Интегральный чувствительный элемент датчика механических величин

Интегральный чувствительный элемент датчика механических величин

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

О П И C А Н--И-Е

ИЗОБРЕТЕНИЯ (61) Дополннтельное н авт. санд-ву (22) Заявлено 080877 {21) 2515058/18-10 (51)М. Кл.з

6 01 Р 15/02 а 01 L, 7/08

Гоеударетвенный номнтет ссср оо делам нзобретеннй н открнтнй (53) УДК 531. 768 (088. 8) Опубликовано 05107".. Ьоллетень NP 37

Дата опф лнноеання опнсання 05.1 0;79 (72) Автор н 3обрют@н и я

В.И.Пквоненков (54) ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЯ ЭЛЕМЕНТ

ДаТЧИКЛ ИЕХЛНИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к интегральным чувствительным элементам датчиков механических величин, например вибрации.

Известен чувствительный элемент (ЧЭ), содержащий металлическую мембрану, с закрепленными на ней тензореэисторами (1), указанный ЧЭ содержит мембрану, в которой выполнены овальные отверстия, с расположенными на ней тенэорезисторами. Такой ЧЭ обладает низкой чувствительностью иэ-эа значительной жесткости мембраны.

Этот недостаток устранен в ЧЭ, содержащем выполненные за одно целое мембрану с расположенной по ее диаметру балкой и тензорезисторы, расположенные на поверхности балки, над выполненными и ней сквозными отверстиями, оси которых расположены в плоскости, параллельной плоскости мембраны, причем ось одного иэ отверстий проходит через ось датчика, а оси двух других расположены симметрично оси первого на расстоянии, определяемом соотношением Р 4 (0,4-0 6) Д, где Д вЂ” диаметр мембраны 1 2 j. указанный ЧЗ обладает рядом недостатков. Он имеет невысокую резонансную частоту, поскольку при нагружении центральная часть мембраны смещается на значительную величину, Смещение центра мембраны .складывается иэ смещения деформируемых участков балки в районе отверстий и иэ поворота участков балки, расположенных между отверстиями, Вторьм недостатком ЧЭ является нестабильность его начального сигнала в датчике под влиянием деформаций, вызванных креплением мембраны к корпусу. При закреплении мембраны в корпусе датчика она деформируется, эти деформации передаются к тензорезисторам, что меняет сигнал датчика. В Дальнейшем, при

2О изменении температуры, по прошествии времени и при креплении датчика на,измеряемом объекте деформации меняются, что приводит к нестабильности начального сигнала ЧЭ и снижению точности измерений. Один и тот же изгиб мембраны при креплении ее к корпусу (т.е. один и ТоТ же наклон на периферии в месте закрепления) приводит к одинаковой ее кривизне над отверстиями -ф —, где

«(> —. Угол на к. >ока,. а >" — текущее зна ение радиуса. Деформация тензореэисторон 8. будет определяться кривизной поверхности н месте их расположж -ия — — и их удалением

d «>

D:» срединной кедеформируемой при изгибе гло".Koñòè балки „ где

Н вЂ” толщина балки:

á< )1

Ввиду значительной величины Н деформации Е, обусловленные закреплением, будут велики. Расположение тенэорезисторон на периферии мембраны, на расстоянии 8, = (0,4 — О, 6) Д; рядом с местом креплени я к корпус у приводит к непосредственной передаче деформаций o* крепления на тенЭорезисторы. Приближение же тензорезисторов к центру мембраны, т.е, Удаление их от места крепленчя мембраны, с целью уменьшения влияния закрепления,приводит н рассматриваемом ЧЭ к падению чувствительности

1 из-за уменьшения величины плеча.

Кроме того, рассмотренный ЧЭ обладает значительной чувстнительностью к градиенту температуры из а удаленности тенэорезисторов смежных .плеч моста друг от друга. При наличии градиента температуры -д d ) разность температур тенэорезисторон фмежнрх плеч r Т будет равна:

;ьТ --,-г-„-, где 3 (0,4-0,6) Д, а Ддиаметр мембраны. Различие температур тенэореэисторон смежных плеч приведет к дополнительной ошибке

Измерения. По этой же причине (удаленность тензореэисторов смежных

Плеч моста друг от друга) будет ве4ик разброс параметров резисторов 49 по отношению друг к другу. При любом интегральном методе получения тенэореэисторной схемы (диффузия, эпитаксия, напыление) характеристики получаемых тенэореэисторов опре— деляются локальными параметрами

Процесса (температура, концентрация примесей и т.д.). Из-за наличия градиентон по этим параметрам

При получении схемы получаемый разброс характеристик тензорезисторов тем больше, чем дальше они расположены друг от друга, Так, различие удельного сопротивления пленки на .пластине н структурах кремний на сапфире доходит согласно Ту до 10%, в то время как н резисторах, расположенных н непосредственной близости, этот раз.брос не превышает 1-2%.

