RU2397460C1 - Pressure sensor based on tensoresistor thin-film nano- and micro-electromechanical system - Google Patents
Pressure sensor based on tensoresistor thin-film nano- and micro-electromechanical system Download PDFInfo
- Publication number
- RU2397460C1 RU2397460C1 RU2009120791/28A RU2009120791A RU2397460C1 RU 2397460 C1 RU2397460 C1 RU 2397460C1 RU 2009120791/28 A RU2009120791/28 A RU 2009120791/28A RU 2009120791 A RU2009120791 A RU 2009120791A RU 2397460 C1 RU2397460 C1 RU 2397460C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- membrane
- strain
- thin
- radial
- film
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления в условиях воздействия нестационарных температур (термоудара) измеряемой среды.The present invention relates to measuring technique and can be used to measure pressure under the influence of unsteady temperatures (thermal shock) of the measured medium.
Известны датчики давления с тензорезисторами, расположенными на мембране в радиальном направлении и соединенными в мостовую измерительную цепь [1, 2]. Недостатком таких датчиков является низкая точность в условиях воздействия нестационарных температур (термоудара) измеряемой среды. Это связано с появлением градиента температуры по радиусу мембраны, наличием температурного коэффициента сопротивления тензорезисторов, неравномерного нагрева тензорезисторов и его частей. В результате появляется разбаланс мостовой измерительной цепи, не связанный с измеряемым давлением, точность измерения давления резко снижается. Погрешность от воздействия термоудара может достигать 30-60%, тогда как в обычных условиях обеспечивается погрешность 0,5-1,5%.Known pressure sensors with strain gauges located on the membrane in the radial direction and connected to a bridge measuring circuit [1, 2]. The disadvantage of such sensors is the low accuracy under the influence of unsteady temperatures (thermal shock) of the medium being measured. This is due to the appearance of a temperature gradient along the radius of the membrane, the presence of the temperature coefficient of resistance of the strain gauges, uneven heating of the strain gauges and its parts. As a result, an imbalance of the bridge measuring circuit appears, which is not related to the measured pressure, the accuracy of the pressure measurement is sharply reduced. The error from the effects of thermal shock can reach 30-60%, while under normal conditions, an error of 0.5-1.5% is provided.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является датчик давления [3], основой которого является тензорезисторная тонкопленочная нано- и микроэлектромеханическая система (НиМЭМС) с гетерогенной структурой. Под гетерогенными структурами в общем смысле понимают структуры, разнородные по своему составу или происхождению (принадлежности к той или иной форме, типу, группе, классу, системе). Датчики такого типа относятся к изделиям нано- и микросистемной техники [4].The closest in technical essence to the proposed solution is a pressure sensor [3], the basis of which is a thin-film strain gauge nano- and microelectromechanical system (NIMEMS) with a heterogeneous structure. By heterogeneous structures in the general sense we mean structures that are heterogeneous in their composition or origin (belonging to one form or another, type, group, class, system). Sensors of this type relate to products of nano- and microsystem technology [4].
Датчик давления [3] содержит вакуумированный корпус 1 (фиг.1), тензорезисторную тонкопленочную нано- и микроэлектромеханическую систему, состоящую из упругого элемента в виде круглой жесткозащемленной мембраны 2, выполненной за одно целое с основанием 3, на которой расположены соединенные в мостовую схему окружные 4 и радиальные 5 тензорезисторы. Они выполнены в виде соединенных низкоомными перемычками 6 и равномерно размещенных по периферии мембраны идентичных тензоэлементов 7. Каждый из них касается двумя вершинами 8 границы 9 мембраны. Диэлектрик 10 выполнен в виде тонкопленочной структуры Cr-SiO-SiO2, тензоэлементы 7 - в виде структуры Х20Н75Ю, перемычки 6 - в виде структуры V-Au.The pressure sensor [3] contains a vacuum housing 1 (Fig. 1), a thin-film strain gauge nano- and microelectromechanical system consisting of an elastic element in the form of a round rigidly-clamped
Поскольку тензоэлементы идентичны и находятся на периферии мембраны на одинаковом расстоянии от ее центра, то, несмотря на нестационарный характер изменения температуры (Ti) на планарной стороне мембраны температуры тензоэлементов окружных и радиальных тензорезисторов, изменяясь, со временем будут одинаковы в каждый момент времени. Одинаковая температура радиальных и окружных тензорезисторов в каждый момент времени вызывает практически одинаковые изменения сопротивлений тензорезисторов, которые вследствие включения тензорезисторов в мостовую схему взаимно компенсируются.Since the strain gauges are identical and are on the periphery of the membrane at the same distance from its center, despite the unsteady nature of the temperature change (T i ) on the planar side of the membrane, the temperature of the strain gauges of the circumferential and radial strain gauges, changing, will be the same at each time point. The identical temperature of the radial and circumferential strain gages at each moment of time causes almost the same changes in the resistance of the strain gages, which due to the inclusion of the strain gages in the bridge circuit are mutually compensated.
