способ изготовления тензорезисторных чувствительных элементов

Формула изобретения

Способ изготовления тензорезисторных чувствительных элементов, заключающийся в том, что на поверхности упругого элемента определяют зоны деформации от измеряемого параметра, воздействуют на упругий элемент термоударом и определяют температурные поля и поля температурных деформаций по его поверхности, определяют как минимум две зоны на упругом элементе, в которых деформации от измеряемого параметра имеют противоположные знаки, в этих зонах определяют сопряженные точки, в которых температура и температурные деформации в каждый момент времени воздействия термоудара имеют одинаковые значения и знак (равномерные температурные условия), в этих местах устанавливают по два тензорезистора, которые собирают в мостовую схему таким образом, чтобы тензорезисторы, воспринимающие деформации разного знака, располагались в смежных плечах, отличающийся тем, что на упругом элементе в двух зонах, имеющих деформации от измеряемого параметра разного знака, определяют сопряженные точки, в которых температура и температурные деформации в каждый момент времени в течение всего времени воздействия термоудара имеют одинаковый характер изменения по выбранным направлениям установки тензорезисторов как по амплитуде, так и по знаку (равномерные среднеинтегральные температурные условия) для тензорезисторов попарно расположенных в зонах с разными знаками деформации от измеряемого параметра, в этих местах устанавливают по два тензорезистора, которые собирают в мостовую схему таким образом, чтобы тензорезисторы, находящиеся в равномерных среднеинтегральных температурных условиях, располагались в соседних плечах мостовой схемы относительно друг друга.

Описание изобретения к патенту

Способ относится к тензорезисторным датчикам механических величин и может быть использован при изготовлении датчиков, работающих в условиях воздействия нестационарных температур.

Известен способ изготовления тензорезистивных чувствительных элементов (прототип - авторское свидетельство №1293474), согласно которому для компенсации аддитивной температурной погрешности при работе датчика в условиях воздействия нестационарных температур, все четыре тензорезистора располагаются на упругом элементе в местах, где температура и температурные деформации в каждый момент времени в течение всего времени термоудара имеют одинаковую величину и знак (равномерные температурные условия). При этом выбираются зоны на упругом элементе, чтобы тензорезисторы. находясь в равномерных температурных условиях, одновременно могли воспринимать попарно деформации разного знака от измеряемого параметра. В этом случае все четыре тензорезистора мостовой схемы являются рабочими (воспринимают информационный параметр через деформацию упругого элемента), а в связи с тем. что все они находятся в равномерных температурных условиях, то изменение сопротивлений всех тензорезисторов как от температуры, так и от температурных деформаций упругого элемента в каждый момент воздействия термоудара будут одинаковыми как по знаку, так и по амплитуде (при условии равенства температурных коэффициентов сопротивления (ТКС) и температурных коэффициентов тензочувствительности (ТКЧ)). Это позволяет при соединении тензорезисторов в мостовую измерительную цепь, попарно в противолежащие плечи тензорезисторов, воспринимающих деформацию одного знака, не только получить выходной сигнал прямо пропорциональный измеряемому параметру, но и осуществить компенсацию аддитивной температурной погрешности в течение всего времени воздействия термоудара. Это объясняется свойством мостовой схемы вычитать суммы падений напряжений на тензорезисторах, попарно расположенных в противолежащих плечах, тогда из условия баланса мостовой схемы R₁·R₄=R₂·R₃, при одинаковых изменениях сопротивлений всех четырех тензорезисторов мостовой схемы ее баланс не нарушится. Условие же равенства ТКЧ для всех тензорезисторов выполняется с достаточной точностью в связи с тем, что наклеиваемые тензорезисторы, как правило, изготавливаются из одной партии и даже из одной катушки выпуска тензопровода, а тензорезисторы, изготавливаемые по микроэлектронной технологии, выполняются в едином вакуумном цикле из одной навески. Для обеспечения равенства номиналов и ТКС всех тензорезисторов в настоящее время разработано достаточно методов технологических, конструктивных и схемных.

