RU2261420C1

RU2261420C1 - Thin-filmed pressure transducer

Info

Publication number: RU2261420C1
Application number: RU2004106087/28A
Authority: RU
Inventors: Е.А. Мокров (RU); Е.А. Мокров; Е.М. Белозубов (RU); Е.М. Белозубов; Д.В. Тихомиров (RU); Д.В. Тихомиров
Original assignee: ФГУП "НИИ физических измерений"
Priority date: 2004-03-01
Filing date: 2004-03-01
Publication date: 2005-09-27
Also published as: RU2004106087A

Abstract

FIELD: measuring technology.

SUBSTANCE: thin-filmed pressure transducers can be used in different branches of science related to measurement of pressure under conditions of non-stationary temperature of medium to be measured, for example, condition of thermal shock. Pressure transducer has case, round membrane wit peripheral base along which base the membrane is fixed inside the case, cyclical and radial resistance strain gauges connected by links made of low-ohmic material and connected in opposite arms of measuring bridge. Resistance strain gauges are made in form of similar number of resistance strain elements having the same shape and disposed along circle at peripheral part of membrane. One link which connects cyclical and radial strain gauge elements has two contact areas. The areas are connected by resistive strip in form of a ring disposed at minimal possible distance from strain gauge elements along circle. Center of the circle belongs to center of membrane. Separate parts of ring are short-circuited by additional links.

EFFECT: reduced error of measurement.

4 cl, 4 dwg

Description

Предполагаемое изобретение относится к измерительной технике, в частности к датчикам, предназначенным для использования в различных областях науки и техники, связанных с измерением давления в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды (термоудара).The alleged invention relates to measuring equipment, in particular to sensors intended for use in various fields of science and technology related to measuring pressure under the influence of unsteady temperature of the measured medium (thermal shock).

Известна конструкция тонкопленочного датчика давления, предназначенная для использования в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды, содержащая металлический упругий элемент в виде выполненной за одно целое с опорным основанием круглой жесткозащемленной мембраны с диэлектриком, на котором расположены симметрично одной из осей мембраны центральные тензорезисторы в виде части круговых колец, равноудаленных от контура мембраны и периферийные тензорезисторы в виде участков, симметрично расположенных относительно этой же оси, причем периферийные тензорезисторы выполнены в виде равнобедренных трапеций, продольные оси которых расположены по радиусу мембраны, с основаниями, выполненными на дуге соответствующей окружности, а малое основание совпадает с контуром мембраны (Патент РФ №2041452 МПК G 01 L 9/04, Бюл. №22 от 09.08.95).A known design of a thin-film pressure sensor, designed for use under conditions of unsteady temperature of the measured medium, containing a metal elastic element in the form of a round rigidly-insulated membrane with a dielectric integral to the support base, on which central strain gages are located symmetrically to one of the membrane axes as part of circular rings equidistant from the membrane contour and peripheral strain gages in the form of sections symmetrically located include the same axis, and the peripheral strain gages are made in the form of isosceles trapezoidal, the longitudinal axis of which is located along the radius of the membrane, with bases made on an arc of the corresponding circle, and the small base coincides with the contour of the membrane (RF Patent No. 2041452 IPC G 01 L 9/04 Bul. No. 22 of 08/09/95).

Недостатком известной конструкции является большая погрешность измерения давления в условиях воздействия нестационарной температуры вследствие значительного различия формы, размеров и местоположения центральных и периферийных тензорезисторов, приводящего к существенной разнице температур и реакциям на эти температуры тензорезисторов, включенных в противоположные плечи мостовой схемы.A disadvantage of the known design is the large error in measuring pressure under conditions of unsteady temperature due to a significant difference in the shape, size and location of the central and peripheral strain gages, leading to a significant difference in temperatures and reactions to these temperatures of the strain gages included in the opposite arms of the bridge circuit.

Недостатком известной конструкции является также большая погрешность измерения в условиях воздействия нестационарных температур вследствие наличия нескомпенсированной термо-ЭДС. Нескомпенсированная термо-ЭДС является результатом взаимодействия множества термо-ЭДС, возникающих на границах разделов тензорезисторов и перемычек вследствие несимметрии перемычек в центральных и периферийных тензорезисторах и вследствие несовершенства характеристик тензорезисторов и перемычек.A disadvantage of the known design is also a large measurement error under the influence of unsteady temperatures due to the presence of uncompensated thermo-EMF. Uncompensated thermo-EMF is the result of the interaction of many thermo-EMFs arising at the interfaces between strain gages and jumpers due to the asymmetry of jumpers in the central and peripheral strain gages and due to the imperfection of the characteristics of strain gages and jumpers.