Недостатком известной конструкции является сравнительно большая нелинейность измерительной цепи, которая обусловлена тем, что расположенные на периферии мембраны окружные и радиальные тензорезисторы неодинаково деформируются. Окружные тензорезисторы, находящиеся на периферии мембраны, испытывают меньшие деформации (окружные, εφ), чем испытывают деформации (радиальные, εr) радиальные тензорезисторы. Вследствие этого происходит неодинаковое изменение сопротивлений тензорезисторов смежных плеч мостовой измерительной цепи. Появляется погрешность от нелинейности.A disadvantage of the known design is the relatively large non-linearity of the measuring circuit, which is due to the fact that the circumferential and radial strain gauges located on the periphery of the membrane are not uniformly deformed. District strain gages located on the periphery of the membrane experience less strain (circumferential, ε φ ) than they experience strain (radial, ε r ) radial strain gages. As a result of this, an unequal change in the resistances of the strain gauges of adjacent arms of the bridge measuring circuit occurs. An error appears from non-linearity.
Между деформациями и приложенным давлением существует связь (функция преобразования) [1]:Between deformations and applied pressure there is a connection (transformation function) [1]:
где x - текущая координата радиуса; rM - радиус мембраны; Е - модуль упругости материала мембраны; µ - коэффициент Пуассона; Вφ, Br - конструктивные коэффициенты чувствительности мембраны к давлению для случаев использования окружных и радиальных деформаций; Sφ, Sr - чувствительности мембраны при использовании окружных и радиальных деформаций соответственно.where x is the current coordinate of the radius; r M is the radius of the membrane; E is the elastic modulus of the membrane material; µ is the Poisson's ratio; In φ , B r - design coefficients of the sensitivity of the membrane to pressure for cases of use of circumferential and radial deformations; S φ , S r - membrane sensitivity when using circumferential and radial deformations, respectively.
Как показывают выражения (1) и (2) функция преобразования определяется геометрическими размерами мембраны (радиусом и толщиной), характеристикой материала (модулем упругости) и коэффициентом Пуассона и зависит от того, какая деформация (радиальная или окружная) используется в качестве рабочей. Кроме того, она зависит от величины текущего радиуса.As expressions (1) and (2) show, the transformation function is determined by the geometric dimensions of the membrane (radius and thickness), the material characteristic (elastic modulus) and the Poisson's ratio and depends on what deformation (radial or circumferential) is used as the working one. In addition, it depends on the size of the current radius.
Как видно из формул (1) и (2) функция преобразования прямо пропорциональна конструктивным коэффициентам чувствительности мембраны к давлению для случаев использования окружных и радиальных деформаций:As can be seen from formulas (1) and (2), the conversion function is directly proportional to the design coefficients of the pressure sensitivity of the membrane for cases of circumferential and radial deformations:
Приняв µ=0,3 (так как для изготовления упругих элементов обычно используются металлы), можно получить зависимости коэффициентов Bφ и B r от текущего радиуса мембраны, которые представлены на фиг.2.Taking µ = 0.3 (since metals are usually used for the manufacture of elastic elements), it is possible to obtain the dependences of the coefficients B φ and B r on the current membrane radius, which are presented in FIG. 2.
Из фиг.2 видно, что у мембраны имеются три зоны деформаций. Одна зона расположена в пределах 
Очевидно, что при расположении окружных и радиальных тензорезисторов на периферии мембраны в области различных по величине относительных деформаций εφ и εr, относительные изменения сопротивлений окружных и радиальных тензорезисторов будут различны. При этом возникает нелинейность измерительной цепи датчика, которая зависит от коэффициента симметрии k и относительных изменений сопротивлений плеч измерительной цепи ε1, ε2, ε3, ε4 [5]. На фиг.3 показан измерительный мост с тензорезисторами R1, R2, R3 и R4, которым соответствуют относительные изменения сопротивлений ε1 ε2, ε3, ε4 при воздействии деформаций.Obviously, when the circumferential and radial strain gauges are located on the periphery of the membrane in the region of different relative strains ε φ and ε r , the relative changes in the resistances of the circumferential and radial strain gauges will be different. In this case, non-linearity of the measuring circuit of the sensor arises, which depends on the symmetry coefficient k and the relative changes in the arm resistances of the measuring circuit ε 1 , ε 2 , ε 3 , ε 4 [5]. Figure 3 shows a measuring bridge with strain gauges R1, R2, R3 and R4, which correspond to the relative changes in the resistances ε 1 ε 2 , ε 3 , ε 4 under the influence of deformations.
Для тензорезисторных датчиков, у которых относительное изменение сопротивления одного плеча обычно не превышает 0,01, при k=1 величина нелинейности составляет ~0,3÷0,6%, если рабочими являются два плеча.For strain gauge sensors, in which the relative change in the resistance of one arm usually does not exceed 0.01, for k = 1 the magnitude of the nonlinearity is ~ 0.3–0.6% if two arms are working.
