RU2463570C1 - Tensoresistive pressure sensor with thin-film nano- and micro-electromechanical system - Google Patents

Tensoresistive pressure sensor with thin-film nano- and micro-electromechanical system Download PDF

Info

Publication number
RU2463570C1
RU2463570C1 RU2011119814/28A RU2011119814A RU2463570C1 RU 2463570 C1 RU2463570 C1 RU 2463570C1 RU 2011119814/28 A RU2011119814/28 A RU 2011119814/28A RU 2011119814 A RU2011119814 A RU 2011119814A RU 2463570 C1 RU2463570 C1 RU 2463570C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
nimems
strain gauge
sensor
thermoelectric
strain
Prior art date
Application number
RU2011119814/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Евгений Михайлович Белозубов (RU)
Евгений Михайлович Белозубов
Нина Евгеньевна Белозубова (RU)
Нина Евгеньевна Белозубова
Валентина Николаевна Вологина (RU)
Валентина Николаевна Вологина
Наталья Анатольевна Козлова (RU)
Наталья Анатольевна Козлова
Original Assignee
Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" filed Critical Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений"
Priority to RU2011119814/28A priority Critical patent/RU2463570C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2463570C1 publication Critical patent/RU2463570C1/en

Links

Landscapes

  • Measuring Fluid Pressure (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: sensor has a housing (1) in which there is a nano- and micro-electromechanical system consisting of a membrane (2) which is integrated with the base (3). A heterogeneous structure (4) of thin films is formed on the membrane. Tensoresistors are formed in the structure (4) and lie on a circle on the periphery of the membrane. A cylindrical bushing (7) with a hole (8) is mounted on the base on the side of feeding the measured medium, symmetrically about the longitudinal axis of the sensor and said bushing lies inside the base with a gap from the membrane and the peripheral base in a region adjacent to the membrane. Elements of the first and the second measuring circuits, lying outside the housing, are placed in a common screen (9) made from material with high heat conductivity. Characteristics of structural components of the sensor are linked by a corresponding relationship.
EFFECT: reduced measurement error.
1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к датчикам, предназначенным для использования в различных областях науки и техники, связанных с измерением давления в условиях воздействия нестационарных температур и повышенных виброускорений.The invention relates to measuring equipment, in particular to sensors intended for use in various fields of science and technology related to pressure measurement under the influence of unsteady temperatures and increased vibration accelerations.

Известна конструкция датчика давления тензорезистивного типа с тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системой (НиМЭМС) [1], который предназначен для измерения давления в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды, содержащий корпус, тонкопленочную нано- и микроэлектромеханическую систему, состоящую из упругого элемента в виде круглой жесткозащемленной мембраны, выполненной за одно целое с основанием, на которой расположены соединенные в мостовую схему окружные и радиальные тензорезисторы, выполненные в виде соединенных тонкопленочными перемычками одинакового количества имеющих одинаковую форму тензоэлементов, расположенных по окружности на периферии мембраны, выводные проводники, соединяющие тензорезисторы с гермовыводами.A known design of a strain gauge pressure sensor with a thin-film nano- and microelectromechanical system (NIMEMS) [1], which is designed to measure pressure under the influence of unsteady temperature of the measured medium, comprising a housing, a thin-film nano- and microelectromechanical system, consisting of an elastic element in the form of a round a rigidly-sealed membrane made in one piece with the base, on which circumferential and radial strain gauges connected to the bridge circuit are located, are made in the form of connected thin-film webs having the same number of the same shape tenzoelementov arranged circumferentially on the periphery of the membrane, the terminal conductors that connect the strain gauges with the sealed leads.

Недостатком известной конструкции является сравнительно большая погрешность при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды. Одной из причин является взаимодействие множества последовательно и встречно включенных термоэдс, возникающих на границах разделов тензоэлементов и перемычек вследствие случайным образом распределенных по поверхности чувствительного элемента неоднородностей структуры и неидентичности физических характеристик тензоэлементов и перемычек, находящихся в нестационарном температурном поле. Недостатком известной конструкции является сравнительно большая погрешность при воздействии повышенных (более 10000 мс-2) виброускорений, которые вызывают несимметричное и неравномерное нестационарное температурное поле и, соответственно, аналогичные явления, описанные при воздействии нестационарных температур.A disadvantage of the known design is the relatively large error when exposed to unsteady temperature of the measured medium. One of the reasons is the interaction of a plurality of thermoelectric power connected in series and counterclockwise, arising at the interfaces between strain gauges and jumpers due to random inhomogeneities of the structure and non-identical physical characteristics of strain gauges and jumpers located in a non-stationary temperature field. A disadvantage of the known design is the relatively large error when exposed to increased (more than 10,000 ms -2 ) vibration accelerations, which cause an asymmetric and uneven unsteady temperature field and, accordingly, similar phenomena described when exposed to unsteady temperatures.