Целью изобретения является цовы- 6О шение резонансной частоты и стабильности характеристик преобразователя.

Это достигается тем, что в изве стном чувствительном элементе, содер- 65

>«ащем мембрану, снабженную с одной стороны углублениями, соединенными п=-эами, над которыми располагаются одинаковые ориентированные тензореэисторы, соединенные н мостовую сх»;.У, в мембране выполнено четное исло пазов, попарно симметричных относительно центра мембраны, а тенэорезисторы, включенные в смежные плечи моста, расположены с плоской стороны мембраны у границ пазов на расстоянии, не большем трети ширины паза, причем толщина мембраны связана с толщиной мембраны под тензореэисторами соотношением †„ (Ь

Н

На фиг. l изображен общий вид предлагаемого ЧЭ; на фиг. 2 взаимное расположение тенэорезисторон относительно друг друга и границ паза; на фиг. 3 — возможный вариант выполнения паза; на фиг. 4 — возможные конструктивные решения ЧЭ н составе узлов крепления н датчиках давления, нибрасилы.

ЧЭ содержит мембрану 1 с выполненными ка ней с одной стороны углублениями 2, соединенными пазами 3, над которыми располагаются тензорезисторы 4, 5, 6, 7, 8, расположенные на расстоянии Ь, не большем трети ширины паза д от его границ 9. Воэмсжно два расположекия тенэореэисторов смежных плеч моста. В первом случае тензорезисторы располагаются поперек паза по диаметру мембраны (реэисторы

5, 6). Другое возможное выполнение тензореэисторон — вдоль паза, перпендикулярно диаметру мембраны (резисторы 7, 8). При любом выполнении резисторы располагаются параллельно друг другу, у противоположных границ паза 9, на рассòopíèp в, ке большем трети ширины паза d от них. Оба паза 3 располагаются на равном расстоянии от центрального участка 10 мембраны и края (периферийной части) мембраны 11. Пазы могут быть вы"полненными >>аздвоенными на две части 12 и 13„п»оходящие непосредственно над тенэореэисторами 4, в то в>>емя как часть 14 мембраны, оясположенкая между резисторами 4, выполнена с неумекьшенной толщиной.

В составе датчика давления (фиг, 4а) ЧЭ крепится к корпусу 15 своей периферийной частью 11, в составе датчика вибрации ЧЭ (фиг.4б) крепится к корпусу 15 центральной частью, в то время как к периферии ЧЭ крепится груз 16. В составе датчика силы к корпусу крепится периферия мембраны, а к центру шток 17, Устройство работает следующим образом. При ноздейстнии измеряе690393 мого механического параметра (например ускорение) корпус вместе с центральным участком 10 мембраны смещается относительно ее периферийной части 11, мембрана деформируется, причем деформация максимальна в месте расположения пазов и близка к нулю в центре и на периферии мембраны, где ее жесткость гораздо выше иэ-за большей толщины. При этом центральная и периферийная части мембраны смещаются плоскопараллельно, вследствие чего смещение груза определяется лишь смещением границ пазов относительно друг друга, равным:

d3 „ ., рз а деформация е на границе пазов:

Е2а V. 1Л так, что смещение, необходимое для создания деформации и, будет:

0 б= — g—

3 где h — толщина мембраны и месте расположения паза, с1 — поперечный размер паза, У вЂ” действующая сила.

В то же время в чувствительном элементе, выбранном н качестве прототипа, прогиб 6> будет:

d д;-2 Е(бр+ — 2 ) H (f HИd а отношение: у=в — 1- ), (1 з а з . При изготовлении йнтегральных

ЧЭ, как правило, используются подложки толщиной Н = 200+400 мкм, а травление до толщины h меньше 50 мкм затрудняет дальнейшее проведение фотолитографии, поэтому характерная величина отношения Й- А 4.