Таким образом, в прототипе при размещении тензорезисторов на периферии мембраны возникает погрешность от нелинейности измерительной цепи, которая обусловлена возникновением несимметрии сопротивлений и различием относительных изменений сопротивлений окружных и радиальных тензорезисторов при деформациях мембраны, так как восприятие относительных деформаций радиальными и окружными тензоэлементами отличаются друг от друга.Thus, in the prototype when placing strain gages on the periphery of the membrane, an error arises from the nonlinearity of the measuring circuit, which is caused by the appearance of asymmetry of the resistances and the difference in the relative changes in the resistances of the circumferential and radial strain gauges during membrane deformations, since the perception of relative deformations by radial and circumferential strain gauges differs from each other.
Недостатком известной конструкции является также и то, что при расположении окружных и радиальных тензорезисторов на периферии мембраны температурные деформации окружных (ετ(T)) и радиальных (εr(T)) тензорезисторов при воздействии нестационарных температур (термоудара) различны. Так в начальный момент времени при заполнении приемной полости датчика жидкостью с температурой, отличающейся от температуры датчика, возникает неравномерное температурное поле по поверхности мембраны. Градиент температуры между центром мембраны и ее периферией в первые секунды с момента начала действия термоудара может превышать десятки градусов [6]. При воздействии криогенных температур происходит сжатие центральной части мембраны, которое влечет за собой растяжение радиальных тензорезисторов, установленных на периферии мембраны. При этом, вследствие разной ориентации относительно радиуса мембраны сопротивления окружных и радиальных тензоэлементов меняются на разные величины. В результате возникает температурная погрешность, обусловленная различным восприятием тензоэлементов температурных деформаций мембраны.A disadvantage of the known construction is also that when the circumferential and radial strain gauges are located on the periphery of the membrane, the temperature deformations of the circumferential (ε τ (T)) and radial (ε r (T)) strain gauges under the influence of non-stationary temperatures (thermal shock) are different. So at the initial time when filling the receiving cavity of the sensor with a liquid with a temperature different from the temperature of the sensor, an uneven temperature field appears on the membrane surface. The temperature gradient between the center of the membrane and its periphery in the first seconds from the start of the thermal shock can exceed tens of degrees [6]. Under the influence of cryogenic temperatures, the central part of the membrane is compressed, which entails the stretching of the radial strain gauges installed on the periphery of the membrane. Moreover, due to different orientations relative to the membrane radius, the resistances of the circumferential and radial strain elements change by different values. As a result, a temperature error arises due to different perceptions of the tensile elements of membrane temperature deformations.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности измерения путем улучшения линейности выходной характеристики в условиях воздействия нестационарных температур (термоудара) измеряемой среды за счет расположения окружных тензорезисторов в зонах, одинаковых по величине интегральных положительных деформаций, равных по модулю интегральным отрицательным деформациям зон, в которых расположены радиальные тензорезисторы. Кроме того, задачей предлагаемого изобретения является повышение точности измерения путем уменьшения температурной погрешности, обусловленной температурными деформациями мембраны при воздействии нестационарных температур, за счет расположения окружных и радиальных тензорезисторов в зонах, близких по величине интегральных температурных деформаций и компенсации влияния температурных деформаций мембраны в мостовой измерительной цепи.The objective of the invention is to increase the accuracy of measurement by improving the linearity of the output characteristic under the influence of unsteady temperatures (thermal shock) of the medium being measured due to the location of the circumferential strain gages in the zones with the same integral positive deformations, equal in absolute value to the integral negative deformations of the zones in which the radial strain gages are located . In addition, the objective of the invention is to improve the measurement accuracy by reducing the temperature error due to thermal deformations of the membrane under the influence of unsteady temperatures, due to the location of circumferential and radial strain gauges in areas close to the integral temperature deformations and compensation for the influence of temperature deformations of the membrane in the bridge measuring circuit .