Известен датчик давления тензорезистивного типа с тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системой (НиМЭМС) [2], выбранный в качестве прототипа, содержащий корпус, установленную в нем НиМЭМС, состоящую из упругого элемента - круглой мембраны, выполненной за одно целое с периферийным основанием, сформированной на ней гетерогенной структуры из тонких пленок материалов, в которой образованы включенные соответственно в противоположные плечи измерительного моста воспринимающие деформацию разного знака от измеряемого давления тензорезисторы, выполненные в виде соединенных тонкопленочными перемычками одинакового количества, имеющих одинаковую форму тензоэлементов, расположенных по окружности на периферии мембраны, измерительные и питающие электрические цепи, соединяющие тонкопленочную НиМЭМС с выходом датчика, а характеристики элементов конструкции датчика связаны соотношением.A known strain gauge pressure sensor with a thin-film nano- and microelectromechanical system (NiMEMS) [2], selected as a prototype, containing a housing installed in it NiMEMS, consisting of an elastic element - a round membrane made in one piece with a peripheral base formed on heterogeneous structure of thin films of materials, in which are formed included respectively in the opposite shoulders of the measuring bridge perceiving deformation of a different sign from the measured tensile pressure Resistors made in the form of connected thin-film webs of the same number having the same shape tenzoelementov arranged circumferentially on the periphery of the membrane, and measuring the electrical supply circuit connecting the thin film sensor NiMEMS a yield and characteristics of the sensor elements are related by the design.

Недостатком известной конструкции является сравнительно большая погрешность при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды и повышенных (более 10000 мс-2) виброускорений, которые вызывают несимметричные и неравномерные нестационарные температурные поля, которые вследствие неоптимальности и невозможности учета соотношений характеристик всех элементов конструкции датчиков давления тензорезистивного типа с тонкопленочными НиМЭМС для экстремальных условий эксплуатации приводят к появлению нескомпенсированной термоэдс.A disadvantage of the known design is the relatively large error due to the unsteady temperature of the measured medium and increased (more than 10,000 ms -2 ) vibration accelerations that cause asymmetric and uneven unsteady temperature fields, which, due to the non-optimality and impossibility of taking into account the ratios of the characteristics of all the structural elements of the strain gauge pressure sensors with thin-film NIMEMS for extreme operating conditions lead to the appearance of uncompensated thermoelectric power .

Целью предлагаемого изобретения является уменьшение погрешности измерения датчиков давления тензорезистивного типа с тонкопленочными НиМЭМС для экстремальных условий эксплуатации в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды и повышенных виброускорений за счет уменьшения суммарной интегральной термоэдс путем оптимизации и возможности учета соотношений характеристик всех элементов конструкции датчиков давления.The aim of the invention is to reduce the measurement error of the strain gauge pressure sensors with thin-film NiMEMS for extreme operating conditions under the influence of unsteady temperature of the measured medium and increased vibration acceleration by reducing the total integral thermoelectric power by optimizing and taking into account the ratio of the characteristics of all structural elements of pressure sensors.

Поставленная цель достигается тем, что в датчике давления тензорезистивного типа с тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системой (НиМЭМС), содержащем корпус, установленную в нем НиМЭМС, состоящую из упругого элемента - круглой мембраны, выполненной за одно целое с периферийным основанием, сформированной на ней гетерогенной структуры из тонких пленок материалов, в которой образованы включенные соответственно в противоположные плечи измерительного моста воспринимающие деформацию разного знака от измеряемого давления тензорезисторы, выполненные в виде соединенных тонкопленочными перемычками одинакового количества, имеющих одинаковую форму тензоэлементов, расположенных по окружности на периферии мембраны, измерительные и питающие электрические цепи, соединяющие тонкопленочную НиМЭМС с выходом датчика в соответствии с предлагаемым изобретением, на периферийном основании со стороны подачи измеряемой среды симметрично продольной оси датчика плотно закреплена и размещена внутри периферийного основания с зазором относительно мембраны и периферийного основания в области, прилегающей к мембране, цилиндрическая втулка с цилиндрическим отверстием вдоль ее оси, при этом корпус, элементы НиМЭМС, а также расположенные внутри корпуса и вне корпуса в области, прилегающей к нему, элементы первой и второй измерительной цепи, соединяющей НиМЭМС с выходом датчика, размещены симметрично продольной оси датчика, причем элементы первой и второй измерительной цепи, расположенные вне корпуса, размещены в общем экране из материала с высокой теплопроводностью и характеристики элементов конструкции датчика связаны соотношениемThis goal is achieved by the fact that in the pressure sensor is a resistive type with a thin-film nano- and microelectromechanical system (NiMEMS) containing a body, the NiMEMS installed in it, consisting of an elastic element - a round membrane made in one piece with the peripheral base formed on it heterogeneous structures made of thin films of materials in which tensors of different signs from the measured pressure are included, respectively included in the opposite shoulders of the measuring bridge, from the measured pressure resistors made in the form of the same number connected by thin-film jumpers of the same shape, having the same shape of the strain gauges located around the periphery of the membrane, measuring and supplying electrical circuits connecting the thin-film NiMEC with the sensor output in accordance with the invention, on the peripheral base from the supply side of the measured medium symmetrically the longitudinal axis of the sensor is tightly fixed and placed inside the peripheral base with a gap relative to the membrane and peripheral axis innovations in the area adjacent to the membrane, a cylindrical sleeve with a cylindrical hole along its axis, while the housing, NiMEMS elements, as well as elements of the first and second measuring circuit connecting NiMEMS to the output located inside the housing and outside the housing in the region adjacent to it sensors are placed symmetrically to the longitudinal axis of the sensor, and the elements of the first and second measuring circuit located outside the housing are placed in a common screen of material with high thermal conductivity and characteristics of the structural elements of the sensor and related by

