Тензорезисторный датчик давления на основе тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системы

Тензорезисторный датчик давления на основе тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системы

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике, в частности к тензорезисторным датчикам давления на основе тонкопленочных нано- и микроэлектромеханических систем с мостовой измерительной цепью, предназначенным для использования в различных областях науки и техники, связанных с измерением давления в условиях воздействия повышенных виброускорений и широкого диапазона нестационарных температур окружающей и измеряемых сред.

Известна конструкция датчика давления, предназначенная для использования в условиях воздействия повышенных виброускорений и широкого диапазона температур, содержащая чувствительный элемент, накидную гайку, внутри которой частично расположен цилиндрический корпус с элементами коммутации, кабельный ввод, кабельную перемычку и установленную на цилиндрическом корпусе глухую резьбовую втулку, на боковой поверхности которой выполнен цилиндрический патрубок с отверстием, расположенным к корпусу под острым углом, определяемым соотношением в зависимости от размеров накидной гайки [1].

Указанное решение не обладает требуемой точностью к воздействию повышенных виброускорений и широкого диапазона нестационарных температур, так как при воздействии на датчик виброускорений сложного спектрального состава и широкого диапазона температур виброперемещения кабельного ввода и кабельной перемычки вследствие наличия консоли, образованной патрубком, а также сравнительно большой длины незакрепленной части кабельной перемычки могут достичь значительно большей величины по сравнению с виброперемещениями на резьбовой втулке в месте присоединения патрубка. В результате воздействия повышенных виброперемещений кабельный ввод и кабельная перемычка дополнительно нагреваются. Кроме того, причиной повышенных виброперемещений и температуры может быть совпадение собственной частоты патрубка с одной из гармоник вибраций изделия. Повышенные виброперемещения и температура кабельного ввода и кабельной перемычки приводят к появлению дополнительной погрешности, проявляющейся в виде изменения выходного сигнала, некоррелируемого с измеряемым давлением в самый ответственный момент измерения давления, а при очень высоких уровнях виброускорений - к разрушению кабельного ввода и кабельной перемычки.

Наиболее близким к предлагаемому решению по технической сущности (прототипом) является тензорезисторный датчик давления на основе тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системы, содержащий чувствительный элемент, накидную гайку, внутри которой частично расположен цилиндрический корпус с элементами коммутации, кабельную перемычку и установленную на цилиндрическом корпусе резьбовую втулку, на боковой поверхности которой выполнен патрубок с отверстием, расположенным к корпусу под острым углом α, патрубок частично или полностью выполнен в виде локального и плавного утолщения боковой стенки втулки по мере приближения к отверстию, а в отверстии патрубка в области его утолщения со стороны внутренней полости выполнен расширенный участок, в котором размещены элементы крепления кабельной перемычки, при этом цилиндрический корпус герметично соединен с одной стороны по торцу с контактной колодкой, а с другой стороны - с чувствительным элементом, отверстие патрубка относительно продольной оси датчика расположено под углом α [2].

Техническое решение по прототипу также не обеспечивает необходимую точность датчика к воздействию повышенных виброускорений и широкого диапазона нестационарной температуры окружающей среды из-за появления дополнительной погрешности за счет различия температур термоэлектрических неоднородностей датчика вследствие неодинаковых, вызванных этими воздействующими факторами температур токопроводящих жил кабельной перемычки. При воздействии нестационарной температуры окружающей среды наибольшую погрешность вносят термоэлектрические неоднородности контакты контактной колодки - токопроводящие жилы кабельной перемычки, изображенные на фиг.1, выноска Б. Термоэлектрические неоднородности вызваны разнородностью материалов, используемых для контактов контактной колодки (традиционно никель-кадмиевый сплав 29 НК) и токопроводящих жил кабельной перемычки (медь и ее сплавы). Определенный Белозубовым Е.М. коэффициент термоэдс термоэлектрической неоднородности сплав 29НК-медная токопроводящая жила провода МГТФ в диапазоне температур от 25 до минус 196°С равен 20,7 мкВ/°С. Экспериментально определенная разность температур на вышеуказанных термоэлектрических неоднородностях при воздействии на датчик по прототипу повышенных виброускорений 10000 м/с² может достигать 17,4°С. Поэтому при номинальном выходном сигнале датчика 9 мВ погрешность датчика по прототипу при вышеуказанных воздействиях достигает 5·10^-6 с²/м. Кроме того, в связи с неоптимальностью размеров чувствительного элемента датчик по прототипу имеет неудовлетворительную погрешность при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды. Эта погрешность вызвана в том числе различной температурой симметрично размещенных на мембране термоэлектрических неоднородностей контактные площадки-тензорезисторы. Предлагаемое в прототипе с целью уменьшения виброперемещений дополнительное закрепление кабельной перемычки на шестиграннике накидной гайки также недостаточно эффективно вследствие наличия значительного незакрепленного участка кабельной перемычки из-за несовпадения плоскости шестигранника с необходимым направлением кабельной перемычки вследствие случайной ориентации накидной гайки при завинчивании.

