Claims (13)
1. Способ измерений физических величин пьезорезистивными преобразователями, заключающийся в том, что на преобразователь воздействуют сосредоточенной или распределенной силой, пропорциональной измеряемой величине, деформируют тензорезисторы и регистрируют выходной сигнал с тензосхемы преобразователя, отличающийся тем, что силой воздействуют на поверхности тензорезисторов (хотя бы одного тензорезистора), так что нормальные и/или сдвиговые механические напряжения TZZ, TZX, TZY в деформируемых тензорезисторах (для оси Z, перпендикулярной плоскости пластины, в/на которой сформированы тензорезисторы, и осей Х и Y, лежащих в плоскости пластины) являются определяющими (доминирующими) в изменении сопротивлений тензорезисторов и формировании выходного сигнала, а усилия, прикладываемые к отдельным тензорезисторам, равномерно распределяют по их поверхности (площади).1. The method of measuring physical quantities by piezoresistive transducers, which consists in the fact that the transducer is subjected to a concentrated or distributed force proportional to the measured value, the strain gauges are deformed and the output signal from the transducer circuit is recorded, characterized in that they act on the surface of the strain gauges (at least one strain gauge) ), so that the normal and / or shear mechanical stresses T ZZ , T ZX , T ZY in deformable strain gauges (for the Z axis perpendicular the plane of the plate in / on which the strain gages are formed, and the axes X and Y lying in the plane of the plate) are determining (dominant) in changing the resistance of the strain gages and the formation of the output signal, and the forces applied to the individual strain gages are evenly distributed over their surface (areas )
2. Способ измерений физических величин пьезорезистивными преобразователями по п.1, отличающийся тем, что точку приложения силы, воздействующей на группу деформируемых тензорезисторов, смещают относительно области расположения группы деформируемых тензорезисторов, так что на группу деформируемых тензорезисторов действует изгибающий момент, и результат его воздействия является определяющим (доминирующим) в изменении сопротивлений тензорезисторов и формировании выходного сигнала тензосхемы.2. The method of measuring physical quantities by the piezoresistive transducers according to claim 1, characterized in that the point of application of the force acting on the group of deformable strain gages is shifted relative to the area of the group of deformable strain gages, so that a bending moment acts on the group of deformable strain gages, and the result of its action is determining (dominant) in changing the resistance of the strain gages and the formation of the output signal of the strain gauge.
3. Пьезорезистивный преобразователь, содержащий пластину со сформированными в ней (на ней) тензорезисторами, отличающийся тем, что над поверхностью пластины со стороны тензорезисторов расположена дополнительная структура, соединенная (контактирующая) с поверхностью тензорезисторов, воздействующая на группу деформируемых тензорезисторов (на поверхность тензорезисторов), соединенных (контактирующих) со структурой, силой, пропорциональной измеряемой величине, участки пластины или/и структуры, граничащие с тензорезисторами, заглублены, так что тензорезисторы, соединенные своей поверхностью со структурой, или/и участки структуры, контактирующие с тензорезисторами, имеют вид мезаструктур, т.е. выступают относительно прилегающих к ним участков пластины или/и структуры.3. A piezoresistive transducer containing a plate with strain gauges formed in it (on it), characterized in that an additional structure is located above the surface of the plate from the side of the strain gauges, connected (in contact) with the surface of the strain gauges, acting on the group of deformable strain gauges (on the surface of the strain gauges), connected (in contact) with the structure, with a force proportional to the measured value, the plate sections and / or structures adjacent to the strain gauges are buried, so that the strain gauges connected by their surface to the structure, or / and the sections of the structure in contact with the strain gauges, have the form of mesastructures, i.e. protrude relative to adjacent portions of the plate or / and structure.
4. Пьезорезистивный преобразователь по п.3, отличающийся тем, что структура (или хотя бы ее нижний слой, прилегающий к тензорезисторам) выполнена заодно с пластиной и тензорезисторами, т.е. собственно пластина, тензорезисторы и соединенная с ними структура (или хотя бы ее нижний слой, прилегающий к тензорезисторам) сформированы из одной цельной заготовки.4. The piezoresistive converter according to claim 3, characterized in that the structure (or at least its lower layer adjacent to the strain gauges) is made integral with the plate and strain gauges, i.e. the plate itself, strain gauges and the structure connected with them (or at least its lower layer adjacent to the strain gauges) are formed from one solid piece.
