Інтегральний напівпровідниковий тензочутливий перетворювач тиску

Реферат: Інтегральний напівпровідниковий тензочутливий перетворювач тиску включає опорну основу, пружний елемент у вигляді тонкої квадратної пластини, на поверхні якої по осях симетрії пластини, що проходять через її сторони і центр, виконано щонайменше одне ребро жорсткості у вигляді балки, тензочутливий елемент, розташований на поверхні кінця балки, що знаходиться в периферійній зоні пластини біля основи, причому площина балки, в якій розміщений тензочутливий елемент, та площина верхнього торця основи збігаються. Ребро жорсткості виконано у вигляді балки, один кінець якої затиснений основою, а другий кінець повернений до центра пластини і не доходить до нього. Бічні грані балки знаходяться в межах сектора, утвореного осями симетрії, що проходять через найближчі кути пластини та її центр. UA 97911 U (54) ІНТЕГРАЛЬНИЙ НАПІВПРОВІДНИКОВИЙ ТЕНЗОЧУТЛИВИЙ ПЕРЕТВОРЮВАЧ ТИСКУ UA 97911 U UA 97911 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до контрольно-вимірювальної техніки та може бути використана для вимірювання тиску рідин та газів (у широкому діапазоні температур). Відомі інтегральні перетворювачі тиску (ІПТ) (патент РФ №2237873, опубл. 10.10.2004 - [1]; патент США №5178016, опубл. 12.01.1993 - [2], авторське свідоцтво № 1068748, опубл. 23.01.1984 - [3]), що включають опорну основу із пружним елементом у вигляді тонкої пластини, на поверхні якої виконані стовщення, а на їх поверхні - тензочутливі елементи (ТЧЕ); при цьому площини верхнього торця основи та стовщень збігаються, а ТЧЕ розміщені на стовщеннях у периферійній зоні пластини поблизу основи на осях симетрії пластини, що проходять через середини її сторін. Так, у патенті [1] описаний пристрій, в якому мембрана виконана у вигляді тонкої пластини зі стовщенням уздовж периметра тонкої частини, а ТЧЕ розміщені на поверхні стовщення на осях симетрії пластини, що проходять через її сторони. У патентних документах [2] та [3] описані пристрої, в яких стовщення виконані у вигляді затиснених основою балок, розміщених уздовж осей симетрії пластини, що проходять через середини її сторін. Рішення за патентом [2] являє собою конструкцію у вигляді опорної основи з квадратною тонкою пластиною, на поверхні якої в просторі між осями симетрії пластини, що проходять через її кути, виконано стовщення за формою балки рівного опору, яка примикає до опорної основи, а ТЧЕ розміщений на балці поблизу опорної основи на осі симетрії пластини, яка проходить через центр пластини і середину сторони основи; при цьому балка займає весь простір між осями симетрії пружного елемента, що проходить через її кути. Зокрема пропонується рішення у вигляді звуження цієї балки в області її примикання до основи; ТЧЕ при цьому розташовують у тому ж місці, на поверхні, утвореній ділянкою прямолінійної балки. У пристрої за авторським свідоцтвом [3] на поверхні тонкої пластини по осям її симетрії, що проходять через середини сторін пластини, розміщені одне або два ребра жорсткості у вигляді плоских прямолінійних балок, що проходять через центр пластини і замикаються в місці перетинання жорстко, а ТЧЕ розміщені на їх поверхні поблизу основи. Тут же наведені варіанти конструкцій, у яких ребра жорсткості доходять до центра і з'єднуються між собою в центрі за допомогою шарнірних елементів у місці перетину ребрами центра пластини; при цьому, виходячи з викладеного в описі рішення, для збереження основної властивості ребра жорсткості (протидія спучуванню) і змісту шарнірного з'єднання виріз, що формує шарнір у центрі конструкції, малий, але не менше половини товщини пластини (для забезпечення фізичної реалізованості пристрою при подачі тиску зі сторони ребер жорсткості). У табл. 1 наведені результати розрахунків механічних напруг балок σ в області прилягання до основи і нелінійності перетворення γ для всіх описаних вище пружних елементів: варіант 1 для рішення за патентом [1], варіанти 2 та 3 для рішення за патентом [2], варіанти 4 та 5 для поширення рішення за патентом [2] на конструкцію із чотирма балками та варіанти 6 та 7 для рішення за авторським свідоцтвом [3]. При розрахунках враховувалось: матеріал пластини та стовщень - Si, тиск Ρ - 25 кПа; розмір пластини LL, L=6,3 мм; товщина пластини hп = 0,022 мм; товщина балки hб = 0,034 мм; ширина балки b=const=0,34 мм; довжина балки Ιа у периферійній зоні пластини в області ТЧЕ (ширина периферійної зони) - Ιа = 0,3 мм; ширина вирізу, що формує шарнірний