УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ

Полезная модель относится к области приборостроения, а именно к тензорезисторным устройствам для измерения давления, и может быть использовано преимущественно в преобразователях давления, разрежения, разности давления, расхода и уровня жидких и газообразных сред в электрический сигнал.
Известно устройство для измерения давления, описанное в а.с. СССР № SU 1719940 по кл. G 01 L 9/04.
Известное устройство содержит сапфировую подложку квадратной формы, жестко соединенную с металлической мембраной, выточенной заодно с корпусом, и закрывающую практически полностью всю верхнюю поверхность мембраны. На поверхности подложки у контура мембраны расположены кремниевые тензорезисторы, ориентированные параллельно (два резистора) и перпендикулярно (тоже два резистора) радиусу мембраны и соединенные в мостовую схему.
Недостатком этого устройства является невысокая чувствительность к измеряемому давлению, что позволяет использовать его для измерения давлений более 4 МПа.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому и принятому в качестве прототипа является тензопреобразователь давления типа Д16, описанный в статье - Перепелицын О.П., Благодетелев С.В., Конструкция и технические характеристики тензопреобразователей на основе структур кремний на сапфире, Датчики и системы, 2002, спецвыпуск к №10.
Известное устройство, чувствительное к давлению, представляет собой конструкцию, состоящую из корпуса и измерительной мембран, жестко соединенных друг с другом сварным соединением. На верхней поверхности измерительной мембраны жестко закреплена диэлектрическая подложка квадратной формы из монокристаллического материала с кремниевыми тензорезисторами, закрывающая практически полностью верхнюю поверхность мембраны. Верхняя измерительная мембрана имеет тонкую часть и жесткий центр. Измеряемое давление воздействует на мембрану, деформируя как мембрану, так и диэлектрическую подложку с размещенными на ней
тензорезисторами.
К недостаткам прототипа следует отнести существенную жесткость измерительной мембраны с закрепленной на ней диэлектрической подложкой с кремниевыми тензорезисторами, которая имеет модуль упругости в 3-4 выше, чем материал мембраны, а также имеет технологические ограничения по уменьшению ее толщины, что не позволяет заметно повысить чувствительность, за счет уменьшения толщины мембраны. Увеличение диаметра приводит к увеличению площади дорогостоящего кристалла, габаритных размеров датчиков в которых используется устройство для измерения давления, что в ряде случаев неприемлемо. Кроме того, имеются технологические сложности и ограничения в изготовлении мембран большого диаметра, имеющей унитарную конструкцию с толстым краевым ободком, компенсирующим паразитные деформации при закреплении, тонкой частью большой площади и толстым жестким центром. Указанные недостатки прототипа не позволяют его использовать в высокочувствительных малогабаритных промышленных измерительных преобразователях давления, разрежения, разности давлений, расхода и уровня жидких и газообразных сред в электрический сигнал.
Целью заявляемой полезной модели является значительное повышение чувствительности устройства для измерения давления на базе тензоэффекта, минимизация габаритных размеров, уменьшение расхода дорогостоящих материалов и улучшение технологичности конструкции.
Поставленная цель достигается тем, что в устройства для измерения давления, содержащем мембрану, имеющую толстое внешнее кольцо, тонкую часть в виде кольца, толстый жесткий центр, и по крайней мере два тензорезистора, размещенные на диэлектрической подложке, жестко закрепленной на верхней поверхности мембраны, вблизи областей переходов тонкой части в толстую, согласно полезной модели, на поверхности мембраны жестко закреплена диэлектрическая подложка вытянутой прямоугольной формы, имеющая отношение сторон не менее 3:1 и закрывающая меньшую часть площади мембраны, а на диэлектрической подложке, на верхней поверхности измерительной мембраны в четырех областях перехода тонкой части в толстую часть как вблизи внешнего кольца, так и вблизи жесткого центра размещены четыре тензочувствительных резистора, имеющих одинаковую ориентацию вдоль длинной стороны мембраны или перпендикулярно ей и соединенных в
мостовую или другую схему.
Кроме того, нижняя сторона мембраны может быть жестко соединена по внешнему жесткому кольцу с корпусом различной формы.
Кроме того, на диэлектрической подложке дополнительно может быть размещен не чувствительный к деформации и чувствительный к температуре резистор из гетероэпитаксиального кремния или другого материала.
Кроме того, на внешнее толстое кольцо мембраны может быть жестко закреплено переходное кольцо.
Кроме того, на переходное кольцо может быть жестко закреплен коллектор из диэлектрического материала с металлизированными проводниками.
Кроме того, на коллекторе может быть жестко закреплена крышка из диэлектрического материала.
Благодаря тому, что диэлектрическая подложка имеет вытянутую прямоугольную форму, имеющую отношение сторон не менее 3:1, и закрывает только меньшую часть площади мембраны, в 1,5-2 раза уменьшается жесткость мембраны, так как модуль упругости диэлектрической подложки (лейкосапфир) в 3-4 раза выше, чем модуль упругости мембраны (титановый сплав), и таким образом в 1,5-2 раза повышается чувствительность устройства к измеряемому давлению, а вследствие размещения на диэлектрической подложке четырех тензорезисторов, расположенных в зонах положительной деформации (вблизи жесткого центра) и отрицательной деформации (вблизи внешнего кольца) при воздействии измеряемого давления, соединенных в мостовую схему и ориентированных одинаково вдоль или перпендикулярно длинной стороне, достигается высокая чувствительность к давлению и низкая чувствительность к температуре, так как при воздействии температуры все тензорезисторы либо сжимаются либо растягиваются в одинаковой степени, автоматически компенсируя изменение выходного сигнала.