Figure 00000001
Figure 00000001

где 4 - количество тензорезисторов в мостовой измерительной схеме НиМЭМС; I - количество тензоэлементов в тензорезисторе; M - количество термоэлектрических структур в тензоэлементе; Sjim - коэффициент термоэдс контактирующих материалов m-й термоэлектрической структуры i-го тензоэлемента j-го тензорезистора; Tjim - температура контактирующих материалов m-й термоэлектрической структуры i-го тензоэлемента j-го тензорезистора; σαji(T) - коэффициент Томсона для материала i-го тензоэлемента j-го тензорезистора; TjiH, TjiK - температура соответственно в начале и конце i-го тензоэлемента j-го тензорезистора;

Figure 00000002
- сопротивление j-го тензорезистора; Rj0 - сопротивление j-го тензорезистора при начальной среднеинтегральной температуре j-го тензорезистора; αj - температурный коэффициент сопротивления j-го тензорезистора; ΔTj - изменение среднеинтегральной температуры j-го тензорезистора; TAnH, TAnK, TBnH, TBnK - температура в начале и конце n-й термоэлектрической неоднородности соответственно первой и второй измерительной цепи, соединяющей НиМЭМС с выходом датчика; SAn, SBn - коэффициент термоэдс контактирующих материалов n-й термоэлектрической неоднородности соответственно первой и второй измерительной цепи, соединяющей НиМЭМС с выходом датчика; σαAn(T), σαBn(T) - коэффициент Томсона материала n-й термоэлектрической неоднородности соответственно первой и второй измерительной цепи, соединяющей НиМЭМС с выходом датчика; ΔU - допустимая абсолютная погрешность при воздействии нестационарной температуры и повышенных виброускорений.where 4 is the number of strain gages in the bridge measuring circuit NIMEMS; I is the number of strain elements in the strain gauge; M is the number of thermoelectric structures in the strain gauge; S jim - thermoelectric coefficient of the contacting materials of the m-th thermoelectric structure of the i-th strain element of the j-th strain gauge; T jim is the temperature of the contacting materials of the m-th thermoelectric structure of the i-th strain element of the j-th strain gauge; σ αji (T) is the Thomson coefficient for the material of the i-th strain element of the j-th strain gauge; T jiH , T jiK - temperature, respectively, at the beginning and end of the i-th strain element of the j-th strain gauge;
Figure 00000002
- resistance of the j-th strain gauge; R j0 is the resistance of the j-th strain gauge at the initial average integral temperature of the j-th strain gauge; α j is the temperature coefficient of resistance of the j-th strain gauge; ΔT j is the change in the average integral temperature of the j-th strain gauge; T AnH , T AnK , T BnH , T BnK - temperature at the beginning and end of the n-th thermoelectric heterogeneity of the first and second measuring circuit, respectively, connecting NiMEMS with the sensor output; S An , S Bn is the coefficient of thermoelectric power of contacting materials of the nth thermoelectric heterogeneity of the first and second measuring circuit, respectively, connecting NiMEMS with the output of the sensor; σ αAn (T), σ αBn (T) is the Thomson coefficient of the material of the nth thermoelectric heterogeneity of the first and second measuring circuit, respectively, connecting NiMEMS with the sensor output; ΔU - permissible absolute error under the influence of unsteady temperature and increased vibration accelerations.

Заявляемая конструкция датчика давления тензорезистивного типа с тонкопленочной НиМЭМС представлена на фиг.1. Она содержит корпус 1, установленную в нем НиМЭМС, состоящую из упругого элемента - круглой мембраны 2, выполненной за одно целое с периферийным основанием 3, сформированной на ней гетерогенной структуры 4 из тонких пленок материалов, в которой образованы включенные соответственно в противоположные плечи измерительного моста воспринимающие деформацию разного знака от измеряемого давления тензорезисторы, выполненные в виде соединенных тонкопленочными перемычками одинакового количества, имеющих одинаковую форму тензоэлементов, расположенных по окружности на периферии мембраны. Измерительные 5 и питающие 6 электрические цепи соединяют тонкопленочную НиМЭМС с выходом датчика. На периферийном основании со стороны подачи измеряемой среды симметрично продольной оси датчика плотно закреплена и размещена внутри периферийного основания с зазором относительно мембраны и периферийного основания в области, прилегающей к мембране, цилиндрическая втулка 7 с цилиндрическим отверстием 8 вдоль ее оси. При этом корпус, элементы НиМЭМС, а также расположенные внутри корпуса и вне корпуса в области, прилегающей к нему, элементы первой и второй измерительной цепи, соединяющей НиМЭМС с выходом датчика, размещены симметрично продольной оси датчика, причем элементы первой и второй измерительной цепи, расположенные вне корпуса, размещены в общем экране 9 из материала с высокой теплопроводностью и характеристики элементов конструкции датчика связаны заявляемым соотношением.The inventive design of the pressure sensor strain gauge type with a thin-film NIMEMS shown in figure 1. It contains a housing 1, a NiMEMS installed in it, consisting of an elastic element - a round membrane 2, made in one piece with the peripheral base 3, formed on it a heterogeneous structure 4 of thin films of materials, in which perceiving, respectively, are formed in the opposite shoulders of the measuring bridge strain gauges of different signs from the measured pressure, strain gauges made in the form of connected by thin-film jumpers of the same quantity having the same shape of the strain elements ennyh circumferentially on the periphery of the membrane. Measuring 5 and supplying 6 electric circuits connect the thin-film NiMEMS to the sensor output. On the peripheral base, on the supply side of the measured medium, the cylindrical sleeve 7 with the cylindrical hole 8 along its axis is tightly fixed and placed inside the peripheral base with a gap relative to the membrane and the peripheral base in the region adjacent to the membrane. At the same time, the housing, the elements of NiMEMS, as well as the elements of the first and second measuring circuit, which are connected inside the housing and outside the housing in the region adjacent to it, are connected symmetrically to the longitudinal axis of the sensor, the elements of the first and second measuring chains located outside the housing, placed in a common screen 9 of a material with high thermal conductivity and characteristics of the structural elements of the sensor are related by the claimed ratio.

