков, симметрично расположенных относительно этой же оси, а также дополнительные центральные и периферийные термокомпенсационные резисторы, расположенные на расстоянии от тензорезисторов, определенном расстоянием от центра мембраны до наиболее и наименее удаленной от центра мембраны точки центрального тензорезистора [2]
Недостатком известного тонкопленочного датчика давления является значительный перегрев тензорезисторов от тока питания особенно при воздействии повышенной температуры вследствие недостаточного теплоотвода от центральных резисторов из-за большого термического сопротивления тонкой металлической мембраны. Другим недостатком известного технического решения является недостаточная чувствительность, обусловленная неоптимальной конфигурацией и неоптимальным местоположением тензорезисторов. Кроме того, аддитивная температурная погрешность при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды также весьма существенна из-за расположения центральных резисторов в зоне максимального изменения температурного поля и поля температурных деформаций на мембране. Целью изобретения является повышение точности измерения за счет уменьшения аддитивной температурной погрешности при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды путем расположения тензорезисторов в зоне минимального изменения температурного поля и поля температурных деформаций на мембране и сосредоточения большего сопротивления тензорезисторов в этой зоне, а также повышение чувствительности за счет расположения периферийных тензорезисторов в зоне максимальных радиальных деформаций и за счет расположения центральных тензорезисторов в зоне суммарного действия радиальных и тангенциальных деформаций. Для достижения этой цели усовершенствуется известный тонкопленочный датчик давления, содержащий металлический упругий элемент в виде выполненной за одно целое с опорным основанием круглой жесткозаземленной мембраны с диэлектриком, на поверхности которого расположены симметрично относительно одной из осей мембраны центральные тензорезисторы в виде части круговых колец и периферийные тензорезисторы, выполненные в виде участков, симметрично расположенных относительно этой же оси. Отличительными признаками предлагаемого тонкоплечного датчика давления является то, что в нем периферийные тензорезисторы выполнены в виде равнобедренных трапеций, расположенных вдоль радиусов мембраны, с основаниями в виде частей окружностей, центры которых совпадают с центром мембраны, и малыми основаниями, совпадающими с контуром мембраны. Отличительными признаками предлагаемого тонкопленочного датчика давления является также то, что ширина С периферийных тензорезисторов удовлетворяет соотношению
C C
![тонкопленочный датчик давления, патент № 2041452](/images/patents/431/2041452/2041452-2t.gif)
![тонкопленочный датчик давления, патент № 2041452](/images/patents/431/2041452/2041452-3t.gif)
![тонкопленочный датчик давления, патент № 2041452](/images/patents/431/2041012/183.gif)
![тонкопленочный датчик давления, патент № 2041452](/images/patents/431/2041452/2041452-4t.gif)
Н толщина опорного основания;
R радиус мембраны;
h толщина мембраны;
Ri расстояние от центра мембраны до наибольшего основания периферийного резистора;
К коэффициент пропорциональности, зависящий от геометрических размеров, электрических и теплофизических характеристик мембраны, определяемый экспериментальным путем, причем ширина центральных тензорезисторов равна ширине периферийных тензорезисторов в месте расположения средней линии центральных тензорезисторов, расстояние от которой до центра мембраны удовлетворяет соотношению
Rсл= R
![тонкопленочный датчик давления, патент № 2041452](/images/patents/431/2041452/2041452-5t.gif)
![тонкопленочный датчик давления, патент № 2041452](/images/patents/431/2041012/183.gif)
![тонкопленочный датчик давления, патент № 2041452](/images/patents/431/2041452/2041452-6t.gif)