Поставленная задача достигается тем, что в датчике давления на основе тензорезисторной тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системы (НиМЭМС), содержащем корпус, установленную в нем НиМЭМС, состоящую из упругого элемента - мембраны, жестко заделанной по контуру, сформированной на ней гетерогенной структуры из тонких пленок материалов, герметизирующей контактной колодки, соединительных проводников, в которой образованные в гетерогенной структуре тензорезисторы, установленные по дуге окружности и в радиальном направлении, состоят из идентичных тензоэлементов в форме квадратов, соединенных тонкопленочными перемычками, включенными в измерительный мост, центры окружных и радиальных тензоэлементов размещены по окружности, радиус которой r0 определен по соотношению: 
Датчик давления содержит корпус 1 со штуцером 2 (фиг.4), установленную в нем тензорезисторную тонкопленочную нано- и микроэлектромеханическую систему (НиМЭМС) 3, выводные проводники 4, кабельную перемычку 5. Тензорезисторная тонкопленочная НиМЭМС 3 представляет собой конструктивно законченный модуль, обеспечивающий высокую технологичность сборки датчика.The pressure sensor contains a
На фиг.5 отдельно показана тензорезисторная тонкопленочная нано- и микроэлектромеханическая система (НиМЭМС) датчика. Она состоит из упругого элемента - круглой мембраны 6, жестко заделанной по контуру, с периферийным основанием 7 за границей 8 мембраны, гетерогенной структуры 9, контактной колодки 10, герметизирующей втулки 11, соединительных проводников 12, выводных колков 13, диэлектрических втулок 14. Гетерогенная структура 9 из тонких пленок материалов (тонкопленочные диэлектрические, тензорезистивные, контактные и т.п. слои материалов) сформирована на мембране 6 методами нано- и микроэлектронной технологии.Figure 5 separately shows the thin-film strain gauge nano- and microelectromechanical system (NIMEMS) of the sensor. It consists of an elastic element - a
К примеру, гетерогенная структура 9 состоит из четырех нано- и микроразмерных слоев, сформированных на металлической мембране 6 (в качестве материала мембраны может быть сталь 36НХТЮ) с высотой микронеровностей не более 50-100 нм (при высоте микронеровностей мембраны более 100 нм становится принципиально невозможным получение устойчивых тонкопленочных структур, а следовательно, и новых качественных показателей, характерных для датчика).For example, a
Первый слой - подслой диэлектрика. Подслой диэлектрика, во-первых, служит демпфером между упругим элементом и диэлектриком для снятия температурных напряжений, возникающих в процессе напыления, а, во-вторых, обеспечивает адгезию диэлектрической пленки с материалом упругого элемента. Толщина подслоя равна 150-300 нм. Материалом подслоя диэлектрика может быть хром, Cr.The first layer is the dielectric sublayer. The dielectric sublayer, firstly, serves as a damper between the elastic element and the dielectric to relieve temperature stresses arising during the deposition process, and, secondly, ensures the adhesion of the dielectric film with the material of the elastic element. The thickness of the sublayer is 150-300 nm. The material of the dielectric sublayer may be chromium, Cr.
Второй - диэлектрический слой. Его задачей является обеспечение электрической изоляции между тензосхемой и упругим элементом в широком диапазоне температур. Поэтому к диэлектрику предъявляются жесткие требования по пористости, высокому удельному сопротивлению и в связи с тем, что он работает при воздействии значительных механических нагрузок, высоким прочностным характеристикам. В качестве диэлектрического слоя может быть тонкопленочная структура SiO-SiO2.The second is the dielectric layer. Its task is to provide electrical insulation between the tensor circuit and the elastic element in a wide temperature range. Therefore, stringent requirements are imposed on the dielectric for porosity, high resistivity, and due to the fact that it works under the influence of significant mechanical loads, high strength characteristics. As the dielectric layer may be a thin-film structure of SiO-SiO 2 .
Третий - резистивный слой. Его толщина составляет 40…100 нм. К нему предъявляются очень жесткие требования: максимальный коэффициент тензочувствительности; высокие механические характеристики; большое удельное сопротивление; высокая температурная стабильность; хорошая адгезия с диэлектрическим слоем и материалом контактных групп; низкое значение температурного коэффициента сопротивления (ТКС); широкий рабочий диапазон температур (от криогенных до 300°С); его температурный коэффициент тензочувствительности (ТКТ) должен быть близок к температурному коэффициенту модуля упругости (ТКМУ) материала упругого элемента и др. Материалом резистивного слоя может быть Х20Н75Ю.The third is the resistive layer. Its thickness is 40 ... 100 nm. Very stringent requirements are imposed on it: maximum coefficient of strain sensitivity; high mechanical characteristics; high resistivity; high temperature stability; good adhesion with the dielectric layer and the material of the contact groups; low value of temperature coefficient of resistance (TCS); wide operating temperature range (from cryogenic to 300 ° С); its temperature coefficient of strain sensitivity (TKT) should be close to the temperature coefficient of elastic modulus (TKMU) of the material of the elastic element, etc. The material of the resistive layer can be X20N75Yu.
Четвертый слой - контактная группа (площадки, перемычки, проводники). К нему предъявляются следующие требования: хорошая адгезия и низкое переходное сопротивление с материалом тензорезистора; низкое удельное сопротивление; малый уровень тепловой и электромиграции; хорошая свариваемость с выводными проводниками при минимальной толщине; широкий диапазон рабочих температур; низкий уровень окисления при воздействии рабочих температур и во времени. Толщина контактных площадок и проводников для исключения отслоения от диэлектрика, особенно при воздействии широкого диапазона температур, должна быть не более 100 нм. В качестве контактной группы может быть структура V-Au.The fourth layer is the contact group (pads, jumpers, conductors). The following requirements are imposed on it: good adhesion and low transition resistance with a strain gauge material; low resistivity; low level of heat and electromigration; good weldability with lead-out conductors with a minimum thickness; wide range of operating temperatures; low oxidation when exposed to operating temperatures and over time. The thickness of the pads and conductors to exclude delamination from the dielectric, especially when exposed to a wide temperature range, should be no more than 100 nm. As the contact group may be the structure of V-Au.