Н

Соотношение - - определяется размерами тенэорезисторов, которые зави- . сят от их номинала (Х кОм). Его характерная величина равняется 5-;10.

При вышеуказанных характерных значениях . 4 4 и ф = 5ф10 предлагаемый ЧЭ позволяет получить выигрыш в прогибе в 7-. 15 раз, т.е. увеличить резонансную частоту в 2,5+4 раза, при той же чувствительности по сравнению с прототипом.

В рассматриваемом ЧЭ при нагружении деформации по ширине паза меняются от максимальной на одной границе паза до нуля .на середине паза и до максимальной, но противоположного знака, на другой границе паза, причем изменение деформаций по ширине паза линейно, Поэтому тензореэисторы, расположенные у противоположных границ паза, будут испытывать деформации противоположного знака и пр. — включении н смежные плечи обеспечивают максимальный сигнал. Если размер участка, занимаемого тензореэистором

Ь, то его средняя деформация будет равна."

Е.= 3. „(1 -.-, ), При Ь W -d обесйечийается эффектин3 ная работа тензосхемы с потерями, не превышающими 30%.

Влияние деформаций, обусловленных закреплением ЧЭ в датчике, на стабильность характеристик ЧЭ ослабляется из-эа уменьшения толщины оболочки, работающей на изгиб, в месте расположения тенэореэисторон с Н до Л (т.е, примерно н 4 раза) согласно (1 ) и расположения пазов на равном удалении от периферии и центра мембраны. При этом деформации, обусловленные креплением мембраны к корпусу (и грузу или штоку н случав,датчиков вибрации или схемы) будут передаваться на пазы не непосредстненно, а через соответствующие участки мембраны, дополнительно уменьшаясь по величине. Следует отметить, что чувствительность к силе при этом не уменьшается, так как н отличие от прототипа она не зависит от плеча и определяется лишь шириной паза d u. толщиной мембраны в месте расположения паза h

Влияние градиента температуры и разброс отдельных тенэореэисторов в предлагаемом ЧЭ уменьшаются, поскольку расстояния между тензорезисторами,. лежащими н смежно< плечах моста, определяющие. эти. эффекты, уменьшаются с f =(0,4- .0,6)Д до d = (0,05+0,15) Д, т,е. в Зф12 раэ.

Это уменьшит разброс реэисторон и различие их температур, обусловленное градиентом температуры, и повысит тем самым стабильность характеристик ЧЭ.

Выполнение паза раздвоенным, как показано на фиг. 3, позволяет без уменьшения чувствительности дополнительно увеличить жесткости центральной части паза.

Реализация предлагаемого технического решения позволяет в 2,5+4 раза унеличить резонансную частоту ЧЭ, беэ уменьшения его чувствительности, что особенно важно при измерениях вибрации и других быстроменяющихся процессов (измерение давления, силы) и улучшить стабильность характеристик .ЧЭ за счет уменьшения влияния закрепления, уменьшения в 3-:12 раз влияния градиента температуры и уменьшения разброса характеристик отдельных тензореэисторов.

69ОЗ9З

12

УФ с-с

Формула изобретения

Интегральный чувствительный эле мент датчика механических величин, содержащий мембрану, снаб" жеиную с одной стороны углубления,ьщ, соединенными пазами, над которыми расположены тензореэисторы, соединенные в мостовую схему, о тл и ч а ю щ и й. с я тем, что, с целью повышения резонансной частоты и стабильности характеристик преобразователя,в мембране выполнено четное число пазов, попарно симметричных относительно центра мембраны, a:TензореэистоРы включенные в

ИИПИ Заказ 5956/42

Фираж 1090, Подписное филиал ППП Патент, t . ужгород, рж. Проектная, 4 смежные плечи моста, расположены с плоской стороны мембраны у гРаниц пазов на расстоянии, не большем трети ширины паза, причем толщина мембраны связана с толщиной мембраны под тензорезисторами соотношением

--й- с 8.

Н

Источники инФормации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

9 349906, кл. 6 01 Р 15/02, 1971, 2. Авторское свидетельство СССР

Р 517818, кл. 4 01 1 9/04, 1975, (прототип).