Для обоснования наличия причинно-следственной связи между совокупностью признаков и достигаемым техническим результатом рассмотрим более подробно конструкцию датчика давления тензорезистивного типа с тонкопленочной НиМЭМС в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды, направленной под углом к оси датчика, и повышенных виброускорений.To justify the presence of a causal relationship between the set of features and the achieved technical result, we consider in more detail the design of a strain gauge pressure sensor with a thin-film NiMEMS under the influence of unsteady temperature of the measured medium directed at an angle to the axis of the sensor and increased vibration accelerations.

Плотное закрепление на периферийном основании со стороны подачи измеряемой среды симметрично продольной оси датчика и размещение внутри периферийного основания цилиндрической втулки с цилиндрическим отверстием вдоль ее оси обеспечивает осесимметрирование тепловых потоков, а следовательно, идентичность температур, имеющих одинаковую форму тензоэлементов, расположенных по окружности на периферии мембраны, и минимизацию влияния нестационарной температуры измеряемой среды. Наличие зазора втулки относительно мембраны и периферийного основания в области, прилегающей к мембране, устраняет возможное в противном случае негативное влияние несимметричных термодеформаций на тензоэлементы. Размещение симметрично продольной оси датчика корпуса элементов НиМЭМС, а также расположенных внутри корпуса и вне корпуса в области, прилегающей к нему элементов первой и второй измерительной цепи, соединяющей НиМЭМС с выходом датчика, обеспечивает минимальную погрешность при воздействии нестационарной температуры измеряемой и окружающей среды, а также повышенных виброускорений за счет взаимной компенсации встречно включенных термоэдс, возникающих в том числе в кабельной перемычке датчика. Размещение расположенных вне корпуса элементов первой и второй измерительной цепи в общем экране из материала с высокой теплопроводностью выравнивает температуры этих элементов, возникающих в результате воздействия повышенных виброускорений.Tight fastening on the peripheral base from the supply side of the medium to be measured is symmetrical to the longitudinal axis of the sensor and placing inside the peripheral base of the cylindrical sleeve with a cylindrical hole along its axis provides axisymmetric heat fluxes, and therefore, the identity of temperatures having the same shape of the strain elements located around the circumference on the periphery of the membrane, and minimizing the effect of the non-stationary temperature of the medium being measured. The presence of the gap of the sleeve relative to the membrane and the peripheral base in the region adjacent to the membrane eliminates the otherwise possible negative effect of asymmetric thermal deformations on the strain elements. Placing symmetrically the longitudinal axis of the sensor of the housing of NiMEMS elements, as well as those located inside the housing and outside the housing in the region adjacent to it of the elements of the first and second measuring circuit connecting NiMEMS with the output of the sensor, provides a minimum error when exposed to unsteady temperature of the measured and the environment, as well as increased vibration acceleration due to the mutual compensation of on-board thermoelectric power arising, including those arising in the cable jumper of the sensor. The placement of the elements of the first and second measuring circuit located outside the housing in a common screen made of a material with high thermal conductivity evens out the temperatures of these elements resulting from increased vibration accelerations.

При всем многообразии конструктивно-технологических решений, применяемых при создании датчиков давления тензорезистивного типа с тонкопленочными НиМЭМС для экстремальных условий эксплуатации, в их структуре можно выделить общие подсистемы и элементы, определяющие характер термоэлектрических явлений при воздействии нестационарных температур и виброускорений. К ним, в самом общем виде, можно отнести: чувствительный элемент в виде НиМЭМС, питающие и измерительные электрические цепи, соединяющие НиМЭМС с выходом датчика. В датчиках давления тензорезистивного типа с тонкопленочными НиМЭМС, как правило, две питающие и две измерительные электрические цепи. Кроме того, в датчиках, предназначенных для экстремальных условий эксплуатации, с целью исключения влияния жестких воздействующих факторов на разъем датчика эти цепи частично выполняются в виде гибкой кабельной перемычки, соединяющей корпус датчика и разъем.With all the variety of structural and technological solutions used to create pressure sensors of the strain gauge type with thin-film NiMEMS for extreme operating conditions, their structure can distinguish common subsystems and elements that determine the nature of thermoelectric phenomena when exposed to unsteady temperatures and vibration accelerations. These, in their most general form, include: a sensitive element in the form of NiMEMS, supply and measuring electrical circuits connecting NiMEMS with the output of the sensor. In pressure sensors of the strain gauge type with thin-film NiMEMS, as a rule, two supply and two measuring electrical circuits. In addition, in sensors designed for extreme operating conditions, in order to eliminate the influence of harsh factors on the sensor connector, these circuits are partially implemented as a flexible cable jumper connecting the sensor housing and the connector.