В гетерогенной структуре 9 (фиг.6а, б) образованы тензорезисторы 15-18 (фиг.6, а), установленные по дуге окружности (15, 18) и в радиальном направлении (16, 17), состоящие из идентичных тензоэлементов в форме квадратов, соединенных тонкопленочными перемычками 19. Тензорезисторы 15-18 объединены в измерительный мост. Контактные площадки 20 служат для подключения напряжения питания и съема выходного сигнала с измерительного моста из тензорезисторов 15-18.In the heterogeneous structure 9 (Fig. 6a, b), strain gages 15-18 are formed (Fig. 6, a) mounted along an arc of a circle (15, 18) and in the radial direction (16, 17), consisting of identical square-shaped strain elements connected by thin-film jumpers 19. Strain gages 15-18 are combined into a measuring bridge. Contact
Тензорезисторы, установленные в окружном направлении 15, 18 и в радиальном направлении 16, 17 и, соответственно, идентичные тензоэлементы в форме квадратов размещены вдали от периферии (периферийного основания 7) мембраны в зоне с одинаковыми, но противоположными по знаку окружными и радиальными деформациями (0,577rм<r<rм), причем так, что центры окружных и радиальных тензоэлементов тензорезисторов 15-18 размещены по окружности, радиус которой г определен по соотношению: 
Датчик давления работает следующим образом. Измеряемое давление приводит к деформации мембрану 6, на которой расположены тензорезисторы 15-18, возникают окружные и радиальные деформации, которые воспринимаются тензоэлементами окружных 15, 18 и радиальных 16, 17 тензорезисторов. Воздействие деформации от измеряемого давления на окружные тензорезисторы 15, 18 приводит к увеличению их сопротивлений, а воздействие деформации от измеряемого давления на радиальные тензорезисторы 16, 17 приводит к уменьшению их сопротивлений. Так как окружные 15, 18 и радиальные 16, 17 тензорезисторы включены соответственно в противоположные плечи измерительного моста, то при подаче на него питающего напряжения формируется выходной сигнал, величина которого связана с измеряемым давлением.The pressure sensor operates as follows. The measured pressure leads to deformation of the
При измерении давления в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды, например, при воздействии на датчик, установленный на агрегате жидкостного реактивного двигателя, находящегося в нормальных климатических условиях, давления жидкого кислорода или водорода, на поверхности мембраны возникает нестационарное температурное поле. Нестационарное температурное поле возникает и при резком воздействии на датчик жидкого азота. На фиг.7 представлен график температурных полей на мембране в различные моменты времени с начала действия термоудара (воздействие жидкого азота) для случая, когда окружающей средой между мембраной и корпусом датчика является вакуум. Кривые построены для мембраны с диаметром d=5 мм, заделкой z=1,5 мм, толщиной h=0,31 мм с использованием алгоритма и программы [7].When measuring pressure under the influence of unsteady temperature of the medium being measured, for example, when a sensor mounted on a unit of a jet engine under normal climatic conditions is exposed to pressure of liquid oxygen or hydrogen, an unsteady temperature field arises on the membrane surface. An unsteady temperature field also occurs with a sharp impact on the sensor of liquid nitrogen. Figure 7 presents a graph of the temperature fields on the membrane at various points in time from the onset of thermal shock (exposure to liquid nitrogen) for the case when the environment between the membrane and the sensor housing is vacuum. The curves were plotted for a membrane with a diameter of d = 5 mm, a seal of z = 1.5 mm, and a thickness of h = 0.31 mm using the algorithm and program [7].
В предлагаемом тензорезисторном датчике давления на основе тензорезисторной тонкопленочной НиМЭМС, как и в прототипе, тензоэлементы идентичны, но тензорезисторы 15, 18 и 16, 17, составленные из идентичных тензоэлементов, расположены по окружности не на периферии мембраны вблизи ее границы 8 (см. фиг.6), а вдали от периферии по окружности с радиусом 
Кроме того, при расположении окружных и радиальных тензорезисторов по окружности с радиусом 
Обоснование заявляемого соотношения проведем исходя из следующих соображений.The rationale for the claimed ratio will be based on the following considerations.
Структурная схема тонкопленочного тензорезисторного датчика давления представлена на фиг.8.The structural diagram of a thin-film strain gauge pressure sensor is shown in Fig. 8.
Измеряемое давление действует на мембрану, которая деформируется и на ее поверхности возникают относительные окружные εφ и радиальные деформации εr, определяемые выражениями (1) и (2).The measured pressure acts on the membrane, which is deformed and on its surface there are relative circumferential ε φ and radial deformations ε r defined by expressions (1) and (2).