Известна конструкция тонкопленочного датчика давления, предназначенная для измерения давления в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды, выбранная в качестве прототипа, содержащая корпус, круглую мембрану с периферийным основанием, по которому мембрана закреплена в корпусе, соединенные перемычками из низкоомного материала и включенные соответственно в противоположные плечи измерительного моста окружные и радиальные тензорезисторы, выполненные в виде одинакового количества имеющих одинаковую форму тензоэлементов, расположенных по окружности на периферии мембраны (Патент РФ №1615578 МПК G 01 L 9/04 Бюл. №47 от 23.12.90 г.).A known design of a thin-film pressure sensor designed to measure pressure under conditions of unsteady temperature of the medium being measured, selected as a prototype, comprising a housing, a circular membrane with a peripheral base, along which the membrane is fixed in the housing, connected by jumpers of low-resistance material and included respectively in opposite arms measuring bridge circumferential and radial strain gauges made in the form of the same number having the same tenso shape lementov arranged circumferentially on the periphery of the membrane (RF Patent №1615578 IPC G 01 L 9/04 Bul. №47 from 12.23.90 g).

Недостатком известной конструкции является сравнительно большая погрешность измерения давления в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды вследствие имеющегося при реальном производстве технологического разброса геометрических размеров и физических характеристик тензорезисторов: удельного поверхностного сопротивления, температурного коэффициента сопротивления и т.д., приводящих к различной реакции окружных и радиальных тензорезисторов на воздействие даже одинаковых температур.A disadvantage of the known design is the relatively large error in measuring pressure under the influence of unsteady temperature of the medium being measured due to the technological dispersion of the geometric dimensions and physical characteristics of strain gauges available in actual production: specific surface resistance, temperature coefficient of resistance, etc., leading to different reactions of circumferential and radial strain gauges for exposure to even the same temperatures.

Недостатком известной конструкции является также сравнительно большая погрешность измерения в условиях воздействия нестационарных температур вследствие наличия нескомпенсированной суммарной интегральной термо-ЭДС. Нескомпенсированная термо-ЭДС является результатом взаимодействия множества термо-ЭДС, возникающих на границах разделов тензоэлементов и перемычек вследствие несовершенства структуры и неидентичности физических характеристик тензоэлементов и перемычек,A disadvantage of the known design is also a relatively large measurement error under the influence of unsteady temperatures due to the presence of an uncompensated total integral thermo-EMF. Uncompensated thermo-EMF is the result of the interaction of many thermo-EMFs arising at the boundaries of the sections of strain elements and jumpers due to imperfections in the structure and the identity of the physical characteristics of the strain elements and jumpers,

Задачей предполагаемого изобретения является уменьшение погрешности измерения в условиях воздействия нестационарной температуры за счет компенсации технологического разброса геометрических размеров и физических характеристик окружных и радиальных тензорезисторов, а также за счет компенсации суммарной интегральной термо-ЭДС, возникающей в результате взаимодействия множества интегральных термо-ЭДС на границах разделов тензоэлементов и перемычек вследствие несовершенства структуры и неидентичности физических характеристик тензоэлементов и перемычек.The objective of the proposed invention is to reduce the measurement error under the influence of unsteady temperature by compensating for the technological spread of the geometric dimensions and physical characteristics of circumferential and radial strain gauges, as well as by compensating the total integrated thermo-EMF resulting from the interaction of many integral thermo-EMFs at the interfaces strain elements and jumpers due to imperfect structure and non-identical physical characteristics of the tens elements and jumpers.

Поставленная задача достигается тем, что в датчике давления, содержащем корпус, круглую мембрану с периферийным основанием, по которому мембрана закреплена в корпусе, соединенные перемычками из низкоомного материала и включенные соответственно в противоположные плечи измерительного моста окружные и радиальные тензорезисторы, выполненные в виде одинакового количества имеющих одинаковую форму тензоэлементов, расположенные по окружности на периферии мембраны.This object is achieved by the fact that in the pressure sensor containing the housing, a circular membrane with a peripheral base, along which the membrane is fixed in the housing, circumferential and radial strain gauges connected in the opposite shoulders of the measuring bridge, respectively, made in the form of the same number having the same form of strain elements located around the circumference at the periphery of the membrane.

Одна из перемычек, соединяющих окружные и радиальные тензорезисторы, имеет две контактные площадки, соединенные резистивной полосой в виде части кольца, размещенного на минимально возможном расстоянии от тензорезисторов по окружности с центром, находящимся в центре мембраны, причем отдельные участки кольца закорочены дополнительными перемычками.One of the jumpers connecting the circumferential and radial strain gauges has two contact pads connected by a resistive strip in the form of a part of the ring placed at the minimum possible distance from the strain gauges in a circle with a center located in the center of the membrane, and some sections of the ring are shorted by additional jumpers.

В части кольца выполнен разрыв, в котором размещена дополнительная резистивная полоса, расположенная не по окружности с центром, находящимся в центре мембраны, и соединенные с частью кольца две вторые дополнительные резистивные полосы, расположенные по обе стороны от дополнительной резистивной полосы, а каждая из вторых дополнительных резистивных полос соединена с дополнительной полосой при помощи вторых дополнительных перемычек, причем дополнительная резистивная полоса выполнена из материала, контактная разность потенциалов которого относительно второй дополнительной перемычки отличается от контактной разности потенциалов материала второй дополнительной резистивной полосы относительно второй дополнительной перемычки.In the part of the ring, a gap is made in which an additional resistive strip is placed, located not circumferentially with a center located in the center of the membrane, and two second additional resistive strips connected to the ring part located on both sides of the additional resistive strip, and each of the second additional resistive strips connected to the additional strip using the second additional jumpers, and the additional resistive strip is made of material, the contact potential difference which th relative to the second additional webs is different from the contact potential difference of the second additional resistive material strip relative to the second additional jumper.