елемент за рішенням [3] - 0,11 мм. Як видно з табл. 1, пристрій за патентом [1] має високу лінійність характеристики перетворення, однак внаслідок високої жорсткості конструкції чутливість пристрою дуже низька. Варіант 2 за патентом [2] має більш високу чутливість відносно варіанта 1 за патентом [1], однак нелінійність перетворення суттєво вище через надмірну жорсткість пружного елемента. Варіант 3 за патентом [2] у вигляді балки за формою балки змінного опору зі звуженням у периферійній зоні пластини дозволяє значно збільшити деформацію в зоні звуження, що приводить до збільшення чутливості, але й одночасно до нелінійності перетворення. У варіанті 2 за патентом [2] на основі балки за формою балки змінного опору, розміщеної в просторі між осями симетрії пластини, що проходять через центр і кути пластини, а бічні сторони балки (ребра жорсткості) збігаються із цими осями, біля основи розміщено один тензочутливий елемент. Якщо подумки поширити рішення за патентом 2 на осесиметричну конструкцію у вигляді чотирьох таких балок із ТЧЕ на їх поверхні, одержуємо варіант перетворювача з товстою мембраною (у табл. 1 не наведений); або за варіантом рішення конструкцію у вигляді опорної основи з тонкою пластиною, на поверхні якої розміщена осесиметрична конструкція у вигляді жорсткого центра в центрі пластини, з'єднаного з опорною основою системою прямолінійних балок (варіант 4, табл. 1). При зменшенні розмірів жорсткого центра і подовженні балок постійного перерізу така конструкція (варіант 5, табл. 1) 1 UA 97911 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 вироджується у варіант пристрою із жорстким зчепленням балок у центрі за авторським свідоцтвом [3] (варіант 6, табл. 1). Рішення із жорстким центром у центрі пластини (варіанти 4, 5) мають високу лінійність перетворення, однак при цьому виникає проблема чутливості. З вищесказаного видно, що найбільш прийнятними характеристиками з усіх розглянутих рішень характеризується пристрій, описаний в авторському свідоцтві [3] (варіант 7). Він же найбільш близький за технічною суттю, тому використаний як прототип. Задачею корисної моделі, що заявляється, є створення такого перетворювача тиску, конструкція якого забезпечить досягнення технічного результату, що полягає в підвищенні точності вимірювань. Зазначена технічна задача вирішується в такий спосіб: - ребро жорсткості виконується у вигляді прямокутної балки із затисненим основою зовнішнім кінцем, а внутрішній кінець не доходить до центра пластини, балка має постійний або змінний переріз, однак її бічні грані не виходять за межі сектора, утвореного осями симетрії, що проходять через найближчі кути пластини та її центр; - на частині вільної поверхні пластини, що залишилася, виконуються коригувальні елементи (КЕ). Запропоноване рішення пружного елемента дозволяє при тому ж тиску збільшити деформацію і зменшити нелінійність перетворення в області ТЧЕ за рахунок переходу до консольних балок у тому числі й зі змінним перерізом та введення коригувальних елементів, що й підвищує точність вимірювань. Згідно з одним із переважних варіантів запропонованого рішення, ребра жорсткості виконані у вигляді прямолінійних балок з постійним перерізом по довжині, розміщених по осях симетрії пластини, причому кінці, повернені до опорної основи, зчеплені з основою жорстко, а інші кінці повернені до центра, але до нього не доходять. Таким чином, пружний елемент перетворювача побудований на основі тонкої пластини і одного, двох або чотирьох ребер жорсткості у вигляді балок з постійним перерізом, затиснених основою з одного боку, причому ТЧЕ розміщені на поверхнях балок, що знаходяться у периферійній зоні пластини (зоні на поверхні пластини уздовж периметра основи), що прилягає до основи. Таке виконання пружного елемента призводить до зменшення жорсткості всієї конструкції в порівнянні із прототипом і відповідно до збільшення чутливості, а також зменшення нелінійності перетворення у всіх випадках (одне, двох, чотирибалкова конструкція). Розрахункові параметри варіантів конструкцій за аналогом, прототипом та запропонованим рішенням (на основі балок постійного перерізу) наведені в табл. 2. Оптимальна довжина балок Ι0 при заданих L, b та технологічних обмеженнях на hп визначається як результат параметричної оптимізації для конкретного діапазону тиску. Перевищення або зменшення її від оптимального значення призводить до зменшення механічних напруг у зоні ТЧЕ, підвищення нелінійності перетворення та, отже, до