Деформации εφ и εr воспринимаются тензорезисторами, установленными на мембране в окружном и радиальном направлении и преобразуются в относительное изменение сопротивления тензорезисторов:The strains ε φ and ε r are perceived by the strain gauges mounted on the membrane in the circumferential and radial direction and are converted into a relative change in the resistance of the strain gauges:
где S - коэффициент тензочувствительности.where S is the coefficient of strain sensitivity.
Измерительная схема является выходным преобразователем датчика и преобразует относительное изменение сопротивления тензорезисторов в величину выходного напряжения датчика.The measuring circuit is the output transducer of the sensor and converts the relative change in resistance of the strain gauges into the value of the output voltage of the sensor.
Функция преобразования мембранного упругого элемента, преобразующего давление в деформацию [1]:The conversion function of a membrane elastic element that converts pressure into deformation [1]:
где BмP=|Bφ|+|Br| - конструктивный коэффициент чувствительности мембраны к давлению Р.where B mP = | B φ | + | B r | - constructive coefficient of sensitivity of the membrane to pressure R.
Самой оптимальной, с точки зрения повышения линейности и уменьшения погрешности от температурных деформаций, областью мембраны, где следует располагать тензорезисторы, является область, в которой значения Bφ и B r равны.The most optimal, from the point of view of increasing linearity and reducing the error from thermal deformations, region of the membrane where strain gauges should be located is the region in which the values of B φ and B r are equal.
Если бы идентичные тензоэлементы были бесконечно малых размеров и представляли собой точку, то при, приравняв выражения (3) и (4):If the identical strain elements were infinitely small and represented a point, then, when, equating expressions (3) and (4):
можно найти относительный радиус, при котором 
Однако идентичные тензоэлементы имеют конечные размеры и нельзя не учитывать различие деформаций ближайшей стороны квадратного тензоэлемента и наиболее удаленной стороны квадратного тензоэлемента, которое связано с нелинейным характером изменения конструктивных коэффициентов чувствительности Вφ и B r (фиг.2).However, identical strain elements have finite dimensions and one cannot ignore the difference in the deformations of the nearest side of the square strain element and the most distant side of the square strain element, which is associated with the non-linear nature of the change in the design sensitivity coefficients B φ and B r (Fig. 2).
Введем следующие обозначения: r1 - расстояние от центра мембраны до ближайшей стороны квадратного тензоэлемента; r2 _ расстояние от центра мембраны до наиболее удаленной стороны квадратного тензоэлемента; а - размер стороны квадратного тензоэлемента.We introduce the following notation: r 1 is the distance from the center of the membrane to the nearest side of the square strain gauge; r 2 _ the distance from the center of the membrane to the most distant side of the square strain gauge; and - the size of the side of the square strain gauge.
Для того чтобы окружные и радиальные деформации были равны при любых размерах тензоэлементов, должно выполняться условие:In order for the circumferential and radial deformations to be equal for any size of the strain elements, the condition must be met:
Подставляя формулы (3) и(4) в выражение (8), получим:Substituting formulas (3) and (4) into expression (8), we obtain:
Учитывая, чтоGiven that
r1=r0-0,5a; r2=r0+0,5a,r 1 = r 0 -0.5a; r 2 = r 0 + 0.5a,
где r0 - расстояние от центра тензоэлемента до центра мембраны,where r 0 is the distance from the center of the strain element to the center of the membrane,
Необходимую величину расстояния от центра тензоэлемента до центра мембраны можно определить методом последовательного приближенияThe required value of the distance from the center of the strain element to the center of the membrane can be determined by the method of successive approximation
Таким образом, при определении расстояния от центра тензоэлемента до центра мембраны по формуле (9) будет выполняться условие (8). Располагая идентичные тензоэлементы в форме квадратов по окружности с радиусом 
Преимуществом заявляемой конструкции является улучшение линейности выходной характеристики в условиях действия нестационарных температур (термоудара) измеряемой среды, тем самым повышается точность и достоверность получаемой информации о величине давления.An advantage of the claimed design is the improvement of the linearity of the output characteristic under the conditions of unsteady temperatures (thermal shock) of the medium being measured, thereby increasing the accuracy and reliability of the received information about the pressure value.
В предлагаемой конструкции при размещении всех тензорезисторов на мембране по окружности с радиусом r, равным 
и равенстве их номинальных значении не возникает погрешность от нелинейности измерительной цепи, так как не возникает несимметрия плеч измерительного моста при деформации благодаря равенству интегральных значений окружных и радиальных деформаций в местах установки тензорезисторов. При этом относительные изменения сопротивлений окружных и радиальных тензорезисторов равны при любых разумных размерах идентичных тензоэлементов, выполненных в форме квадрата.and the equality of their nominal value, an error does not arise from the nonlinearity of the measuring circuit, since there is no asymmetry of the arms of the measuring bridge during deformation due to the equality of the integral values of circumferential and radial deformations at the points of installation of the strain gauges. In this case, the relative changes in the resistances of the circumferential and radial strain gages are equal for any reasonable sizes of identical strain gages made in the form of a square.