Дополнительная резистивная полоса расположена по радиусу мембраны.An additional resistive strip is located along the radius of the membrane.

Резистивная полоса размещена над тензорезисторами на дополнительной изоляционной пленке, находящейся на тензорезисторах.The resistive strip is placed above the strain gauges on an additional insulating film located on the strain gauges.

На фиг.1 изображен предлагаемый тонкопленочный датчик давления в соответствии с п.1 формулы изобретения. На фиг.2 изображен фрагмент предлагаемого тонкопленочного датчика давления в соответствии с п.2 формулы изобретения. На фиг.3 изображен фрагмент предлагаемого тонкопленочного датчика давления в соответствии с п.3 формулы. На фиг.4 изображен фрагмент предлагаемого тонкопленочного датчика давления в соответствии с п.4 формулы.Figure 1 shows the proposed thin-film pressure sensor in accordance with claim 1 of the claims. Figure 2 shows a fragment of the proposed thin-film pressure sensor in accordance with paragraph 2 of the claims. Figure 3 shows a fragment of the proposed thin-film pressure sensor in accordance with paragraph 3 of the formula. Figure 4 shows a fragment of the proposed thin-film pressure sensor in accordance with paragraph 4 of the formula.

На фиг.1...4 обозначены: 1 - корпус, 2 - мембрана, 3 - периферийное основание, 4 - перемычка, 5 - окружной тензорезистор, 6 - радиальный тензорезистор, 7 - тензоэлемент, 8 - контактная площадка, 9 - контактная площадка, 10 - резистивная полоса, 11 - дополнительная перемычка, 12 - дополнительная резистивная полоса, 13 - вторая дополнительная полоса, 14 - вторая дополнительная перемычка, 15 - дополнительная изоляционная пленка, 16 - выводной проводник, 17 - гермовывод. Соотношения размеров для наглядности несколько изменены. Тонкопленочный датчик давления содержит корпус 1, круглую мембрану 2 с периферийным основанием 3, по которому мембрана закреплена в корпусе, соединенные перемычками 4 из низкоомного материала и включенные соответственно в противоположные плечи измерительного моста окружные 5 и радиальные 6 тензорезисторы, выполненные в виде одинакового количества соединенных перемычками 4, имеющих одинаковую форму тензоэлементов 7, расположенных по окружности на периферии мембраны. Одна из перемычек, соединяющих окружные 5 и радиальные 6 тензорезисторы, имеет две контактные площадки 8 и 9, соединенные резистивной полосой 10 в виде части кольца, размещенного на минимально возможном расстоянии от тензорезисторов 5 и 6 по окружности с центром, находящимся в центре мембраны. Отдельные участки резистивной полосы 10 закорочены дополнительными перемычками 11. В соответствии с п.2 формулы в части кольца выполнен разрыв, в котором размещена дополнительная резистивная полоса 12, расположенная не по окружности с центром, находящимся в центре мембраны, и соединенные с частью кольца две вторые дополнительные резистивные полосы 13, расположенные по обе стороны от дополнительной резистивной полосы. Каждая из вторых дополнительных резистивных полос 13 соединена с дополнительной резистивной полосой при помощи вторых дополнительных перемычек 14. Дополнительная резистивная полоса 12 выполнена из материала, контактная разность потенциалов которого относительно второй дополнительной перемычки 14 отличается от контактной разности потенциалов второй дополнительной резистивной полосы 13 относительно второй дополнительной перемычки 14. В соответствии с п.3 формулы изобретения дополнительная резистивная полоса 12 расположена по радиусу мембраны. В соответствии с п.4 формулы изобретения резистивная полоса 10 размещена над тензорезисторами 5 и 6 на дополнительной изоляционной пленке 15, находящейся на тензорезисторах 5 и 6. Выводные проводники 16 обеспечивают электрическую связь измерительного моста с гермовыводами 17.1 ... 4 are indicated: 1 - housing, 2 - membrane, 3 - peripheral base, 4 - jumper, 5 - circumferential strain gauge, 6 - radial strain gauge, 7 - strain gauge, 8 - contact area, 9 - contact area , 10 - resistive strip, 11 - additional jumper, 12 - additional resistive strip, 13 - second additional strip, 14 - second additional jumper, 15 - additional insulating film, 16 - output conductor, 17 - pressure relief. The aspect ratios are slightly changed for clarity. The thin-film pressure sensor comprises a housing 1, a circular membrane 2 with a peripheral base 3, along which the membrane is fixed in the housing, connected by jumpers 4 of low-resistance material and included respectively 5 circumferential and radial 6 strain gauges, made in the form of the same number of connected jumpers 4 having the same shape of the strain gauges 7, located around the circumference at the periphery of the membrane. One of the jumpers connecting the circumferential 5 and radial 6 strain gages, has two contact pads 8 and 9, connected by a resistive strip 10 in the form of a part of a ring placed at the minimum possible distance from the strain gages 5 and 6 around a circle with a center located in the center of the membrane. Separate sections of the resistive strip 10 are shorted by additional jumpers 11. In accordance with claim 2 of the formula, a gap is made in the part of the ring, in which an additional resistive strip 12 is placed, not located in a circle with a center located in the center of the membrane, and two second connected to the ring part additional resistive strip 13 located on both sides of the additional resistive strip. Each of the second additional resistive strips 13 is connected to the additional resistive strip using the second additional jumpers 14. The additional resistive strip 12 is made of material whose contact potential difference relative to the second additional jumper 14 is different from the contact potential difference of the second additional resistive strip 13 relative to the second additional jumper 14. In accordance with paragraph 3 of the claims, an additional resistive strip 12 is located along the radius of the meme wounds. In accordance with claim 4 of the invention, a resistive strip 10 is placed above the strain gauges 5 and 6 on an additional insulating film 15 located on the strain gauges 5 and 6. The output conductors 16 provide electrical connection between the measuring bridge and the pressure glands 17.

