Інтегральний напівпровідниковий тензочутливий перетворювач тиску

Реферат: Винахід належить до контрольно-вимірювальної техніки та може бути використаний для вимірювання тиску рідин та газів у широкому діапазоні температур. Інтегральний напівпровідниковий тензочутливий перетворювач тиску містить опорну основу, пружний елемент у вигляді тонкої квадратної пластини, на поверхні якої по осях симетрії пластини, що проходять через її сторони та центр, виконано щонайменше одне ребро жорсткості у вигляді балки, тензочутливий елемент, розташований на поверхні кінця балки. Площина балки, у якій розміщений тензочутливий елемент та площина верхнього торця основи збігаються. Один кінець балки затиснений основою, а другий кінець повернений до центра пластини, а бічні грані балки знаходяться у межах сектора, утвореного осями симетрії, що проходять через найближчі кути пластини та її центр. Балка поза периферійною зоною має постійний або змінний переріз по довжині, а на частині вільної поверхні пластини переважно розміщені коригувальні елементи у вигляді стовщень пластини. Технічним результатом винаходу є підвищення точності вимірювань за рахунок розширення діапазону вимірювань та зменшення нелінійності пружного елемента. UA 112469 C2 (12) UA 112469 C2 UA 112469 C2 5 10 15 20 25 30 35 Винахід належить до контрольно-вимірювальної техніки та може бути використаний для вимірювання тиску рідин та газів (у широкому діапазоні тиску і 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 мембрани, 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 мембрани поблизу основи на осях симетрії мембрани, що проходять через середини її сторін. Так, у патенті [1] описаний пристрій, в якому пружний елемент виконаний у вигляді мембрани зі стовщенням уздовж периметра тонкої частини, а ТЧЕ розміщені на поверхні стовщення на осях симетрії мембрани, 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 мембрани, що проходять через середини її сторін. Рішення за патентом [2] являє собою конструкцію у вигляді опорної основи з квадратною мембраною, на поверхні якої в просторі між осями симетрії мембрани, 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 мембрани, яка проходить через центр мембрани 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 мембрани по осях її симетрії, що проходять через середини сторін мембрани, розміщені одне або два ребра жорсткості у вигляді плоских прямолінійних балок, що проходять через центр мембрани 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 мембрани; 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 мембрани (для забезпечення фізичної реалізованості пристрою при подачі тиску зі сторони ребер жорсткості). У табл. 1 наведені результати розрахунків механічних напруг балок а в області прилягання до основи і нелінійності перетворення у 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]. Таблиця 1 Порівняльна оцінка варіантів ІПТ [1, 2, 3] за результатами розрахунків 40 1 UA 112469 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 При розрахунках враховувалось: матеріал мембрани та стовщень - Si, тиск Р - 25 кПа; розмір мембрани LL, L=6,3 мм; товщина мембрани hм=0,022 мм; товщина балки hб=0,034 мм; ширина балки b=const=0,34 мм; довжина балки lа у периферійній зоні мембрани в області ТЧЕ (ширина периферійної зони) - lа=0,3 мм; ширина вирізу, що формує шарнірний елемент за рішенням [3] - 0,11 мм. Як видно з табл. 1, деформація у зоні ТЧЕ є малою, таким чином, 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 мембрани дозволяє значно збільшити деформацію в зоні звуження, що приводить до збільшення чутливості, але й одночасно до підвищення нелінійності перетворення. У варіанті 2 за патентом [2] на основі балки за формою балки змінного опору, розміщеної в просторі між осями симетрії мембрани, що проходять через центр і кути мембрани, а бічні сторони балки (ребра жорсткості) збігаються із цими осями, біля основи розміщено один тензочутливий елемент. Якщо подумки поширити рішення за патентом 2 на вісесиметричну 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 мембраною, на поверхні якої розміщена вісесиметрична конструкція у вигляді жорсткого центра в центрі мембрани, 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) вироджується у варіант пристрою із жорстким зчепленням балок у центрі за авторським свідоцтвом [3] (варіант 6, табл. 1). Рішення із жорстким центром у центрі мембрани (варіанти 4, 5) мають високу лінійність перетворення, однак при цьому виникає проблема чутливості. З вищесказаного випливає, 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 винаходу, що заявляється, є створення такого перетворювача тиску, конструкція якого забезпечить досягнення технічного результату, що полягає в одночасному