Целью предлагаемого изобретения является уменьшение погрешности датчика давления к воздействию повышенных виброускорений и широкого диапазона нестационарных температур измеряемой и окружающей среды за счет уменьшения вызванных этими воздействующими факторами различия температур термоэлектрических неоднородностей: контакты контактной колодки - токопроводящие жилы кабельной перемычки, контактные площадки-тензорезисторы, а также за счет оптимизации конструкции кабельной перемычки, чувствительного элемента, накидной гайки и датчика в целом.

Поставленная цель достигается тем, что в тензорезисторном датчике давления на основе тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системы, содержащем чувствительный элемент, накидную гайку, внутри которой частично расположен цилиндрический корпус с элементами коммутации, кабельную перемычку и установленную на цилиндрическом корпусе резьбовую втулку, на боковой поверхности которой выполнен патрубок с отверстием, расположенным к корпусу под острым углом α, патрубок частично или полностью выполнен в виде локального и плавного утолщения боковой стенки втулки по мере приближения к отверстию, а в отверстии патрубка в области его утолщения со стороны внутренней полости выполнен расширенный участок, в котором размещены элементы крепления кабельной перемычки, при этом цилиндрический корпус герметично соединен с одной стороны по торцу с контактной колодкой, а с другой стороны - с чувствительным элементом, в соответствии с заявляемым изобретением, кабельная перемычка выполнена в виде четырех скрученных с шагом скрутки, не превышающим длины кабельной перемычки, электрически изолированных с помощью фторопласта или полиимида медных посеребренных токопроводящих жил с общим экраном в виде оплетки из медных посеребренных проволок, защищенной фторопластовой или полиимидно-фторопластовой пленкой, при этом полость между контактной колодкой, расширенным участком и стенками втулки заполнена полимерным материалом с меньшим, не менее чем в 10 раз по сравнению с материалом втулки, коэффициентом теплопроводности, и боковая поверхность накидной гайки в области, прилегающей к ближайшему к втулке торцу накидной гайки, выполнена в виде прямой круговой конической поверхности, ограниченной со стороны втулки торцем накидной гайки, а с другой стороны сопрягающейся с шестигранником накидной гайки, причем ось конической поверхности совпадает с продольной осью датчика, при этом угол между образующей конической поверхности и продольной осью датчика равен углу расположения отверстия патрубка относительно продольной оси датчика, а чувствительный элемент выполнен таким образом, что площади боковой поверхности его приемной полости и мембраны удовлетворяют соотношению

S_Б=(10..14)S_М,

где S_Б - площадь боковой поверхности приемной полости чувствительного элемента;

S_М=(7…20)10^-6 м² - площадь мембраны.

Кроме того, в соответствии с заявляемым изобретением радиус r₀ конической поверхности в плоскости ближайшей к втулке торцевой поверхности накидной гайки выполнен в соответствии с соотношением r₀=L₀ sinα-0,5d_K(sinα)^-1,

где L₀ - расстояние между точками пересечения продольной оси отверстия втулки с продольной осью датчика и с плоскостью ближайшей к втулке торцевой поверхности накидной гайки;

d_К - диаметр кабельной перемычки,

а чувствительный элемент выполнен таким образом, что площади боковой поверхности его приемной полости и мембраны удовлетворяют соотношению

S_Б=13,4 S_М, где S_М=12,56·10^-6 м².