5. Пьезорезистивный преобразователь по п.3, отличающийся тем, что тензорезисторы тензосхемы, соединенные в мост Уитстона (или дифференциально, т.е. в полумост), одинаково ориентированы параллельно друг другу и расположены у вершин условного прямоугольника так, что два тензорезистора, образующие противоположные плечи моста (для полумоста тензорезистор, образующий плечо полумоста, либо два тензорезистора, соединенные последовательно и образующие плечо полумоста), расположены на одной стороне прямоугольника у его смежных вершин и ориентированы параллельно этой стороне, а два других тензорезистора (для полумоста тензорезистор, образующий смежное плечо полумоста, либо два тензорезистора, соединенные последовательно и образующие смежное плечо полумоста) расположены на противоположной стороне прямоугольника аналогичным образом.5. The piezoresistive transducer according to claim 3, characterized in that the strain gages of the strain gauge connected to the Wheatstone bridge (or differentially, that is, into a half-bridge) are equally oriented parallel to each other and are located at the vertices of the conditional rectangle so that two strain gages forming opposite shoulders of the bridge (for a half-bridge the strain gage forming the shoulder of the half-bridge, or two strain gages connected in series and forming the shoulder of the half-bridge) are located on one side of the rectangle at its adjacent vertices and are oriented They are parallel to this side, and two other strain gages (for a half-bridge, a strain gauge forming an adjacent half-bridge arm, or two strain gauges connected in series and forming an adjacent half-bridge shoulder) are located in the same way on the opposite side of the rectangle.
6. Пьезорезистивный преобразователь по п.5, отличающийся тем, что, с целью защиты преобразователя от значительно превышающих диапазон измерений воздействий измеряемой величины, в пластине сформирован соединенный (контактирующий) со структурой выступ (мезаструктура), например, прямоугольный, симметричный относительно центра условного прямоугольника, площадь выступа существенно (в несколько раз) больше суммарной площади группы деформируемых тензорезисторов, выступ ориентирован так же, как и условный прямоугольник, длина выступа (его размер в направлении, параллельном сторонам условного прямоугольника, на которых расположены тензорезисторы) существенно (в несколько раз) больше длины сторон условного прямоугольника, на которых расположены тензорезисторы, а его ширина существенно (в несколько раз) меньше ширины условного прямоугольника (длины сторон без тензорезисторов).6. The piezoresistive transducer according to claim 5, characterized in that, in order to protect the transducer from significantly exceeding the measuring range of the effects of the measured value, a protrusion (mesastructure) connected to the structure is formed in the plate, for example, rectangular, symmetrical relative to the center of the conditional rectangle , the protrusion area is significantly (several times) larger than the total area of the group of deformable strain gauges, the protrusion is oriented in the same way as the conditional rectangle, the protrusion length (its time ep in the direction parallel to the sides of the conditional rectangle on which the strain gages are located) is significantly (several times) longer than the sides of the conditional rectangle on which the strain gages are located, and its width is significantly (several times) less than the width of the conditional rectangle (lengths of the sides without strain gages) .
7. Пьезорезистивный преобразователь по п.6, отличающийся тем, что для дополнительного повышения прочности в поперечном направлении выступ (мезаструктура) в центре условного прямоугольника выполнен раздвоенным и обе его половины расположены симметрично относительно центра условного прямоугольника.7. The piezoresistive transducer according to claim 6, characterized in that to further increase the strength in the transverse direction, the protrusion (mesastructure) in the center of the conditional rectangle is bifurcated and both halves are located symmetrically relative to the center of the conditional rectangle.
8. Пьезорезистивный преобразователь по п.5, отличающийся тем, что, с целью защиты преобразователя от значительно превышающих диапазон измерений воздействий измеряемой величины, расстояние от центра условного прямоугольника до краев структуры в одном или в обоих направлениях (параллельных сторонам условного прямоугольника) существенно (в несколько раз) превышает ширину условного прямоугольника (длину сторон без тензорезисторов).8. The piezoresistive transducer according to claim 5, characterized in that, in order to protect the transducer from significantly exceeding the measuring range of the effects of the measured quantity, the distance from the center of the conditional rectangle to the edges of the structure in one or both directions (parallel to the sides of the conditional rectangle) is significant (in several times) exceeds the width of the conditional rectangle (the length of the sides without strain gauges).