збільшенні чутливості та 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 мембрани і знаходиться у зоні (0,40,6)·L/2, де L - розмір мембрани, балка має постійний або змінний переріз, а її бічні грані знаходяться всередині сектора, утвореного осями симетрії, що проходять через найближчі кути мембрани та її центр; на частині вільної поверхні мембрани, що залишилася, виконуються коригувальні елементи (КЕ). Запропоноване рішення пружного елемента дозволяє при тому ж тиску одночасно збільшити деформацію в області ТЧЕ і зменшити нелінійність перетворення за рахунок переходу до консольних балок з оптимальними розмірами, оптимальним співвідношенням розмірів балок та мембрані та форми балок, в тому числі і зі змінним і постійним перерізом, та введення коригувальних елементів, що й підвищує і чутливість, і точність вимірювань одночасно. Згідно з одним із переважних варіантів запропонованого рішення, ребра жорсткості виконані у вигляді прямолінійних балок з постійним перерізом по довжині, розміщених по осях симетрії мембрани, причому кінці, повернені до опорної основи, зчеплені з основою жорстко, а інші кінці повернені до центра, а їх довжина дорівнює (0,4+0,6)·L/2. Таким чином, пружний елемент перетворювача побудований на основі мембрани 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 мембрани (зоні на поверхні мембрани 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. 2 UA 112469 C2 Таблиця 2 Розрахункові параметри варіантів конструкцій за аналогом, прототипом та запропонованим рішенням (на основі балок постійного перерізу) 5 10 15 Оптимальна довжина балок l0 при заданих L, b та технологічних обмеженнях на hм 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 мембрани - у зоні на поверхні мембрани 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. Використання балок змінного перерізу у порівнянні з варіантом на основі балок з постійним перерізом збільшує механічні напруги балки в периферійній зоні й зменшує нелінійність перетворення, що створює передумови для ще більшого підвищення чутливості і точності вимірювання (табл. 3-5). Таблиця 3 Розрахункові параметри варіантів конструкцій за прототипом та запропонованим рішенням для чотирьох ребер жорсткості 3 UA 112469 C2 Таблиця 4 Розрахункові параметри варіантів конструкцій за прототипом та запропонованим рішенням для двох ребер жорсткості Таблиця 5 Розрахункові параметри варіантів конструкцій за аналогом та запропонованим рішенням для одного ребра жорсткості 5 10 15 20 При цьому, розміри мембрани, форма і розміри балок при заданих конструктивнотехнологічних обмеженнях і тиску визначаються за результатами параметричної оптимізації за критеріями деформації у зоні ТЧЕ о і нелінійності перетворення у. 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 з постійним перерізом (табл. 2). При оптимальній формі та розмірах варіант із балкою змінного перерізу має дещо більший , ніж системи із прямолінійними балками, але значно менші нелінійності перетворення , 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 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 мембрани можуть бути розміщені коригувальні елементи (КЕ) у вигляді стовщень мембрани. Зазначені КЕ можуть бути двох видів: ті, що розміщують в центральній зоні мембрани - просторі в центрі мембрани за формою мембрани, обмежене торцями ребер жорсткості; ті, що розміщують замість балок у секторах без балок на осях симетрій, що проходять через середини сторін мембрани, причому бічні грані елементів не виходять за межі секторів, 4 UA 112469 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 утворених осями симетрії, що проходять через найближчі кути мембрани та її центр й не замикаються з основою жорстко. КЕ регулюють жорсткість конструкції в радіальному і тангенціальному напрямках та корегують нелінійність перетворення. Згідно з запропонованим рішенням пружного елемента на основі чотирьох балок жорсткості для чотирьох ребер жорсткості може бути введений КЕ, який розташовують у центральній зоні. Для варіантів з однією або двома балками 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 мембрани без балок також повинні визначатися за результатами параметричної оптимізації. У табл. 3-5 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. Винахід, 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 наведений вигляд D на фіг. 1; на фіг. 4 наведений загальний вигляд чотирьох, двох та 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 мембраною 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, а їх довжина складає (0,40,6)·L/2. 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 мембрани складає LL. Ребра жорсткості, виконані у вигляді стовщень мембрани, утворюють консольні балки з оптимальною довжиною l0, причому l0