Установление причинно-следственной связи заявляемых признаков и достигаемого технического эффекта проведем следующим образом. В связи с выполнением кабельной перемычки в виде четырех токопроводящих жил обеспечивается необходимое симметрирование электрической цепи, необходимое для уменьшения величины нескомпенсированной термоэдс термоэлектрических неоднородностей контакты контактной колодки - токопроводящие жилы кабельной перемычки, а следовательно, и погрешности, возникающей при воздействии виброускорений и нестационарных температур. Любое другое количество токопроводящих жил приведет к возрастанию нескомпенсированной термоэдс или снижению надежности вследствие избыточного количества жил. Скрученность жил уменьшает различия температур токопроводящих жил кабельной перемычки и термоэлектрических неоднородностей контакты контактной колодки - токопроводящие жилы кабельной перемычки вследствие усреднения температур, возникающих в результате воздействия виброускорений и нестационарной температуры, как окружающей среды, так и возникающей в результате воздействия виброускорений. При этом для повышения эффекта выравнивания температур шаг скрутки выполнен не превышающим длины кабельной перемычки, так как в этом случае, например при воздействии равномерного нестационарного теплового потока, направленного перпендикулярно кабельной перемычке, температуры жил практически одинаковы вследствие того, что каждая жила подвергается практически одинаковым температурным воздействиям. В связи с использованием фторопласта или полиимида для электрической изоляции обеспечивается дальнейшее уменьшение разности температур токопроводящих жил, возникающих при воздействии виброускорений и нестационарных температур, за счет повышения теплопроводности изоляции вследствие возможности уменьшения ее толщины. Эта возможность связана с уникальными электроизоляционными, термическими, механическими свойствами фторопласта и полиимида. Например, электрическая прочность фторопласта и полиимида достигает 100 кВ/мм, удельное объемное электрическое сопротивление 10¹⁷ Ом см, коэффициент теплопроводности λ=0,2 Вт/(м·К) - что при типичном напряжении питания датчика не более 10 В и необходимом сопротивлении изоляции между токопроводящими жилами 10⁸ Ом позволяет выполнять толщину фторопласта или полиимида минимальной толщины, например 10 мкм. В этом случае термическое сопротивление изоляции, определяемое в упрощенном виде как отношение толщины материала к его коэффициенту теплопроводности, становится небольшим и приводит к меньшей разнице температур токопроводящих жил. Такое решение позволяет изготавливать кабельную перемычку с 4 токоведущими жилами диаметром 0,35 мм с уменьшенными массой, наружным диаметром и практически однородными термическими характеристиками, что увеличивает вибростойкость вследствие уменьшения массы и уменьшает погрешность при воздействии нестационарной температуры окружающей среды. Медные посеребренные токопроводящие жилы вследствие максимальной теплопроводности в сочетании со скрученностью жил и экраном в виде оплетки из медных посеребренных проволок, защищенной фторопластовой или полиимидно-фторопластовой пленкой, обеспечивают дальнейшее выравнивание температур токопроводящих жил, а следовательно, температур термоэлектрических неоднородностей и уменьшение погрешности. Кроме того, серебрение медных токопроводящих жил и проволок экранов предотвращает их окисление от воздействия нестационарных температур и виброускорений, что повышает вибростойкость датчика при