Мембрана 2 с периферийным основанием 3 выполнена из сплава 36НКВХБТЮ. На планарную сторону мембраны последовательно методами тонкопленочной технологии нанесена изоляционная пленка из моноокиси кремния с подслоем хрома, тензоэлементы 7, выполненные из сплава Х20Н75Ю, и перемычки 4 с контактными площадками, выполненные из золота 3л 999,9 толщиной 1 мкм, дополнительная резистивная полоса 12 выполнена из тонкой пленки алюминия толщиной 1 мкм. Вторые дополнительные резистивные полосы 13 выполнены из тонкой пленки золота 3л 999,9 толщиной 1 мкм. Дополнительные перемычки 11 и 13 выполнены из золотой проволоки 3л 999,9 диаметром 50 мкм. Размеры тензоэлементов 7 140×140 мкм. Ширина резистивной полосы 100 мкм. Ширина дополнительной резистивной полосы и второй дополнительной резистивной полосы 150 мкм.The membrane 2 with a peripheral base 3 is made of alloy 36NKVHBTY. An insulating film of silicon monoxide with a chromium sublayer is applied sequentially to the planar side of the membrane by thin-film methods, strain gauges 7 made of X20H75Y alloy, and jumpers 4 with contact pads made of 3l 999.9 gold 1 μm thick, additional resistive strip 12 made of thin film of aluminum with a thickness of 1 μm. The second additional resistive strip 13 is made of a thin film of gold 3l 999.9 with a thickness of 1 μm. Additional jumpers 11 and 13 are made of 3l 999.9 gold wire with a diameter of 50 microns. The dimensions of the strain elements 7 140 × 140 microns. The width of the resistive strip is 100 μm. The width of the additional resistive strip and the second additional resistive strip is 150 μm.

Удельное поверхностное сопротивление тонкопленочных перемычек составляет 0,03 Ом/квадрат, удельное поверхностное сопротивление тензоэлементов 70 Ом/квадрат.The specific surface resistance of thin-film jumpers is 0.03 Ohm / square, the specific surface resistance of the tensile elements is 70 Ohm / square.

Датчик давления работает следующим образом. Измеряемое давление воздействует на мембрану 2 со стороны, противоположной расположению тензосхемы. На планарной поверхности мембраны возникают радиальные и тангенциальные напряжения и деформации, которые воспринимаются тензоэлементами 7 окружных 5 и радиальных 6 тензорезисторов. Воздействие деформации от измеряемого давления на окружные тензорезисторы 5 приводит к увеличению их сопротивлений, а воздействие деформации от измеряемого давления на радиальные тензорезисторы 6 приводит к уменьшению их сопротивлений. Так как окружные 5 и радиальные 6 тензорезисторы включены соответственно в противоположные плечи измерительного моста, то при подаче на него питающего напряжения моста формируется выходной сигнал, величина которого однозначно связана с измеряемым давлением. Выводные проводники 16 и гермовыводы 17 обеспечивают подачу на измерительный мост напряжения питания и снятие выходного сигнала.The pressure sensor operates as follows. The measured pressure acts on the membrane 2 from the side opposite to the location of the strain diagram. On the planar surface of the membrane, radial and tangential stresses and strains arise, which are perceived by the strain elements 7 of the district 5 and radial 6 strain gages. The influence of deformation from the measured pressure on the circumferential strain gages 5 leads to an increase in their resistances, and the effect of deformation from the measured pressure on the radial strain gauges 6 leads to a decrease in their resistances. Since the circumferential 5 and radial 6 strain gages are included respectively in the opposite shoulders of the measuring bridge, then when the bridge is supplied with voltage, an output signal is generated, the value of which is unambiguously related to the measured pressure. The output conductors 16 and the pressure outputs 17 provide a supply voltage to the measuring bridge and remove the output signal.