После проведения дополнительного анализа, синтеза и обобщения приведенного в прототипе выражения для математической модели неинформативного преобразования термоэдс в выходной сигнал ТТДД при воздействии нестационарных температур и виброускорений получимAfter additional analysis, synthesis and generalization of the expression in the prototype for the mathematical model of the non-informative conversion of the thermoelectric power to the TTDD output signal under the influence of unsteady temperatures and vibration accelerations, we obtain

Figure 00000003
Figure 00000003

где T=f(Tни, Tно, W); Tни - нестационарная температура измеряемой среды; Tно - нестационарная температура окружающей среды; W - амплитуда виброускорений; 4 - количество тензорезисторов в мостовой измерительной схеме НиМЭМС; I - количество тензоэлементов в тензорезисторе; M - количество термоэлектрических структур в тензоэлементе; Ejim(T) - m-я термоэдс i-го тензоэлемента j-го тензорезистора; TjiH - температура в начале i-го тензоэлемента j-го тензорезистора; TjiK - температура в конце i-го тензоэлемента j-го тензорезистора; σαji(T) - коэффициент Томсона для материала i-го тензоэлемента j-го тензорезистора;

Figure 00000004
- сопротивление j-го тензорезистора; EAn(T), EBn(T) - термоэдс n-й термоэлектрической неоднородности соответственно первой и второй измерительной цепи, соединяющей тонкопленочную НиМЭМС-структуру с выходом датчика, TAnH, TAnK, TBnH, TBnK - температура в начале и конце n-й термоэлектрической неоднородности соответственно первой и второй измерительной цепи, соединяющей тонкопленочную НиМЭМС-структуру с выходом датчика; σαAn(T), σαBn(T) - коэффициент Томсона материала n-й термоэлектрической неоднородности соответственно первой и второй измерительной цепи, соединяющей тонкопленочную НиМЭМС-структуру с выходом датчика.where T = f (T nor , T but , W); T nor - unsteady temperature of the measured medium; T but - non-stationary ambient temperature; W is the amplitude of vibration acceleration; 4 - the number of strain gauges in the bridge measuring circuit NIMEMS; I is the number of strain elements in the strain gauge; M is the number of thermoelectric structures in the strain gauge; E jim (T) - m-th thermoelectric power of the i-th strain element of the j-th strain gauge; T jiH is the temperature at the beginning of the i-th strain element of the j-th strain gauge; T jiK is the temperature at the end of the i-th strain element of the j-th strain gauge; σ αji (T) is the Thomson coefficient for the material of the i-th strain element of the j-th strain gauge;
Figure 00000004
- resistance of the j-th strain gauge; E An (T), E Bn (T) is the thermoelectric power of the nth thermoelectric heterogeneity of the first and second measuring circuit, respectively, connecting the thin-film NiMEMS structure with the sensor output, T AnH , T AnK , T BnH , T BnK are the temperature at the beginning and the end of the n-th thermoelectric heterogeneity of the first and second measuring circuit, respectively, connecting the thin-film NiMEMS structure with the output of the sensor; σ αAn (T), σ αBn (T) is the Thomson coefficient of the material of the nth thermoelectric heterogeneity of the first and second measuring circuit, respectively, connecting the thin-film NIMEMS structure with the sensor output.

Выражение (2) при Uвых(T)=0 является общим условием минимизации нескомпенсированной термоэдс ТТДД при воздействии нестационарных температур и виброускорений. Для проведения качественного анализа влияния нестационарных температур и виброускорений рассмотрим полученную модель при достаточно малых различиях температур элементов. В этом случае, условно пренебрегая нелинейным характером распределения температур в пределах конкретных элементов, можно представить выражение для упрощенной математической модели неинформативного преобразования термоэдс в выходной сигнал ТТДД в видеExpression (2) at U o (T) = 0 is a general condition for minimizing the uncompensated thermoelectric power of a TTDD under the influence of unsteady temperatures and vibration accelerations. To conduct a qualitative analysis of the influence of unsteady temperatures and vibration accelerations, we consider the resulting model with fairly small differences in the element temperatures. In this case, conditionally neglecting the nonlinear nature of the temperature distribution within the specific elements, we can present the expression for a simplified mathematical model of the non-informative conversion of the thermoelectric power to the output signal of a TDDD in the form