длительном воздействии виброускорений и повышает временную стабильность. Заполнение полости между контактной колодкой, расширенным участком и стенками втулки полимерным материалом с меньшим, не менее чем в 10 раз по сравнению с материалом втулки, коэффициентом теплопроводности обеспечивает выравнивание температур токопроводящих жил в случае воздействия нестационарных температур непосредственно на втулку, например, как показано стрелкой А на фиг.1, за счет выравнивания температур на втулке вследствие ее высокой теплопроводности и последующего их уменьшения вследствие плохой теплопроводности полимерного материала. Использование полимерного материала с низкой теплопроводностью также уменьшает время готовности датчика после подачи напряжения питания. Выполнение боковой поверхности накидной гайки в области, прилегающей к ближайшему к втулке торцу накидной гайки, в виде прямой круговой конической поверхности, ограниченной со стороны втулки торцем накидной гайки, а с другой стороны сопрягающейся с шестигранником накидной гайки, причем ось конической поверхности совпадает с продольной осью датчика, а угол между образующей конической поверхности и продольной осью датчика равен углу расположения отверстия патрубка относительно продольной оси датчика обеспечивает возможность закрепления кабельной перемычки на конической поверхности непосредственно после выхода ее из патрубка независимо от дальнейшего ее направления, что приводит к уменьшению длины незакрепленной части кабельной перемычки, а следовательно, к уменьшению температуры кабельной перемычки и погрешности при воздействии виброускорений. Оптимальное с точки зрения уменьшения погрешности датчика при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды и виброускорений соотношение площадей боковой поверхности приемной полости и мембраны чувствительного элемента определено экспериментально для площадей мембраны S_М=(7…20)10^-6 м². При этом экспериментально определено, что в случае если S_Б<10S_М, то погрешность датчика при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды становится неприемлемо большой, а если S_Б>14S_М, то увеличивается погрешность от воздействия виброускорений. Попутно экспериментально определено, что при заявляемых соотношениях площадей боковой поверхности приемной полости и мембраны происходит уменьшение погрешности от воздействия нестационарной температуры окружающей среды вследствие симметрирования в общем случае несимметричных тепловых потоков окружающей среды. Кроме того, экспериментально подтверждено, что из всех значений и сочетаний площадей мембраны и боковой поверхности приемной полости чувствительного элемента, приведенных в пункте 1 формулы изобретения, оптимальным с точки зрения минимизации влияния нестационарных температур и виброускорений, а также уменьшения времени готовности датчика являются значения S_Б=13,4 S_М, S_М=2,56·10^-6 м². В связи с тем, что радиус r₀ конической поверхности в плоскости ближайшей к втулке торцевой поверхности накидной гайки выполнен в соответствии с соотношением r₀=L₀sinα-0,5d_K(sinα)^-1, становится возможным закрепление кабельной перемычки на конической поверхности накидной гайки без изменения прямолинейного направления кабельной перемычки, что приводит к уменьшению длины незакрепленной части кабельной перемычки, а следовательно, к уменьшению температуры кабельной перемычки и погрешности при воздействии виброускорений. Для обоснованияе заявляемого соотношения обратимся к фиг. 3. Из треугольника АВС определим значение радиуса в виде