9. Пьезорезистивный преобразователь по п.5 (акселерометр, измеряющий ускорения, перпендикулярные плоскости пластины), отличающийся тем, что структура консольно подвешена на соединенных (контактирующих) с ней тензорезисторах, тензорезисторы расположены с одной стороны от центра тяжести структуры так, что стороны условного прямоугольника, на которых лежат тензорезисторы, перпендикулярны прямой, соединяющей центр тяжести структуры и центр условного прямоугольника, расстояние от центра тяжести структуры до центра условного прямоугольника не меньше удвоенной ширины условного прямоугольника (длины сторон без тензорезисторов), а длина сторон условного прямоугольника, на которых находятся тензорезисторы, существенно (в несколько раз) больше длины сторон без тензорезисторов.9. The piezoresistive transducer according to claim 5 (accelerometer measuring accelerations perpendicular to the plane of the plate), characterized in that the structure is cantilever suspended on the strain gages connected (in contact) with it, the strain gages are located on one side of the center of gravity of the structure so that the sides of the conditional rectangle on which the strain gages lie are perpendicular to the straight line connecting the center of gravity of the structure and the center of the conditional rectangle, the distance from the center of gravity of the structure to the center of the conditional rectangle not less than twice the width of the conditional rectangle (length of the sides without strain gauges), and the length of the rectangle sides conditional on which strain gauges are substantially (several times) larger than the length of the sides without the strain gauges.
10. Пьезорезистивный преобразователь по п.5 (акселерометр, измеряющий ускорения, параллельные плоскости пластины), отличающийся тем, что центр тяжести структуры расположен над центром условного прямоугольника на расстоянии от него (то есть от поверхности пластины), во всяком случае, не меньшем его ширины (длины сторон условного прямоугольника без тензорезисторов), стороны условного прямоугольника, на которых расположены тензорезисторы, перпендикулярны направлению, вдоль которого измеряется ускорение, а длина сторон условного прямоугольника, на которых находятся тензорезисторы, существенно (в несколько раз) превышает длину сторон без тензорезисторов.10. The piezoresistive transducer according to claim 5 (accelerometer measuring accelerations parallel to the plane of the plate), characterized in that the center of gravity of the structure is located above the center of the conditional rectangle at a distance from it (that is, from the surface of the plate), at least not less than the width (the lengths of the sides of the conditional rectangle without strain gages), the sides of the conditional rectangle on which the strain gages are located are perpendicular to the direction along which the acceleration is measured, and the length of the sides of the conditional rectangular ika on which strain gauges are substantially (several times) greater than the length of the sides without the strain gauges.
11. Пьезорезистивный преобразователь по п.5 (двухосный акселерометр, измеряющий две компоненты ускорения, параллельные плоскости пластины), отличающийся тем, что условный прямоугольник выполнен в виде квадрата, центр тяжести структуры расположен над центром квадрата на расстоянии от него (то есть от поверхности пластины), во всяком случае, не меньшем его стороны, стороны квадрата ориентированы вдоль направлений измеряемых компонент ускорения, а на пластине сформированы две тензосхемы, расположенные на двух противоположных сторонах квадрата каждая.11. The piezoresistive transducer according to claim 5 (biaxial accelerometer measuring two acceleration components parallel to the plane of the plate), characterized in that the conditional rectangle is made in the form of a square, the center of gravity of the structure is located above the center of the square at a distance from it (that is, from the surface of the plate ), in any case, no less than its side, the sides of the square are oriented along the directions of the measured acceleration components, and two tensor diagrams are formed on the plate located on two opposite sides of the quad ata each.