При измерении давления в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды, например при воздействии на датчик, установленный на агрегате жидкостного реактивного двигателя, находящегося в нормальных климатических условиях, давление жидкого кислорода или водорода на поверхности мембраны возникает нестационарное температурное поле. Вследствие выполнения мембраны 2 круглой и закрепления мембраны при помощи периферийного основания 3 температурное поле на планарной стороне мембраны 2, т.е. на стороне размещения измерительного моста имеет ярко выраженный осесимметричный характер, т.е. температурное поле симметрично продольной оси мембраны 2, проходящей через ее центр. Вследствие выполнения окружных 5 и радиальных 6 тензорезисторов в виде одинакового количества имеющих одинаковую форму тензоэлементов 7, расположенных по окружности по периферии мембраны 2 на одинаковом расстоянии от центра мембраны, окружные 5 и радиальные 6 тензорезисторы в равной степени подвергаются негативному влиянию нестационарного температурного поля. Вследствие включения окружных 5 и радиальных 6 тензорезисторов в противоположные плечи измерительного моста негативное воздействие нестационарного температурного поля в значительной степени компенсируется. Реакция окружных и радиальных тензорезисторов на воздействие нестационарного температурного поля могла бы быть полностью идентична, и компенсация негативного воздействия нестационарного температурного поля была бы полная в случае отсутствия технологического разброса геометрических размеров и физических характеристик тензорезисторов при изготовлении в условиях серийного производства. Фактически реальная реакция окружных и радиальных тензорезисторов на воздействие нестационарного температурного поля отличается друг от друга. Различие реакции тензорезисторов проявляется в отличие сопротивлений окружных 5 и радиальных 6 тензорезисторов в один и тот же момент времени. Причем в силу случайности распределения технологических разбросов формы и размеров превалирование сопротивлений окружных или радиальных тензорезисторов носит также случайный характер для партии датчиков, оставаясь детерминированным для каждого конкретного датчика. Поэтому в заявляемом датчике давления различная реакция окружных 5 и радиальных 6 тензорезисторов на воздействие температуры компенсируется выполнением одной из перемычек, соединяющих окружные и радиальные тензорезисторы, в виде двух контактных площадок 8 и 9, соединенных резистивной полосой 10 в виде части кольца и расположенного на минимальном расстоянии от тензорезисторов по окружности с центром, находящимся в центре мембраны.When measuring pressure under the influence of unsteady temperature of the medium being measured, for example, when a sensor is mounted on a liquid-propellant engine unit under normal climatic conditions, an unsteady temperature field arises on the surface of the membrane of liquid oxygen or hydrogen. Due to the execution of the membrane 2 round and fixing the membrane using a peripheral base 3, the temperature field on the planar side of the membrane 2, i.e. on the placement side of the measuring bridge it has a pronounced axisymmetric character, i.e. the temperature field is symmetric to the longitudinal axis of the membrane 2 passing through its center. Due to the performance of the circumferential 5 and radial 6 strain gages in the form of the same number of strain gages having the same shape 7, located around the circumference along the periphery of the membrane 2 at the same distance from the center of the membrane, the circumferential 5 and radial 6 strain gages are equally affected by the unsteady temperature field. Due to the inclusion of district 5 and radial 6 strain gages in the opposite shoulders of the measuring bridge, the negative impact of the unsteady temperature field is largely compensated. The response of circumferential and radial strain gauges to the influence of an unsteady temperature field could be completely identical, and the compensation of the negative impact of an unsteady temperature field would be complete if there was no technological variation in the geometric dimensions and physical characteristics of the strain gauges during manufacture under serial production conditions. In fact, the real reaction of circumferential and radial strain gauges to the effect of an unsteady temperature field is different from each other. The difference in the reaction of strain gages is manifested in contrast to the resistance of the circuit 5 and radial 6 strain gages at the same time. Moreover, due to the random distribution of technological variations in shape and size, the prevalence of the resistances of circumferential or radial strain gauges is also random in nature for a batch of sensors, remaining deterministic for each specific sensor. Therefore, in the inventive pressure sensor, the different reaction of the district 5 and radial 6 strain gages to the effect of temperature is compensated by the implementation of one of the jumpers connecting the circumferential and radial strain gages, in the form of two pads 8 and 9, connected by a resistive strip 10 in the form of a ring part and located at a minimum distance from strain gages around a circle with a center located in the center of the membrane.