При размещении всех тензорезисторов на мембране по окружности с радиусом, равным When placing all strain gages on the membrane in a circle with a radius equal to
и равенстве их номинальных значений не возникает погрешность от нелинейности измерительной цепи, так как не возникает несимметрия плеч измерительного моста при деформации благодаря равенству окружных и радиальных деформаций в местах установки тензорезисторов. При этом относительные изменения сопротивлений окружных и радиальных тензорезисторов равны.and the equality of their nominal values, there is no error from the nonlinearity of the measuring circuit, since there is no asymmetry in the arms of the measuring bridge during deformation due to the equality of circumferential and radial deformations at the points of installation of the strain gauges. In this case, the relative changes in the resistances of the circumferential and radial strain gauges are equal.
В предлагаемой конструкции при размещении всех тензорезисторов на мембране по окружности с радиусом, равным 
В результате испытаний экспериментальных образцов тонкопленочных датчиков давления, изготовленных в соответствии формулой изобретения, установлено, что датчики позволяют повысить точность измерения в условиях воздействия нестационарных температур (термоудара). При воздействии нестационарной температуры от 25±10°С до минус 196°С погрешность не превышает 0,4% от предела измерений.As a result of testing experimental samples of thin-film pressure sensors made in accordance with the claims, it was found that the sensors can improve the accuracy of measurement under conditions of unsteady temperatures (thermal shock). When exposed to unsteady temperatures from 25 ± 10 ° С to minus 196 ° С, the error does not exceed 0.4% of the measurement limit.
Заявляемое техническое решение позволяет обеспечить точностные свойства датчика давления на основе тензорезисторной тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системы при воздействии нестационарных температур.The claimed technical solution allows to ensure the accuracy of the pressure sensor based on a strain gauge thin film nano- and microelectromechanical system under the influence of non-stationary temperatures.
Предлагаемый датчик давления на основе тензорезисторной тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системы выгодно отличается от известных и может найти широкое применение для измерения давлений в условиях действия нестационарных температур (термоудара) измеряемой среды.The proposed pressure sensor based on a thin-film strain gauge nano- and microelectromechanical system compares favorably with the known ones and can be widely used for measuring pressure under conditions of unsteady temperatures (thermal shock) of the medium being measured.
Источники информацииInformation sources
1. Васильев В.А. Технологические особенности твердотельных мембранных чувствительных элементов // Вестник Московского государственного технического университета. Сер. Приборостроение. - М., 2002. - №4. - С.97-108.1. Vasiliev V.A. Technological features of solid-state membrane sensitive elements // Bulletin of Moscow State Technical University. Ser. Instrument making. - M., 2002. - No. 4. - S.97-108.
2. Белозубое Е.М. Патент РФ №2031355, 6G01B 7/16. Способ термокомпенсации тензомоста. Бюл. №8 от 20.03.95.2. Belozuboe EM RF patent No. 2031355,
3. Белозубов Е.М. Патент РФ №1615578, 5G01L 9/04. Датчик давления. Опубл. 23.12.90. Бюл. №47.3. Belozubov EM RF patent No. 1615578,
4. Белозубов Е.М., Белозубова Н.Е. Тонкопленочные тензорезисторные датчики давления - изделия нано- и микросистемной техники // Нано- и микросистемная техника - М., 2007. - №.12. - С.49-51.4. Belozubov EM, Belozubova N.E. Thin-film strain gauge pressure sensors - products of nano- and microsystemic technology // Nano- and microsystemic technology - M., 2007. - No. 12. - S. 49-51.
5. Васильев В.А., Тихонов А.И. Анализ и синтез измерительных цепей преобразователей информации на основе твердотельных структур // Метрология. - М., 2003. - №1. - С.3-20.5. Vasiliev V.A., Tikhonov A.I. Analysis and synthesis of measuring circuits of information converters based on solid-state structures // Metrology. - M., 2003. - No. 1. - S.3-20.
6. Белозубов Е.М., Васильев В.А., Измайлов Д.А. Моделирование термоударных характеристик тонкопленочных тензорезисторных датчиков давления // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. - М., 2008. - №12. - С.16-21.6. Belozubov E.M., Vasiliev V.A., Izmailov D.A. Modeling the thermal shock characteristics of thin-film strain gauge pressure sensors // Devices and Systems. Management, control, diagnostics. - M., 2008. - No. 12. - S.16-21.