r₀=АЕ=АС-ЕС=L₀sinα-EC,

где А - точка пересечения продольной оси 17 датчика с плоскостью ближайшей к втулке торцевой поверхности накидной гайки;

Е - ближайшая к продольной оси 17 датчика точка пересечения кабельной перемычки 5 с плоскостью ближайшей к втулке торцевой поверхности накидной гайки;

С - точка пересечения продольной оси 20 отверстия патрубка с плоскостью ближайшей к втулке торцевой поверхности накидной гайки;

В - точка пересечения продольной оси 17 датчика с продольной осью 20 отверстия патрубка.

Из треугольника ECD определим ЕС в виде

EC=ED(cosβ)^-1,

где D - точка пересечения продольной оси 20 отверстия патрубка с линией, перпендикулярной этой оси и проходящей через точку Е.

Подставляя полученное выражение в выражение для r₀ и учитывая, что ED=0,5 d_К, γ=α, β=180°-90°-γ=90°-γ=90-α и cos(90-α)=sinα, получим

r₀=L₀sinα-0,5d_K(sinα)^-1

На фиг.1 изображен предлагаемый тонкопленочный датчик давления в соответствии с пунктом 1 формулы изобретения, на фиг.2 - в соответствии с пунктом 2 формулы изобретения. На фигуре 3 приведена упрощенная схема размещения кабельной перемычки в соответствии с пунктом 2 формулы изобретения. Датчик давления содержит чувствительный элемент 1 в виде тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системы, накидную гайку 2, внутри которой частично расположен цилиндрический корпус 3 с контактной колодкой 4 и другими элементами коммутации, кабельную перемычку 5 и установленную на цилиндрическом корпусе резьбовую втулку 6, на боковой поверхности которой выполнен патрубок 7 с отверстием 8, расположенным к корпусу под острым углом α. Патрубок 7 частично или полностью выполнен в виде локального и плавного утолщения боковой стенки втулки по мере приближения к отверстию 8, а в отверстии 8 утолщения со стороны внутренней полости 9 выполнен расширенный участок 10, в котором размещены элементы крепления 11 кабельной перемычки 5. Цилиндрический корпус 3 герметично соединен с одной стороны по торцу с контактной колодкой 4, а с другой стороны - с чувствительным элементом 1. Таким образом, цилиндрический корпус 3 обеспечивает герметичность внутренней полости датчика. Кабельная перемычка 5 выполнена в виде четырех скрученных с шагом скрутки, не превышающим длины кабельной перемычки, электрически изолированных с помощью фторопласта или полиимида медных посеребренных токопроводящих жил с общим экраном 12 в виде оплетки из медных посеребренных проволок, защищенной фторопластовой или полиимидно-фторопластовой пленкой 13. Полость 9 между контактной колодкой 4, расширенным участком 10 и стенками втулки 6 заполнена полимерным материалом с меньшим, не менее чем в 10 раз по сравнению с материалом втулки, коэффициентом теплопроводности. Боковая поверхность накидной гайки в области, прилегающей к ближайшему к втулке 6 торцу 14 накидной гайки, выполнена в виде прямой круговой конической поверхности 15, ограниченной со стороны втулки торцем 14 накидной гайки 2, а с другой стороны сопрягающейся с шестигранником 16 накидной гайки 2, причем ось конической поверхности совпадает с продольной осью 17 датчика, и угол между образующей конической поверхности 15 и продольной осью 17 датчика равен углу расположения отверстия 8 патрубка относительно продольной оси датчика 17. Чувствительный элемент 1 выполнен таким образом, что площади боковой поверхности 18 его приемной полости и мембраны 19 удовлетворяют соотношению S_Б=(10..14)S_М. В соответствии с п.2 формулы радиус r₀ конической поверхности в плоскости ближайшей к втулке торцевой поверхности накидной гайки выполнен по заявляемому соотношению, а чувствительный элемент выполнен таким образом, что площади боковой поверхности его приемной полости и мембраны удовлетворяют соотношению S_Б=13,4 S_М, S_М=12,56·10^-6 м².

Датчик работает следующим образом. Под воздействием измеряемого давления в мембране 18 чувствительного элемента 1 возникают поверхностные деформации, которые воспринимаются и преобразуются в относительные изменения сопротивлений тонкопленочными тензорезисторами, размещенными на мембране 18. Токопроводящие жилы кабельной перемычки 5 служат для подачи на тензорезисторы напряжения питания и съема с них выходного сигнала через контакты контактной колодки 4. При воздействии виброускорений, нестационарной температуры окружающей среды, нестационарной температуры измеряемой среды на датчик в процессе эксплуатации в составе изделия, все элементы датчика также подвергнутся этим воздействиям. За счет выполнения конструкции кабельной перемычки 5, чувствительного элемента 1, накидной гайки 2 и датчика в целом в соответствии с заявляемыми решениями уменьшаются виброперемещения кабельной перемычки 5, уменьшаются температуры и разницы температур термоэлектрических неоднородностей: контакты контактной колодки 4 - токопроводяще жилы кабельной перемычки 5, контактные площадки-тензорезисторы, а следовательно, уменьшается погрешность датчика от воздействия виброускорений, нестационарной температуры окружающей среды, нестационарной температуры измеряемой среды, достигается повышение вибростойкости и временной стабильности датчика.

Автономные испытания макетных образцов датчиков, изготовленных в соответствии с заявляемыми решениями, показали, что их погрешность при воздействии повышенных виброускорений 10000 м/с² не превышает 2·10^-6 с^-2/м, при воздействии нестационарной температуры окружающей среды от минус 196°С до 25±°С не превышает 4,6·10^-3°С^-1, при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды от 25±°С до минус 196°С не превышает 4,6·10^-3°С^-1, масса датчика составила 85 г., время готовности датчика после подачи напряжения питания 10 с. Автономные испытания датчиков, изготовленных в соответствии с решениями по прототипу показали, что их погрешность при воздействии повышенных виброускорений 10000 м/с² не превышает 5·10^-6 с^-2/м, при воздействии нестационарной температуры окружающей среды от минус 196°С до 25±°С не превышает 14·10^-3°С^-1, при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды от 25±°С до минус 196°С не превышает 14·10^-3°С^-1, масса датчика 100 г, время готовности датчика после подачи напряжения питания 30 с.