Перемычка содержит две контактные площадки 8 и 9 для обеспечения возможности включения ее в плечо измерительного моста окружного 5 или радиального 6 тензорезисторов. В том случае, когда в результате технологического разброса сопротивления окружных тензорезисторов 5 больше сопротивлений радиальных тензорезисторов 6, перемычка (резистивная полоса 10) включается в плечо радиального тензорезистора 6, для чего, например, снятие сигнала осуществляют с контактной площадки 8. Если в результате технологического разброса сопротивления окружных тензорезисторов 5 меньше сопротивлений радиальных тензорезисторов 6, то снятие сигнала осуществляют с контактной площадки 9. Выполнение резистивной полосы 10 в виде части кольца, расположенного на минимально возможном расстоянии от тензорезисторов по окружности с центром, находящимся в центре мембраны, симметрично центру мембраны обеспечивает работу перемычки в условиях, наиболее близких к условиям работы тензорезисторов. Минимально возможное расстояние части кольца определяется возможностями имеющегося оборудования. При изготовлении опытных образцов минимально возможное расстояние составило 50 мкм при диаметре мембраны 5000 мкм. Расположение резистивной полосы 10 по окружности с центром, находящимся в центре мембраны, учитывает осесимметричное распределение температурного поля на поверхности мембраны. При любом другом расположении резистивной полосы 10 в ней в результате воздействия нестационарной температуры измеряемой среды возникает термо-ЭДС Томсона, которая исказит условия компенсации. Закорачивание отдельных участков резистивной полосы 10 дополнительными перемычками 11 обеспечивает ввод в плечо окружного или радиального резистора необходимой величины сопротивления. Таким образом, в заявляемой конструкции осуществляется компенсация влияния технологического разброса геометрических размеров и физических характеристик окружных и радиальных тензорезисторов на погрешность при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды.The jumper contains two pads 8 and 9 to enable its inclusion in the shoulder of the measuring bridge of the circumferential 5 or radial 6 strain gages. In the case when, as a result of the technological spread of the resistance of the circumferential strain gages 5 more resistances of the radial strain gages 6, a jumper (resistive strip 10) is included in the shoulder of the radial strain gauge 6, for which, for example, the signal is removed from the contact pad 8. If, as a result of the technological spread the resistance of the circular strain gages 5 is less than the resistance of the radial strain gages 6, then the signal is removed from the contact pad 9. The resistive strip 10 in the form of frequent and a ring located at the minimum possible distance from the strain gages around the circumference with the center located in the center of the membrane, symmetrically to the center of the membrane, ensures the operation of the jumper in conditions that are closest to the operating conditions of the strain gages. The minimum possible distance of a part of the ring is determined by the capabilities of the available equipment. In the manufacture of prototypes, the minimum possible distance was 50 μm with a membrane diameter of 5000 μm. The location of the resistive strip 10 around the circumference with the center located in the center of the membrane, takes into account the axisymmetric distribution of the temperature field on the surface of the membrane. With any other arrangement of the resistive strip 10 in it, as a result of the unsteady temperature of the measured medium, a Thomson thermo-EMF arises, which will distort the compensation conditions. Shorting of individual sections of the resistive strip 10 with additional jumpers 11 provides the input of the required resistance value into the shoulder of the circumferential or radial resistor. Thus, in the claimed design, compensation is made for the influence of technological variation in the geometric dimensions and physical characteristics of circumferential and radial strain gauges on the error when exposed to unsteady temperature of the measured medium.

Неравномерное температурное поле, возникающее на планарной поверхности мембраны в результате воздействия нестационарной температуры измеряемой среды, приводит к появлению в измерительном мосте нескомпенсированной термо-ЭДС, которые являются результатом взаимодействия множества термо-ЭДС, возникающих на границах раздела тензоэлементов и перемычек, вследствие несовершенства структуры и неидентичности физических характеристик тензоэлементов и перемычек. Таким образом нескомпенсированная термо-ЭДС возникает при воздействии нестационарной температуры и только при наличии внутренней несимметрии измерительного моста, вызванной технологическим разбросом геометрических размеров и физических характеристик: состава и структуры тензоэлементов и перемычек.An uneven temperature field arising on the planar surface of the membrane as a result of the unsteady temperature of the medium being measured leads to the appearance of an uncompensated thermo-EMF in the measuring bridge, which are the result of the interaction of many thermo-EMFs arising at the interfaces between the strain elements and jumpers, due to imperfect structure and non-identity physical characteristics of strain elements and jumpers. Thus, uncompensated thermo-EMF arises under the influence of unsteady temperature and only in the presence of internal asymmetry of the measuring bridge caused by technological variation in geometric dimensions and physical characteristics: composition and structure of strain elements and jumpers.

Причем следует отметить, что так как технологический разброс носит случайный характер, то и нескомпенсированная термо-ЭДС носит также случайный характер как по величине, так и по знаку.It should be noted that since the technological spread is random, the uncompensated thermo-EMF is also random in both magnitude and sign.