зменшення точності вимірювань. Подальше підвищення точності вимірювань досягається шляхом зміни форми балки в серединній зоні пластини - у зоні на поверхні пластини між периферійною і центральною зонами. Зміна форми балок у серединній зоні (балка зі змінним перерізом) таким чином, що ширина балки поза периферійною зоною на межі з нею збільшується, змінює жорсткість конструкції в радіальному й тангенціальному напрямку й коректує закон перетворення. Таким чином, використання балок змінного перерізу збільшує механічні напруги балки в периферійній зоні й зменшує нелінійність перетворення, що створює передумови для ще більшого підвищення точності вимірювання (табл. 3 - табл. 5). Розміри пластини, форма і розміри балки при заданих конструктивно-технологічних обмеженнях і тиску визначаються за результатами параметричної оптимізації за критерієм точності. При збільшенні ширини ребер b у серединній зоні конструкція вироджується у систему з жорстким центром із її недоліками (табл. 1), а при зменшенні - у систему на основі консольних балок (табл. 2). При оптимальній формі та розмірах варіант із балкою змінного перерізу має дещо більший σ, ніж системи із прямолінійними балками, але значно менші нелінійності перетворення γ, як видно з табл. 2 та табл. 3-5, у яких наведені розрахункові параметри варіантів конструкцій за прототипом і запропонованим рішенням для чотирьох, двох та одного ребра жорсткості відповідно. Як видно з результатів розрахунків, запропоноване рішення ребра жорсткості пружного елемента у вигляді консольної балки з постійним або змінним перерізом безумовно краще, ніж 2 UA 97911 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 відомі рішення, як за величиною деформації, так і за нелінійністю перетворення для всіх запропонованих варіантів - з чотирма, двома та однією балкою. Згідно з запропонованим рішенням, з метою подальшого поліпшення характеристик на частині вільної поверхні пластини можуть бути розміщені коригувальні елементи (КЕ) у вигляді стовщень пластини. Зазначені КЕ можуть бути двох видів: - ті, що розміщують в центральній зоні пластини - просторі в центрі пластини за формою пластини, обмежене торцями ребер жорсткості; - ті, що розміщують замість балок у секторах без балок на осях симетрій, що проходять через середини сторін пластини, причому бічні грані елементів не виходять за межі секторів, утворених осями симетрії, що проходять через найближчі кути пластини та її центр й не замикаються з основою жорстко. КЕ регулюють жорсткість конструкції в радіальному і тангенціальному напрямках та корегують лінійність перетворення. Згідно з запропонованим рішенням, для чотирьох ребер жорсткості може бути введений КЕ, який розташовують у центральній зоні. Для одного та двобалкового варіантів можуть бути також використані й коригувальні елементи, які розташовують в тих місцях, де немає ребер жорсткості у вигляді балок, затиснених основою. Форма та розміри КЕ в областях пластини без балок також повинні визначатися за результатами параметричної оптимізації. У табл. 3 - табл. 5 наведені результати розрахунків деяких можливих варіантів рішення з КЕ у вигляді хреста в центральній зоні і за формою балки зі змінним перерізом у серединній зоні. Як видно, обидва види КЕ корегують характеристики пристрою, причому, як правило, трохи зменшуючи механічні напруги в зоні ТЧЕ, але досить сильно зменшуючи нелінійність перетворення для всіх запропонованих рішень - на основі чотирьох, двох та однієї балки. Корисна модель, що заявляється, пояснюється за допомогою наступних графічних матеріалів: на фіг. 1 наведений загальний вигляд ІПТ на основі чотирьох балок з постійним перерізом; на фіг. 2 наведений поперечний розріз ІПТ на фіг. 1; на фіг. 3 однобалкової конструкції (а-в) на основі балок з постійним перерізом; на фіг. 5 наведені деякі варіанти ІПТ (а-е), згідно з запропонованим рішенням. Згідно з фіг. 1 – 3, інтегральний напівпровідниковий перетворювач тиску містить опорну основу 1 з тонкою пластиною 2 у торці основи, на зовнішній поверхні якої виконані ребра жорсткості 3 із ТЧЕ 4, а площини торця основи та верхніх поверхонь ребер жорсткості збігаються, й ребра жорсткості жорстко примикають своїми зовнішніми кінцями до основи, а внутрішніми - не доходять до центра. Буквами А, В, С на фігурах позначені периферійна, серединна та центральна зони відповідно. У центральній зоні С, а також у секторах без балок (замість балок для конструкцій на основі одного або двох ТЧЕ) можуть бути розміщені