Figure 00000005
Figure 00000005

где Sjim - коэффициент термоэдс контактирующих материалов m-й термоэлектрической структуры i-го тензоэлемента j-го тензорезистора; Tjim - температура контактирующих материалов m-й термоэлектрической структуры i-го тензоэлемента j-го тензорезистора; Rj0 - сопротивление j-го тензорезистора при начальной среднеинтегральной температуре j-го тензорезистора; αj - температурный коэффициент сопротивления j-го тензорезистора; ΔTj - изменение среднеинтегральной температуры j-го тензорезистора; SAn, SBn - коэффициент термоэдс контактирующих материалов n-й термоэлектрической неоднородности соответственно первой и второй измерительной цепи, соединяющей тонкопленочную НиМЭМС-структуру с выходом датчика; TAn, TBn - температура n-й термоэлектрической неоднородности соответственно первой и второй измерительной цепи, соединяющей тонкопленочную НиМЭМС-структуру с выходом датчика.where S jim is the coefficient of thermoelectric power of contacting materials of the m-th thermoelectric structure of the i-th strain element of the j-th strain gauge; T jim is the temperature of the contacting materials of the m-th thermoelectric structure of the i-th strain element of the j-th strain gauge; R j0 is the resistance of the j-th strain gauge at the initial average integral temperature of the j-th strain gauge; α j is the temperature coefficient of resistance of the j-th strain gauge; ΔT j is the change in the average integral temperature of the j-th strain gauge; S An , S Bn is the coefficient of thermoelectric power of contacting materials of the nth thermoelectric heterogeneity of the first and second measuring circuit, respectively, connecting the thin-film NiMEMS structure with the sensor output; T An , T Bn is the temperature of the nth thermoelectric heterogeneity of the first and second measuring circuit, respectively, connecting the thin-film NIMEMS structure with the sensor output.

В выражении (3) Uвых(T) показывает величину нескомпенсированной термоэдс, возникающей при воздействии нестационарной температуры и повышенных виброускорений, и характеризует абсолютное значение погрешности Uвых(T)=ΔU. После преобразования выражения (3) ΔU получим заявляемое соотношение. Таким образом, техническим результатом заявляемого решения является уменьшение погрешности измерения при воздействии нестационарных температур и повышенных виброускорений за счет минимизации напряжения нескомпенсированной термоэдс путем оптимизации и возможности учета соотношений характеристик всех элементов конструкции датчиков давления тензорезистивного типа с тонкопленочными НиМЭМС для экстремальных условий эксплуатации.In expression (3), U o (T) shows the value of the uncompensated thermoelectric power arising from unsteady temperature and increased vibration acceleration, and characterizes the absolute value of the error U o (T) = ΔU. After converting the expression (3) ΔU we get the claimed ratio. Thus, the technical result of the proposed solution is to reduce the measurement error under the influence of unsteady temperatures and increased vibration accelerations by minimizing the voltage of the uncompensated thermoelectric power by optimizing and taking into account the ratios of the characteristics of all structural elements of the strain gauge pressure sensors with thin-film NiMEMS for extreme operating conditions.

Источники известностиSources of fame

1. RU Патент №2312319, МПК G01L 9/04. Бюл. №34. 10.12.2007.1. RU Patent No. 2312319, IPC G01L 9/04. Bull. Number 34. 12/10/2007.

2. RU Патент №2391641, МПК G01L 9/04. Бюл. №16. 10.06.2010.2. RU Patent No. 2391641, IPC G01L 9/04. Bull. No. 16. 06/10/2010.

Claims (1)

Датчик давления с тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системой (НиМЭМС), содержащий корпус, установленную в нем НиМЭМС, состоящую из упругого элемента - круглой мембраны, выполненной за одно целое с периферийным основанием, сформированной на ней гетерогенной структуры из тонких пленок материалов, в которой образованы включенные соответственно в противоположные плечи измерительного моста воспринимающие деформацию разного знака от измеряемого давления тензорезисторы, выполненные в виде соединенных тонкопленочными перемычками одинакового количества имеющих одинаковую форму тензоэлементов, расположенных по окружности на периферии мембраны, измерительные и питающие электрические цепи, соединяющие тонкопленочную НиМЭМС с выходом датчика, отличающийся тем, что на периферийном основании со стороны подачи измеряемой среды, симметрично продольной оси датчика плотно закреплена и размещена внутри периферийного основания с зазором относительно мембраны и периферийного основания в области, прилегающей к мембране, цилиндрическая втулка с цилиндрическим отверстием вдоль ее оси, при этом корпус, элементы НиМЭМС, а также расположенные внутри корпуса и вне корпуса в области, прилегающей к нему, элементы первой и второй измерительных цепей, соединяющие НиМЭМС с выходом датчика, размещены симметрично продольной оси датчика, причем элементы первой и второй измерительных цепей, расположенные вне корпуса, размещены в общем экране из материала с высокой теплопроводностью и характеристики элементов конструкции датчика связаны соотношением
Figure 00000006