Полученный эффект в прототипе достигается тем, что перед установкой рабочих тензорезисторов на упругий элемент, на технологическом упругом элементе принятой конструкции определяют, например, методом тензометрирования (см. Тихоненков В.А. и др. Влияние конструкции упругого элемента на температурные погрешности тензорезисторного датчика давления. Приборы и системы управления. 1991 г., № 6) температурные поля и поля температурных деформаций при воздействии термоудара, например, путем воздействия на приемную полость датчика жидкого азота. Одновременно, либо по эпюре деформаций, либо экспериментальным путем, определяют зоны на упругом элементе, в которых имеются деформации разного знака от измеряемого параметра. Находят наличие в обеих зонах деформаций мест, в которых температура и температурные деформации имеют одинаковые значения как по величине, так и по знаку в каждый момент времени действия термоудара (равномерные температурные условия), и наносят в этих местах линии разметки для установки в каждой зоне по два тензорезистора. При сборке рабочего чувствительного элемента производят установку тензорезисторов по линиям разметки с последующим соединением их в мостовую измерительную цепь таким образом, чтобы тензорезисторы, воспринимающие деформацию разного знака, находились в смежных плечах.

Конструктивным исполнением рассмотренного способа изготовления чувствительного элемента является авторское свидетельство №599170. Анализ чувствительного элемента по данному авторскому свидетельству показывает, что для выполнения требования равномерных температурных условий в месте установки тензорезисторов требуется создание довольно сложных в конструктивном исполнении упругих элементов. А это, в свою очередь, не только ограничивает диапазон измерения датчика (данная конструкция рассчитана на средние диапазоны измеряемого давления), но и значительно увеличивает габариты датчика, приводит к неудобству в процессе эксплуатации (глубокое проникновение конструкции датчика в исследуемый трубопровод), резко снижает технологичность конструкции датчика.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка способов изготовления тензорезисторных чувствительных элементов, которые бы позволили расширить область использования различных существующих конструктивных исполнений упругих элементов для датчиков, работоспособных в нестационарных температурных режимах, что в свою очередь позволяет расширить диапазон измеряемого параметра, минимизировать габаритные размеры и повысить технологичность изготовления датчиков.

Технический результат - расширение диапазона измерения информационного параметра, минимизация габаритных размеров и повышение технологичности в процессе изготовления датчиков.

Указанный технический результат достигается тем, что разработан метод изготовления тензорезисторных чувствительных элементов, позволяющий расширить перечень упругих элементов и упростить их конструкцию по сравнению с прототипом, использование которых обеспечивает достижение поставленной цели.

При отсутствии на упругом элементе зон, в которых имелись бы места для установки всех четырех тензорезисторов с равными или равными среднеинтегральными температурными условиями, достаточно определить две зоны с разными знаками деформации от измеряемого параметра, в которых можно было бы разместить по два тензорезистора таким образом, чтобы они попарно находились в равномерных среднеинтегральных температурных условиях. При этом в равномерных среднеинтегральных температурных условиях должны находится по одному месту для тензорезисторов в каждой зоне деформации от измеряемого параметра. То есть, если в указанных местах установить рабочие тензорезисторы, то попарно, по одному тензорезистору из каждой зоны деформации от измеряемого параметра, они будут находиться в равномерных среднеинтегральных температурных условиях. Тогда изменение сопротивлений тензорезисторов в каждый момент времени воздействия нестационарных температур, попарно, по одному из каждой зоны деформации от измеряемого параметра, будут одинаковыми как по амплитуде, так и по знаку. Если собрать из этих тензорезисторов мостовую схему, разместив тензорезисторы, находящиеся в равномерных среднеинтегральных температурных условиях в смежные плечи, то получим чувствительный элемент с мостовой измерительной цепью, у которого, во-первых, тензорезисторы, воспринимающие деформацию одного знака, будут находиться в противолежащих плечах, а во-вторых, по одному тензорезистору из каждой пары будут одинаково изменять свое сопротивление при воздействии нестационарных температур. Таким образом чувствительный элемент будет иметь выходной сигнал, прямо пропорциональный измеряемому параметру и одновременно суммы падений напряжений на тензорезисторах, расположенных в противолежащих плечах мостовой схемы, будут равны в каждый момент времени воздействия нестационарных температур. Тогда, благодаря свойству мостовой схемы вычитать суммы падений напряжений в противоположных плечах друг из друга, произойдет минимизация аддитивной температурной погрешности датчика при работе в нестационарных температурных режимах.