коригувальні елементи 5, 6 (фіг. 4, фіг. 5). Варіант найбільш переважної форми коригувального елемента, який розташовують в центральній зоні С, зображений на фіг. 5. Його розміри також визначаються за результатами параметричної оптимізації. Для інших форм КЕ в центрі (квадрата, хреста, розташованого по осях симетрії, що проходять через кути мембрани та ін.) характерна більша нелінійність перетворення та, у ряді випадків, менша деформація в зоні ТЧЕ, ніж для варіанта з КЕ у вигляді хреста (фіг. 5). Розмір тонкої пластини складає LL. Ребра жорсткості, виконані у вигляді стовщень пластини, утворюють консольні балки з оптимальною довжиною 1о, причому Ι 0 < L/2 (0,4 < 2 Ι0/Lс. Товщина пластини складає hп, товщина балки складає hб та, таким чином, товщина пружного елемента (мембрани) складає hм = hб + hп. Розмір зони С, у якій може бути розміщений КЕ при прийнятому L і розрахунковій Ι0 визначається як L-2 Ι0, де 2 Ι0 - оптимальна довжина балки. Порівняння результатів за запропонованим рішенням, рішенням за авторським свідоцтвом [3] та аналогами [1, 2] говорить про перевагу запропонованого рішення як за величиною деформації, так і лінійністю перетворення, причому запропоноване рішення безумовно краще, ніж відомі [1, 2, 3], як за діапазоном, так і за нелінійністю перетворення одночасно (табл. 1 табл. 5). При розрахунках параметрів двох- та однобалкових конструкцій використовувалися результати розрахунків варіанта із чотирма балками (розміри балок у серединній зоні); розміри коригувальних елементів, які розташовують на місці балок, були прийняті рівними їх розмірам у серединній зоні). 3 UA 97911 U 5 10 При розрахунках механічних напруг використовувався метод кінцевих елементів з постановкою задачі для великого зсуву. Під нелінійністю розуміється відхилення реальної функції перетворення від апроксимуючої прямої лінії, що проходить через кінцеві точки функції перетворення у відсотках від максимального значення вихідної величини. ІПТ працює в такий спосіб. Під впливом тиску Ρ (наприклад, зверху, фіг. 2) у пружній пластині, а разом з нею в балках виникають механічні напруги, причому в областях балок, що прилягають до основи, ці напруги максимальні. У цих же областях розміщені ТЧЕ, які ці напруги й фіксують. Таким чином корисна модель, що заявляється, являє собою перетворювач тиску, конструкція якого забезпечує досягнення технічного результату, що полягає в підвищенні точності вимірювань. Таблиця 1 Порівняльна оцінка варіантів ІПТ [1,2,3] за результатами розрахунків 15 Таблиця 2 Розрахункові параметри варіантів конструкцій за аналогом, прототипом та запропонованим рішенням (на основі балок постійного перерізу) 4 UA 97911 U Таблиця 3 Розрахункові параметри варіантів конструкцій за прототипом та запропонованим рішенням для чотирьох ребер жорсткості Таблиця 4 Розрахункові параметри варіантів конструкцій за прототипом та запропонованим рішенням для двох ребер жорсткості 5 Таблиця 5 Розрахункові параметри варіантів конструкцій за аналогом та запропонованим рішенням для одного ребра жорсткості 5 UA 97911 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 15 1. Інтегральний напівпровідниковий тензочутливий перетворювач тиску, який включає опорну основу, пружний елемент у вигляді тонкої квадратної пластини, на поверхні якої по осях симетрії пластини, що проходять через її сторони і центр, виконано щонайменше одне ребро жорсткості у вигляді балки, тензочутливий елемент, розташований на поверхні кінця балки, що знаходиться в периферійній зоні пластини біля основи, причому площина балки, в якій розміщений тензочутливий елемент, та площина верхнього торця основи збігаються, який відрізняється тим, що з метою підвищення точності вимірювань ребро жорсткості виконано у вигляді балки, один кінець якої затиснений основою, а другий кінець повернений до центра пластини і не доходить до нього, а бічні грані балки знаходяться в межах сектора, утвореного осями симетрії, що проходять через найближчі кути пластини та її центр. 2. Перетворювач тиску за п. 1, який відрізняється тим, що балка поза периферійною зоною має постійний переріз по довжині. 3. Перетворювач тиску за п. 1, який відрізняється тим, що балка поза периферійною зоною має змінний переріз по довжині. 4. Перетворювач тиску за будь-яким із пп. 1-3, який відрізняється тим, що на частині вільної поверхні пластини розміщені коригувальні елементи у вигляді стовщень пластини. UA 97911 U 7 UA 97911 U Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 8