где 4 - количество тензорезисторов в мостовой измерительной схеме НиМЭМС; I - количество тензоэлементов в тензорезисторе; М - количество термоэлектрических структур в тензоэлементе; Sjim - коэффициент термоэдс контактирующих материалов m-й термоэлектрической структуры i-го тензоэлемента j-го тензорезистора; Tjim - температура контактирующих материалов m-й термоэлектрической структуры i-го тензоэлемента j-го тензорезистора; σαji(T) - коэффициент Томсона для материала i-го тензоэлемента j-го тензорезистора; TjiH, TjiK - температура соответственно в начале и конце i-го тензоэлемента j-го тензорезистора;
Figure 00000007
- сопротивление j-го тензорезистора; Rj0 - сопротивление j-го тензорезистора при начальной среднеинтегральной температуре j-го тензорезистора; αj - температурный коэффициент сопротивления j-го тензорезистора; ΔTj - изменение среднеинтегральной температуры j-го тензорезистора; ТAnH, ТAnK, ТBnH, NBnK - температура в начале и конце n-й термоэлектрической неоднородности соответственно первой и второй измерительных цепей, соединяющих НиМЭМС с выходом датчика; AAn, SBn - коэффициент термоэдс контактирующих материалов n-й термоэлектрической неоднородности соответственно первой и второй измерительных цепей, соединяющих НиМЭМС с выходом датчика; σαAn(T), σαBn(T) - температура в начале и конце n-й термоэлектрической σαBn(T) - температура в начале и конце n-й термоэлектрической неоднородности соответственно первой и второй измерительных цепей, соединяющих НиМЭМС с выходом датчика; SAn, SBn - коэффициент термоэдс контактирующих материалов n-й термоэлектрической неоднородности соответственно первой и второй измерительной цепи, соединяющей НиМЭМС с выходом датчика; σαAn(T), σαBn(T) - коэффициент Томсона материала n-й термоэлектрической неоднородности соответственно первой и второй измерительных цепей, соединяющих НиМЭМС с выходом датчика; ΔU - абсолютная погрешность при воздействии нестационарной температуры и повышенных виброускорений.
A pressure sensor with a thin-film nano- and microelectromechanical system (NIMEMS), comprising a housing installed in it NIMEMS, consisting of an elastic element - a round membrane made in one piece with a peripheral base formed on it of a heterogeneous structure of thin films of materials in which strain gauges included in the opposite shoulders of the measuring bridge, which perceive deformation of a different sign from the measured pressure, are made in the form of connected thin-film jumpers by the same number of strain gauge elements having the same shape, located around the periphery of the membrane, measuring and supplying electrical circuits connecting the thin-film NiMEMS with the output of the sensor, characterized in that on the peripheral base on the supply side of the measured medium, symmetrically to the longitudinal axis of the sensor is tightly fixed and placed inside peripheral base with a gap relative to the membrane and the peripheral base in the area adjacent to the membrane, a cylindrical sleeve with a cylindrical bore along its axis, while the housing, the NiMEMS elements, as well as the elements of the first and second measuring circuits connecting the NiMEMS with the output of the sensor located inside the housing and outside the housing in the region adjacent to it, are placed symmetrically to the longitudinal axis of the sensor, the elements of the first and the second measuring circuits located outside the housing are placed in a common screen of material with high thermal conductivity and the characteristics of the sensor structural elements are related by the ratio
Figure 00000006

where 4 is the number of strain gages in the bridge measuring circuit NIMEMS; I is the number of strain elements in the strain gauge; M is the number of thermoelectric structures in the strain gauge; S jim - thermoelectric coefficient of the contacting materials of the m-th thermoelectric structure of the i-th strain element of the j-th strain gauge; T jim is the temperature of the contacting materials of the m-th thermoelectric structure of the i-th strain element of the j-th strain gauge; σ αji (T) is the Thomson coefficient for the material of the i-th strain element of the j-th strain gauge; T jiH , T jiK - temperature, respectively, at the beginning and end of the i-th strain element of the j-th strain gauge;
Figure 00000007
- resistance of the j-th strain gauge; R j0 is the resistance of the j-th strain gauge at the initial average integral temperature of the j-th strain gauge; α j is the temperature coefficient of resistance of the j-th strain gauge; ΔT j is the change in the average integral temperature of the j-th strain gauge; Т AnH , Т AnK , Т BnH , N BnK - temperature at the beginning and end of the n-th thermoelectric heterogeneity of the first and second measuring circuits, respectively, connecting NiMEMS with the sensor output; A An , S Bn - thermoelectric coefficient of the contacting materials of the nth thermoelectric heterogeneity of the first and second measuring circuits, respectively, connecting NiMEMS with the sensor output; σ αAn (T), σ αBn (T) - temperature at the beginning and end of the nth thermoelectric σ αBn (T) - temperature at the beginning and end of the n-th thermoelectric heterogeneity of the first and second measuring circuits, respectively, connecting NiMEMS with the sensor output; S An , S Bn is the coefficient of thermoelectric power of contacting materials of the nth thermoelectric heterogeneity of the first and second measuring circuit, respectively, connecting NiMEMS with the output of the sensor; σ αAn (T), σ αBn (T) is the Thomson coefficient of the material of the nth thermoelectric heterogeneity of the first and second measuring chains, respectively, connecting NiMEMS with the sensor output; ΔU is the absolute error under the influence of unsteady temperature and increased vibration accelerations.
RU2011119814/28A 2011-05-17 2011-05-17 Tensoresistive pressure sensor with thin-film nano- and micro-electromechanical system RU2463570C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011119814/28A RU2463570C1 (en) 2011-05-17 2011-05-17 Tensoresistive pressure sensor with thin-film nano- and micro-electromechanical system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011119814/28A RU2463570C1 (en) 2011-05-17 2011-05-17 Tensoresistive pressure sensor with thin-film nano- and micro-electromechanical system