Способ осуществляется следующим образом.

С целью расширения области применения существующих конструкций упругих элементов для создания чувствительных элементов, работоспособных в условиях нестационарных тепловых режимах, разработан способ, позволяющий для данных целей использовать упругие элементы, которые не могут иметь две зоны деформации от измеряемого параметра, в которых выполняется требование по равномерности температурных условий при нестационарных тепловых режимах. В частности предлагается способ изготовления чувствительных элементов, на поверхности упругих элементов которых имеется две зоны с разными знаками деформаций от измеряемого параметра, в каждой из которых имеется по два места с равномерными среднеинтегральными температурными условиями, отличными в каждой зоне, но попарно одинаковыми в разных зонах.

Примером конструктивного исполнения предлагаемого способа могут служить упругие элементы в виде жесткозащемленной с двух сторон балки и нагруженной - в центре. Подобные чувствительные элементы на каждой стороне имеют четыре зоны, по две зоны на каждой половине балки (от места защемления одного конца до места нагружения балки в центре) с разными знаками деформации от измеряемого параметра. При этом в зависимости от тепловых потоков по телу балки невозможно установить все четыре тензорезистора в равномерных температурных условиях. Следовательно, способ изготовления чувствительных элементов согласно прототипу для данных конструкций не подходит.

Однако в зависимости от конструктивного исполнения упругого элемента можно добиться, чтобы зоны, имеющие разные знаки деформации от измеряемого параметра на обеих половинах балки, имели бы равномерные среднеинтегральные температурные условия. Таким образом, зона растяжения на одной половине балки будет иметь равномерные температурные условия с зоной сжатия на другой половине балки. После определения таких зон, фиксации места установки тензорезисторов в них линиями разметки и установки рабочих тензорезисторов по этим линиям, по два тензорезистора, воспринимающих разные знаки деформации от измеряемого параметра, будут находиться в равномерных среднеинтегральных температурных условиях при воздействии нестационарных температурных режимов. Если собрать из этих тензорезисторов мостовую схему, расположив тензорезисторы воспринимающие деформации одного знака в противолежащих плечах, то тензорезисторы, находящиеся в равномерных среднеинтегральных температурных условиях, окажутся в смежных плечах мостовой схемы.

Так как выходной сигнал с мостовой схемы определяется разностью сумм падений напряжений на тензорезисторах, расположенных в противолежащих плечах, то при одинаковом уходе сопротивления, от воздействия температуры и температурных деформаций при нестационарных температурах, тензорезисторов, находящихся в смежных плечах, сумма падений напряжений тензорезисторов, находящихся в противолежащих плечах будут равны между собой и при их вычитании будет происходить компенсация аддитивной температурной погрешности датчика при воздействии нестационарных тепловых режимов. Одновременно, так как тензорезисторы, воспринимающие деформации от измеряемого параметра одного знака, расположены в противолежащих плечах, выходной сигнал с мостовой измерительной цепи будет прямо пропорционален измеряемому параметру.

При этом использование в виде упругого элемента балки, защемленной с двух сторон и нагруженной в центре, позволяет создать чувствительные элементы для измерения средних и низких значений измеряемого параметра, которые технологичны в производстве и обладают меньшими размерами по сравнению с конструкциями, изготовленными по прототипу.