На фиг.1 и 2 изображен предлагаемый тонкопленочный датчик давления. Он содержит металлический упругий элемент 1, из сплава 70НХБМЮ в виде выполненной за одно целое с опорным основанием круглой жесткозамещенной мембраны 2 с диэлектриком 3 толщиной 0,7-1 мкм, на поверхности котоpого расположены симметрично относительно одной из осей мембраны центральные тензорезисторы 4 и периферийные тензорезисторы 5 в виде участков, симметрично расположенных относительно этой же оси. Центральные тензорезисторы выполнены в виде части круговых колец, равноудаленных от края мембраны. Периферийные тензорезисторы выполнены в виде равнобедренных трапеций, расположенных вдоль радиусов мембраны, с основаниями в виде частей окружностей, центры которых совпадают с центром мембраны, и малыми основаниями, примыкающими к краю мембраны. Ширина периферийных тензорезистров удовлетворяет заявляемому соотношению. Ширина центральных тензорезисторов равна ширине периферийных тензорезисторов в месте расположения средней линии центральных тензорезисторов. Расстояние от средней линии центральных тензорезисторов выбрано в соотношении с заявляемым соотношением. Контактные площадки 6 выполнены из материала с малым поверхностным сопротивлением, например золота или молибдена, и предназначены для подачи на тензорезисторы напряжения питания и съема с них выходного сигнала. Перемычки 7 выполнены также из золота или молибдена и предназначены для получения замкнутой мостовой схемы. Тензорезисторы выполнены из высокостабильного материала П65ХС. Тонкопленочный датчик давления работает следующим образом. Измеряемое давление воздействует на мембрану со стороны, противоположной расположению тензосхемы. В мембране возникают напряжения и деформации, изображенные на фиг.3. Различают радиальные
![тонкопленочный датчик давления, патент № 2041452](/images/patents/431/2041034/949.gif)
![тонкопленочный датчик давления, патент № 2041452](/images/patents/431/2041034/949.gif)
![тонкопленочный датчик давления, патент № 2041452](/images/patents/431/2041034/964.gif)
![тонкопленочный датчик давления, патент № 2041452](/images/patents/431/2041034/949.gif)
ha=
![тонкопленочный датчик давления, патент № 2041452](/images/patents/431/2041452/2041452-7t.gif)
![тонкопленочный датчик давления, патент № 2041452](/images/patents/431/2041452/2041452-8t.gif)
а размер большего основания;
b размер меньшего основания. Учитывая, что сопротивление тензорезисторов обратно пропорционально их ширине, получим
a
![тонкопленочный датчик давления, патент № 2041452](/images/patents/431/2041452/2041452-9t.gif)
![тонкопленочный датчик давления, патент № 2041452](/images/patents/431/2041452/2041452-10t.gif)
ha=
![тонкопленочный датчик давления, патент № 2041452](/images/patents/431/2041452/2041452-11t.gif)
![тонкопленочный датчик давления, патент № 2041452](/images/patents/431/2041452/2041452-12t.gif)
После элементарных преобразований получим
ha=
![тонкопленочный датчик давления, патент № 2041452](/images/patents/431/2041452/2041452-13t.gif)
![тонкопленочный датчик давления, патент № 2041452](/images/patents/431/2041452/2041452-14t.gif)
Учитывая соотношения размеров, указанные на фиг. 1 и 9, получим требуемое соотношение (2). Для экспериментальной проверки заявляемого решения была изготовлена партия тонкопленочных датчиков давления со следующими параметрами: толщина опорного основания 1,5 мм, толщина мембраны 0,3 мм, радиус мембраны R 2,5 мм, длина участка периферийного тензорезистора R Ri 1 мм, минимальная ширина периферийных тензорезисторов Со 0,180 мм. Максимальная ширина периферийных тензорезисторов С1 0,24 мм, С2 0,28 мм, С3 0,32 мм, С4 0,36 мм, С5 0,40 мм, С6 0,44 мм. Соответствующие им коэффициенты равны 0,2666; 0,3111; 0,3555; 0,4; 0,4444; 0,4888. Аддитивная температурная погрешность этих датчиков при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды от 25
![тонкопленочный датчик давления, патент № 2041452](/images/patents/431/2041005/177.gif)
Класс G01L9/04 резисторных тензометров