7. Белозубов Е.М., Васильев В.А., Измайлов Д.А. Алгоритм и программа «Моделирование влияния нестационарных температур на датчики мембранного типа». Св-во об отрасл. рег. разработки в отраслевом фонде алгоритмов и программ №10700 от 26.05.2008 г. Зарегистрировано в «Национальном информационном фонде неопубликованных документов» ФАО ГКЦИТ, г.Москва, 02.06.2008 г., гос. рег. №50200801123.7. Belozubov E.M., Vasiliev V.A., Izmailov D.A. Algorithm and program "Modeling the effect of non-stationary temperatures on membrane-type sensors." Sv-in about the industry. reg. development in the industry fund of algorithms and programs No. 10700 dated May 26, 2008. Registered in the "National Information Fund of Unpublished Documents" FAO SCCIT, Moscow, June 2, 2008, state. reg. No. 50200801123.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009120791/28A RU2397460C1 (en) | 2009-06-01 | 2009-06-01 | Pressure sensor based on tensoresistor thin-film nano- and micro-electromechanical system |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009120791/28A RU2397460C1 (en) | 2009-06-01 | 2009-06-01 | Pressure sensor based on tensoresistor thin-film nano- and micro-electromechanical system |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2397460C1 true RU2397460C1 (en) | 2010-08-20 |
Family
ID=46305581
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2009120791/28A RU2397460C1 (en) | 2009-06-01 | 2009-06-01 | Pressure sensor based on tensoresistor thin-film nano- and micro-electromechanical system |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2397460C1 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2463570C1 (en) * | 2011-05-17 | 2012-10-10 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" | Tensoresistive pressure sensor with thin-film nano- and micro-electromechanical system |
| RU2472125C1 (en) * | 2011-09-01 | 2013-01-10 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" | Pressure sensor of strain gauge type with thin-film nano- and microelectrical system |
| RU2488082C1 (en) * | 2012-03-11 | 2013-07-20 | Евгений Михайлович Белозубов | Method to manufacture pressure sensor based on thin-film nano- and microelectromechanical system |
| RU2516375C1 (en) * | 2012-11-28 | 2014-05-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенский государственный университет" (ПГУ) | Pressure sensor based on nano- and microelectromechanical system for precision measurements |
-
2009
- 2009-06-01 RU RU2009120791/28A patent/RU2397460C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2463570C1 (en) * | 2011-05-17 | 2012-10-10 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" | Tensoresistive pressure sensor with thin-film nano- and micro-electromechanical system |
| RU2472125C1 (en) * | 2011-09-01 | 2013-01-10 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" | Pressure sensor of strain gauge type with thin-film nano- and microelectrical system |
| RU2488082C1 (en) * | 2012-03-11 | 2013-07-20 | Евгений Михайлович Белозубов | Method to manufacture pressure sensor based on thin-film nano- and microelectromechanical system |
| RU2516375C1 (en) * | 2012-11-28 | 2014-05-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенский государственный университет" (ПГУ) | Pressure sensor based on nano- and microelectromechanical system for precision measurements |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2398195C1 (en) | Method of making nano- and micro-electromechanical pressure sensor system and pressure sensor based on said system | |
| Lim et al. | Flexible membrane pressure sensor | |
| JP2008542717A (en) | Pressure sensor using a compressible sensor body | |
| KR20170120040A (en) | Method of manufacturing a pressure sensor | |
| CN103900460A (en) | Semiconductor film high-temperature deformation sensor | |
| RU2397460C1 (en) | Pressure sensor based on tensoresistor thin-film nano- and micro-electromechanical system | |
| KR20140065363A (en) | A measuring device for measuring a physical quantity | |
| RU2399031C1 (en) | Pressure sensor with thin-film tensoresistor nano- and micro-electromechanical system | |
| RU2391640C1 (en) | Strain gauge pressure sensor on basis of thin-film nano- and microelectromechanical system | |
| Tung et al. | Sensing sheet: the response of full-bridge strain sensors to thermal variations for detecting and characterizing cracks | |
| CN111238361A (en) | Graphene temperature strain sensor | |
| RU2411474C1 (en) | High precision pressure sensor based on nano- and micro-electromechanical system with thin-film tensoresistors | |
| RU2312319C2 (en) | Thin-film pressure gage | |
| RU2427810C1 (en) | Pressure sensor of increased sensitivity based on nano- and microelectromechanical system with thin-film resistance strain gauges | |
| RU2408857C1 (en) | Pressure sensor based on nano- and micro-electromechanical system with frequency-domain output signal | |
| Niwa et al. | Strain sensors and pressure sensors using Cr─ N thin films for high‐pressure hydrogen gas | |
| RU2398196C1 (en) | Device for measuring pressure based on nano- and micro-electromechanical system with frequency-domain output signal | |
| Uhlig et al. | Pressure sensitivity of piezoresistive nickel–carbon Ni: aC: H thin films | |
| Qandil et al. | Considerations in the design and manufacturing of a load cell for measuring dynamic compressive loads | |
| JP4988938B2 (en) | Temperature sensitive strain sensor | |
| Zhang et al. | A Bilayer Thin-Film Strain Gauge With Temperature Self-Compensation | |
| SU1717946A1 (en) | Resistance strain gauge | |
| Pavithra et al. | Design, development, fabrication and testing of low-cost, laser-engraved, embedded, nano-composite-based pressure sensor | |
| RU2391641C1 (en) | Pressure sensor of strain gauge with thin-film nano- and microelectromechanical system | |
| RU2601613C1 (en) | Thermally stable pressure sensor based on nano-and micro-electromechanical system with membrane having rigid centre |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20110602 |