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2463570C1 true RU2463570C1 (en) 2012-10-10

Family

ID=47079643

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2011119814/28A RU2463570C1 (en) 2011-05-17 2011-05-17 Tensoresistive pressure sensor with thin-film nano- and micro-electromechanical system

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2463570C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014134291A1 (en) * 2013-02-27 2014-09-04 Texas Instruments Incorporated Capacitive mems sensor devices
RU2657362C1 (en) * 2017-06-20 2018-06-13 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" Pressure sensor of strain gauge type with a thin film nano- and microelectromechanical system

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1380825A1 (en) * 2002-07-13 2004-01-14 Robert Bosch Gmbh Micromechanical pressure sensor and corresponding measuring arrangement
RU2312319C2 (en) * 2006-01-23 2007-12-10 ФГУП "НИИ физических измерений" Thin-film pressure gage
RU2391641C1 (en) * 2009-04-29 2010-06-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенский государственный университет" (ПГУ) Pressure sensor of strain gauge with thin-film nano- and microelectromechanical system
RU2397460C1 (en) * 2009-06-01 2010-08-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенский государственный университет" (ПГУ) Pressure sensor based on tensoresistor thin-film nano- and micro-electromechanical system
CN101922984A (en) * 2010-08-03 2010-12-22 江苏大学 Nano-silicon thin-membrane four-island-beam-membrane sensor chip and preparation method thereof

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1380825A1 (en) * 2002-07-13 2004-01-14 Robert Bosch Gmbh Micromechanical pressure sensor and corresponding measuring arrangement
RU2312319C2 (en) * 2006-01-23 2007-12-10 ФГУП "НИИ физических измерений" Thin-film pressure gage
RU2391641C1 (en) * 2009-04-29 2010-06-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенский государственный университет" (ПГУ) Pressure sensor of strain gauge with thin-film nano- and microelectromechanical system
RU2397460C1 (en) * 2009-06-01 2010-08-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пензенский государственный университет" (ПГУ) Pressure sensor based on tensoresistor thin-film nano- and micro-electromechanical system
CN101922984A (en) * 2010-08-03 2010-12-22 江苏大学 Nano-silicon thin-membrane four-island-beam-membrane sensor chip and preparation method thereof

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014134291A1 (en) * 2013-02-27 2014-09-04 Texas Instruments Incorporated Capacitive mems sensor devices
US9470710B2 (en) 2013-02-27 2016-10-18 Texas Instruments Incorporated Capacitive MEMS sensor devices
US10107830B2 (en) 2013-02-27 2018-10-23 Texas Instruments Incorporated Method of forming capacitive MEMS sensor devices
RU2657362C1 (en) * 2017-06-20 2018-06-13 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт физических измерений" Pressure sensor of strain gauge type with a thin film nano- and microelectromechanical system

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN114674520B (en) Sensitivity temperature effect correction method for force measuring wind tunnel test strain balance
CN106643463B (en) A kind of flexibility full-bridge type resistance strain gage
CN204085667U (en) Electronic scales
CN104019931B (en) A kind of determine horizontal centre-point load under the method for annular prestressed film maximum stress
CN106840481B (en) A kind of the resistance strain gage force measuring method and system of adaptive measuring
RU2463570C1 (en) Tensoresistive pressure sensor with thin-film nano- and micro-electromechanical system
CN108759652B (en) A kind of curvature measurement method based on favour stone full-bridge principle
RU2312319C2 (en) Thin-film pressure gage
CN105572173B (en) The device and method of inverse flexoelectric coefficient is measured by screw displacement enlarged structure
JP2015125033A (en) Flow rate sensor and system for controlling internal combustion engine
CN106895886B (en) High-sensitivity gas flow measuring device and method based on giant piezoresistive sensor
US20150027221A1 (en) Thermal flowmeter
CN104299483B (en) A kind of bridge type Young's modulus combination instrument
RU2657362C1 (en) Pressure sensor of strain gauge type with a thin film nano- and microelectromechanical system
Cimbala Stress, strain, and strain gages
RU2391641C1 (en) Pressure sensor of strain gauge with thin-film nano- and microelectromechanical system
CN201488787U (en) Force-measuring weighing sensor
CN111855052A (en) Torque sensor, torque sensing device, torque sensing system and measuring method thereof
RU2601613C1 (en) Thermally stable pressure sensor based on nano-and micro-electromechanical system with membrane having rigid centre
CN205102968U (en) Laser suo li testing arrangement
CN114689224B (en) Differential pressure type MEMS piezoresistive sensor and self-testing method thereof
CN204155503U (en) A kind of bridge type Young modulus combination instrument
WO2018176199A1 (en) Piezoresistive sensor, pressure detection device, and electronic device
CN105092076A (en) Ultrahigh precision digital thermometric indicator replacing precise mercury thermometer
CN211696655U (en) Circuit for temperature compensation of symmetrical weight pressure sensor