12. Пьезорезистивный преобразователь по п.5 (датчик давления, тактильный датчик, …), отличающийся тем, что структура частично или полностью соединена с пластиной по периметру, в структуре или/и в пластине сформированы утоненные гибкие области, отделяющие жесткую область в центральной части структуры или/и пластины от ее жесткого периметра, центр условного прямоугольника, расположенного на пластине на жесткой области (или под жесткой областью, если она сформирована только в структуре), удален от центра тяжести жесткой области как геометрической фигуры на расстояние, не меньшее удвоенной ширины условного прямоугольника (длины сторон без тензорезистров), стороны условного прямоугольника, на которых расположены тензорезисторы, перпендикулярны прямой, соединяющей центр условного прямоугольника и центр тяжести жесткой области как геометрической фигуры, причем в случае формирования утоненных гибких областей и в структуре, и в пластине, они, как и жесткая область в центре структуры или/и пластины, выполнены одинаковой формы и расположены друг над другом.12. The piezoresistive transducer according to claim 5 (pressure sensor, tactile sensor, ...), characterized in that the structure is partially or completely connected to the plate along the perimeter, thinned flexible regions are formed in the structure and / or in the plate, separating the rigid region in the central part of the structure and / or plate from its rigid perimeter, the center of the conditional rectangle located on the plate on the rigid region (or under the rigid region, if it is formed only in the structure), is removed from the center of gravity of the rigid region as geometric of the shape to a distance not less than twice the width of the conditional rectangle (the length of the sides without strain gauges), the sides of the conditional rectangle on which the strain gages are located are perpendicular to the straight line connecting the center of the conditional rectangle and the center of gravity of the rigid region as a geometric figure, and in the case of the formation of thinned flexible regions both in the structure and in the plate, they, like the rigid region in the center of the structure and / or plate, are made of the same shape and are located one above the other.
13. Пьезорезистивный преобразователь по п.5 (датчик давления, тактильный датчик, …), отличающийся тем, что для повышения стабильности характеристик структура частично или полностью соединена с пластиной по периметру, в структуре или/и в пластине сформированы утоненные гибкие области, отделяющие сформированные в центральной части структуры или/и пластины две одинаковые симметричные относительно центра структуры и пластины жесткие области друг от друга и от ее жесткого периметра, причем в случае формирования утоненных гибких областей и в структуре, и в пластине, они, как и жесткие области в центре структуры или/и пластины, выполнены одинаковой формы и расположены друг над другом, в каждой жесткой области пластины расположен условный прямоугольник, причем его центр расположен на расстоянии от центра тяжести жесткой области как геометрической фигуры, не меньшем удвоенной ширины условного прямоугольника (длины сторон без тензорезистров), условные прямоугольники расположены на жестких областях симметрично друг другу относительно центра структуры и пластины, стороны условных прямоугольников, на которых расположены тензорезисторы, ориентированы перпендикулярно прямой, соединяющей центры условных прямоугольников, причем в каждом условном прямоугольнике расположены два или четыре тензорезистора, и тензорезисторы, расположенные симметрично относительно центра структуры и пластины в разных условных прямоугольниках (разных жестких областях), образуют противоположные плечи моста (одно плечо полумоста).
13. The piezoresistive transducer according to claim 5 (pressure sensor, tactile sensor, ...), characterized in that to increase the stability of the characteristics, the structure is partially or completely connected to the plate around the perimeter, thinned flexible areas are formed in the structure and / or in the plate separating the formed in the central part of the structure and / or the plate, two hard regions are identical, symmetrical with respect to the center of the structure and the plate, from each other and from its rigid perimeter, and in the case of the formation of thinned flexible regions and in the structure, and in the plate, they, like the hard regions in the center of the structure or / and the plate, are made of the same shape and are located one above the other, a conditional rectangle is located in each hard region of the plate, and its center is located at a distance from the center of gravity of the hard region as a geometric figure not less than twice the width of the conditional rectangle (lengths of the sides without strain gauges), conditional rectangles are located on hard regions symmetrically to each other relative to the center of the structure and plate, the sides are arbitrary x the rectangles on which the strain gages are located are oriented perpendicular to the straight line connecting the centers of the conditional rectangles, moreover, in each conditional rectangle there are two or four strain gages, and the strain gages located symmetrically with respect to the center of the structure and the plate in different conditional rectangles (different rigid areas) form opposite shoulders of the bridge (one half-bridge shoulder).