Так как в заявляемой конструкции каждая из вторых дополнительных резистивных полос 13 соединена с дополнительной резистивной полосой 12 при помощи вторых дополнительных перемычек 14, причем резистивная полоса 12 выполнена из материала, контактная разность потенциалов которого относительно второй дополнительной перемычки 14 отличается от контактной разности потенциалов материала второй дополнительной полосы 13 и второй дополнительной перемычки 14, то при воздействии нестационарной температуры в местах соединения вторых дополнительных перемычек 14 с дополнительной резистивной полосой 12 возникают термо-ЭДС. Так как дополнительная резистивная полоса 12 расположена не по окружности с центром, находящимся в центре мембраны 2, то величины этих термо-ЭДС при размещении мест соединений на различном расстоянии от центра мембраны 2 будут отличаться друг от друга в связи с тем, что температура на мембране при воздействии нестационарной температуры зависит от расстояния до центра мембраны. Так как две вторые дополнительные резистивные полосы 13 расположены по обе стороны от дополнительной резистивной полосы 12, то эти термо-ЭДС будут включены последовательно и встречно. Так как две вторые дополнительные полосы 13 соединены с частью кольца 10, то возникающие термо-ЭДС включены последовательно с частью кольца. Таким образом, изменяя расстояние между местами соединения вторых дополнительных перемычек 14 с дополнительной резистивной полосой 12, можно подобрать необходимую величину результирующей термо-ЭДС, необходимой для сведения к минимуму нескомпенсированной термо-ЭДС. Знак результирующей термо-ЭДС определяется соотношением расстояний до центра мембраны 2 мест соединений вторых дополнительных перемычек 14 с дополнительной резистивной полосой 12 и второй дополнительной полосой 13. Если, например, место соединения второй дополнительной перемычки 14, соединяющей дополнительную резистивную полосу 12 и вторую дополнительную резистивную полосу 13, находящуюся слева от дополнительной резистивной полосы 12, находится ближе к центру мембраны, чем место соединения второй дополнительной перемычки 14, соединяющей дополнительную резистивную полосу 12 и вторую дополнительную резистивную полосу 13, находящуюся справа от дополнительной резистивной полосы 12, то результирующая термо-ЭДС будет иметь один знак. Если же место соединения второй дополнительной перемычки 14, соединяющей дополнительную резистивную полосу 12 и вторую дополнительную полосу 13, находящуюся слева от дополнительной резистивной полосы 12, находится дальше от центра мембраны, чем место соединения дополнительной перемычки 11, соединяющей резистивную полосу 12 и дополнительную полосу 13, находящуюся справа от резистивной полосы 12, то результирующая термо-ЭДС будет иметь противоположный знак по сравнению с ранее рассмотренным случаем. Такое выполнение конструкции позволяет скомпенсировать технологический разброс геометрических размеров и физических характеристик тензорезисторов, являющихся причинами возникновения разной реакции окружных и радиальных тензорезисторов на воздействие нестационарной температуры, и технологический разброс, вызывающий несовершенство структуры и неидентичность физических характеристик тензоэлементов и перемычек, приводящих к появлению нескомпенсированной термо-ЭДС при воздействии термоудара. Заявляемая конструкция позволяет минимизировать погрешность в условиях воздействия термоудара от вышеперечисленных причин как по величине, так и по знаку при использовании только одной дополнительной контактной площадки. Расположение дополнительной резистивной полосы 12 по радиусу мембраны позволяет достигнуть максимально возможного эффекта компенсации погрешности, возникающей при воздействии нестационарной температуры вследствие возможности обеспечения максимального значения компенсирующей термо-ЭДС за счет наибольшей скорости изменения температур по радиусу мембраны по сравнению со всеми другими направлениями. Кроме того, размещение дополнительной резистивной полосы по радиусу мембраны обеспечивает (при прочих равных условиях) максимальное отношение компенсирующей термо-ЭДС к сопротивлению дополнительной резистивной полосы 12, что уменьшает взаимное влияние сопротивлений дополнительной резистивной полосы 12 на компенсацию при помощи резистивной полосы 10. Дополнительное уменьшение влияния сопротивления дополнительной резистивной полосы может быть достигнуто известными методами, например, при помощи выполнения дополнительных резистивных полос 12 и 13 большей ширины или толщины по сравнению с шириной или толщиной резистивной полосы 10. При размещении части кольца непосредственно над тензорезисторами на дополнительной изоляционной пленке, расположенной на тензорезисторах в соответствии с п.4 формулы, можно достичь минимально возможного расстояния от тензорезисторов, равного толщине изоляционной пленки, то есть 1-2 мкм, а следовательно, и максимального совпадения температуры резистивной полосы 10 и тензорезисторов в каждый момент времени при воздействии нестационарной температуры измеряемой среды.Since in the claimed design each of the second additional resistive strips 13 is connected to an additional resistive strip 12 using the second additional jumpers 14, and the resistive strip 12 is made of material, the contact potential difference of which relative to the second additional jumper 14 is different from the contact potential difference of the material of the second additional strip 13 and the second additional jumper 14, then when exposed to an unsteady temperature at the junction of the second additional ne jumpers 14 with an additional resistive strip 12 there are thermo-EMF. Since the additional resistive strip 12 is not located in a circle with a center located in the center of the membrane 2, the values of these thermo-EMFs at the location of the joints at different distances from the center of the membrane 2 will differ from each other due to the fact that the temperature on the membrane when exposed to unsteady temperature, it depends on the distance to the center of the membrane. Since the two second additional resistive strips 13 are located on both sides of the additional resistive strip 12, these thermo-EMFs will be connected in series and counterclockwise. Since the two second additional strips 13 are connected to a part of the ring 10, the resulting thermo-EMFs are connected in series with the part of the ring. Thus, by changing the distance between the junctions of the second additional jumpers 14 with an additional resistive strip 12, it is possible to select the required value of the resulting thermo-EMF, necessary to minimize the uncompensated thermo-EMF. The sign of the resulting thermo-EMF is determined by the ratio of the distances to the membrane center 2 of the junctions of the second additional jumpers 14 with the additional resistive strip 12 and the second additional strip 13. If, for example, the junction of the second additional jumper 14 connects the additional resistive strip 12 and the second additional resistive strip 13, located to the left of the additional resistive strip 12, is closer to the center of the membrane than the junction of the second additional jumper 14 connecting to olnitelnuyu resistive strip 12 and a second additional resistive strip 13, the right of the additional resistive strip 12, the resultant thermo-electromotive force will have the same sign. If the junction of the second additional jumper 14 connecting the additional resistive strip 12 and the second additional strip 13 located to the left of the additional resistive strip 12 is farther from the center of the membrane than the junction of the additional jumper 11 connecting the resistive strip 12 and the additional strip 13, located to the right of the resistive strip 12, the resulting thermo-EMF will have the opposite sign in comparison with the previously considered case. This design allows you to compensate for the technological spread of the geometric dimensions and physical characteristics of the strain gauges, which are the causes of the different reactions of the circumferential and radial strain gauges to the effect of unsteady temperature, and the technological spread, which causes imperfect structure and the non-identical physical characteristics of the strain gauges and jumpers, leading to the appearance of uncompensated thermo-EMF when exposed to thermal shock. The inventive design allows to minimize the error under the influence of thermal shock from the above reasons both in magnitude and in sign when using only one additional contact pad. The location of the additional resistive strip 12 along the radius of the membrane allows you to achieve the maximum possible effect of compensation for the error that occurs when exposed to unsteady temperature due to the possibility of ensuring the maximum value of the compensating thermo-EMF due to the highest rate of temperature change along the radius of the membrane compared to all other directions. In addition, the placement of the additional resistive strip along the radius of the membrane provides (ceteris paribus) the maximum ratio of the compensating thermo-EMF to the resistance of the additional resistive strip 12, which reduces the mutual influence of the resistances of the additional resistive strip 12 on the compensation using the resistive strip 10. An additional decrease in the effect the resistance of the additional resistive strip can be achieved by known methods, for example, by performing additional resistive strips 12 and 13 of greater width or thickness compared to the width or thickness of the resistive strip 10. When placing part of the ring directly above the strain gauges on an additional insulating film located on the strain gauges in accordance with paragraph 4 of the formula, it is possible to achieve the minimum possible distance from the strain gauges equal to the thickness of the insulating film, that is, 1-2 microns, and therefore the maximum coincidence of the temperature of the resistive strip 10 and the strain gauges at each moment of time when exposed to an unsteady pace Aturi the medium.