Таким образом, техническим результатом предлагаемого изобретения является уменьшение погрешности датчика давления при воздействии повышенных виброускорений и широкого диапазона нестационарных температур измеряемой и окружающей среды за счет уменьшения вызванных этими воздействующими факторами различия температур термоэлектрических неоднородностей: контакты контактной колодки - токопроводящие жилы кабельной перемычки, контактные площадки-тензорезисторы, а также за счет оптимизации конструкции кабельной перемычки, чувствительного элемента и накидной гайки. Другим преимуществом предлагаемой конструкции является то, что улучшение характеристик достигнуто с одновременным уменьшением массы и с сохранением присоединительных размеров без усложнения конструкции датчика. Кроме того, преимуществом заявляемого решения является уменьшение времени готовности после подачи напряжения питания и повышение временной стабильности датчика.

Используемые источники

1. Патент РФ №2041453, G01L 19/06. Бюл. №22 от 09.08.1995.

2. Патент РФ №2397462, G01L 19/06. Бюл. №23 от 20.08.2010.

1. Тензорезисторный датчик давления на основе тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системы, содержащий чувствительный элемент, накидную гайку, внутри которой частично расположен цилиндрический корпус с элементами коммутации, кабельную перемычку и установленную на цилиндрическом корпусе резьбовую втулку, на боковой поверхности которой выполнен патрубок с отверстием, расположенным к корпусу под острым углом α, и патрубок частично или полностью выполнен в виде локального и плавного утолщения боковой стенки втулки по мере приближения к отверстию, а в отверстии патрубка в области его утолщения со стороны внутренней полости выполнен расширенный участок, в котором размещены элементы крепления кабельной перемычки, при этом цилиндрический корпус герметично соединен с одной стороны по торцу с контактной колодкой, и с другой стороны - с чувствительным элементом, отличающийся тем, что кабельная перемычка выполнена в виде четырех скрученных с шагом скрутки, не превышающим длины кабельной перемычки, электрически изолированных с помощью фторопласта или полиимида медных посеребренных токопроводящих жил с общим экраном в виде оплетки из медных посеребренных проволок, защищенной фторопластовой или полиимидно-фторопластовой пленкой, при этом полость между контактной колодкой, расширенным участком и стенками втулки заполнена полимерным материалом с меньшим, не менее чем в 10 раз по сравнению с материалом втулки, коэффициентом теплопроводности, и боковая поверхность накидной гайки в области, прилегающей к ближайшему к втулке торцу накидной гайки, выполнена в виде прямой круговой конической поверхности, ограниченной со стороны втулки торцем накидной гайки, а с другой стороны сопрягающейся с шестигранником накидной гайки, причем ось конической поверхности совпадает с продольной осью датчика, и угол между образующей конической поверхности и продольной осью датчика равен углу расположения отверстия патрубка относительно продольной оси датчика, а чувствительный элемент выполнен таким образом, что площади боковой поверхности его приемной полости и мембраны удовлетворяют соотношениюS_Б=(10…14)S_М,где S_Б - площадь боковой поверхности приемной полости чувствительного элемента;S_М=(7…20)10^-6 м² - площадь мембраны.

2. Тензорезисторный датчик давления на основе тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системы по п.1, отличающийся тем, что радиус r₀ конической поверхности в плоскости ближайшей к втулке торцевой поверхности накидной гайки выполнен в соответствии с соотношениемr₀=L₀sinα-0,5d_К(соsα)^-1,где L₀ - расстояние между точками пересечения продольной оси отверстия втулки с продольной осью датчика и с плоскостью ближайшей к втулке торцевой поверхности накидной гайки;d_К - диаметр кабельной перемычки,а чувствительный элемент выполнен таким образом, что площади боковой поверхности его приемной полости и мембраны удовлетворяют соотношениюS_Б=13,4 S_М,где S_М=12,56·10^-6 м².