В результате испытаний опытных образцов тонкопленочных датчиков давления в соответствии с п.1 формулы изобретения установлено, что погрешность датчиков при воздействии нестационарной температуры от 25±10°С до минус 196°С не превышает 1,0% от предела измерения, датчиков в соответствии с п.2 формулы не превышает 0,6%, датчиков в соответствии с п.3 формулы не превышает 0,4%, датчиков в соответствии с п.4 формулы не превышает 0,3% от предела измерений. Погрешность тонкопленочного датчика давления в соответствии с прототипом в тех же условиях составляет 1,5%. Погрешность наиболее совершенного серийного тонкопленочного датчика давления Bm 212, предназначенного для измерения давления в изделиях ракетно-космической техники в условиях воздействия нестационарной температуры с ранее указанными параметрами, достигает 30-40% от предела измерений.As a result of testing prototypes of thin-film pressure sensors in accordance with paragraph 1 of the claims, it was found that the error of the sensors when exposed to an unsteady temperature from 25 ± 10 ° C to minus 196 ° C does not exceed 1.0% of the measurement limit, sensors in accordance with claim 2 of the formula does not exceed 0.6%, sensors in accordance with claim 3 of the formula does not exceed 0.4%, sensors in accordance with claim 4 of the formula does not exceed 0.3% of the measurement limit. The error of the thin-film pressure sensor in accordance with the prototype under the same conditions is 1.5%. The error of the most advanced serial thin-film pressure sensor Bm 212, designed to measure pressure in rocket and space technology products under conditions of unsteady temperature with the previously specified parameters, reaches 30-40% of the measurement limit.

Claims

1. A thin-film pressure sensor comprising a housing, a circular membrane with a peripheral base, on which the membrane is fixed in the housing, circumferential and radial strain gauges connected by jumpers of low-resistance material and connected in opposite arms of the measuring bridge, made in the form of connected by jumpers of the same number having the same shape strain elements located around the circumference at the periphery of the membrane, characterized in that one of the jumpers connecting the circumferential and radial nzoresistors, has two contact pads connected by a resistive strip in the form of a part of a ring placed at the minimum possible distance from the strain gages around a circle with a center located in the center of the membrane, and some parts of the ring part are shorted by additional jumpers.

2. The thin-film pressure sensor according to claim 1, characterized in that a gap is made in the part of the ring, in which an additional resistive strip is placed, located not circumferentially with a center located in the center of the membrane, and two second additional resistive bands connected to the ring part, located on both sides of the additional resistive strip, and each of the second additional resistive strips is connected to the additional resistive strip using the second additional jumpers, and additional resistive The first strip is made of material, the contact potential difference of which relative to the second additional bridge is different from the contact potential difference of the material of the second additional resistive strip relative to the second additional bridge.

3. A thin-film pressure sensor according to claim 2, characterized in that the additional resistive strip is located along the radius of the membrane.

4. The thin-film pressure sensor according to claim 1, characterized in that the resistive strip is placed above the strain gauges on an additional insulating film located on the strain gauges.