Дополнительным преимуществом устройства является снижение в 2-3 раза расхода дорогостоящей диэлектрической подложки с нанесенным на ней слоем тензочувствительного полупроводникового материала, например, кремний-на-сапфире, а также улучшение технологичности при изготовлении, позволяющая устранить два сварных соединения, в связи с отсутствием второй мембраны.
Заявляемое устройство для измерения давления обладает новизной в сравнении
с прототипом, отличаясь от него такими существенными признаками, как прямоугольная форма диэлектрической подложки с отношением сторон 3:1 или более, которая закрывает меньшую часть площади мембраны, использование четырех продольных тензорезисторов размещенных на диэлектрической подложке в зоне перехода тонкой части в толстую как вблизи жесткого центра, так и вблизи внешнего толстого кольца, и ориентированных одинаково вдоль длинной стороны прямоугольной измерительной мембраны или перпендикулярно ей и соединенных в мостовую схему или другую схему, обеспечивающими в совокупности достижение высокой чувствительности устройства к измеряемому давлению и низкого паразитного влияния температуры.
Заявляемое устройство для измерения давления может найти широкое применение в измерительной технике и потому соответствует критерию "промышленная применимость".
Заявляемая полезная модель иллюстрируется чертежами, где представлены на:
- фиг.1 - устройство для измерения давления - вид сверху;
- фиг.2 - разрез А-А со стороны торца;
- фиг.3 - вариант 1 выполнения устройства для измерения давления - разрез вдоль оси;
- фиг.4 - вариант 2 выполнения устройства для измерения давления.
Устройство для измерения давления (фиг.1, фиг.2) содержит измерительную мембрану 1 и диэлектрическую подложку 2, при этом измерительная мембрана 1 состоит из внешнего толстого кольца, тонкой части мембраны 3 и толстого жесткого центра 4, а диэлектрическая подложка содержит тензорезисторы 5 и 6, одинаково сориентированные и расположенные вблизи зон перехода толстой части в тонкую часть, которые являются зонами наибольшей деформации при воздействии давления. Тензорезисторы 5 размещены в зонах, имеющих положительный знак деформации, а тензорезисторы 6 в зонах с отрицательным знаком деформации при воздействии давления, что при одинаковой ориентации приводит к изменению сопротивлений с разными знаками, обеспечивая разбаланс мостовой схемы. Унитарная конструкция измерительной мембраны 1 выполнена из упругого сплава, например из титанового сплава.
Диэлектрическая подложка 2 имеет прямоугольную форму с отношением сторон
3:1 или более и выполнена, например, из пластины искусственного лейкосапфира с определенной кристаллографической ориентацией, например (1012), на поверхности которой выращен слой кремния, из которого образованы тензорезисторы 5 и 6, ориентированные вдоль кристаллографических направлений (011) кремния, и возможно не чувствительный к деформации и чувствительный к температуре резистор 7, ориентированный в направлении минимальной тензочувствительности, например под 45° к кристаллографическому направлению (011) кремния. Крепление сапфировой подложки 2 на поверхности измерительной мембраны 1 из титанового сплава может быть выполнено при помощи высокотемпературной пайки серебросодержащим припоем, например ПСР-72, при этом высокий предел пластической деформации и малая толщина слоя припоя обеспечивают высокие метрологические характеристики устройства.
На фиг.3 показан вариант выполнения устройства для измерения давления, дополнительно содержащее корпус 8, который может иметь резьбу и различные фаски и вырезы.
На фиг.4 показан вариант выполнения устройства для измерения давления, в котором дополнительно к предыдущему варианту имеется металлическая втулка 9 и коллектор 10 из диэлектрического материала с металлическими контактами. Втулка 9, например, из титанового сплава, соединяется с измерительной мембранной 1 лазерной или аргонно-дуговой сваркой. Коллектор соединяется с втулкой, например клеем. Кремниевые тензорезисторы соединенные с мостовую схему соединяются тонкими проводниками, например золотыми или алюминиевыми, с металлическими контактами коллектора. Кроме того, с помощью клея или другим способом на коллектор может быть закреплена крышка 11 из диэлектрического материала, закрывающая от внешнего воздействия измерительную мембрану и диэлектрическую под-ложку с кремниевыми тензорезисторами.
Устройство для измерения давления работает следующим образом.
Измеряемое давление прикладывается к мембране 1 в направлении диэлектрической подложки 2, вызывая прогиб мембраны 1 и диэлектрической подложки 2, пропорциональный приложенному давлению. При этом под воздействием деформации тензорезисторы 5 и 6, включенные в мостовую или дифференциальную измерительную схему (не показано), изменят свои начальные сопротивления, причем тензорезисторы
5 (фиг.1) увеличивают, а тензорезисторы 6 (фиг.1) уменьшают свое сопротивление, вследствие чего на выходе измерительной схемы появится сигнал, пропорциональный величине измеряемого давления.
В местах перехода тонкой части мембран к толстой части имеются радиусы округления, формирующие плавный экстремум изгибных напряжений на поверхности диэлектрической подложки в зонах расположения тензорезисторов, что повышает перегрузочную способность устройства для измерения давления, увеличивает его эксплуатационную надежность, долговременную стабильность и работоспособность.
Таким образом, как видно из описания устройства и его принципа действия, получено новое техническое решение, при котором обеспечивается высокая чувствительность выходного сигнала, высокая точность измерений (0,05-0,1%), высокая линейность (0,1-0,25%), невысокий температурный коэффициент изменения начального сигнала при изменении температуры, высокая перегрузочная способность, долговременная стабильность измерений, надежность работы в широком интервале температур (от минус 50 до плюс 120°С и более), компактность и простота конструкции (например, внешний диаметр мембраны 1 для номинального давления 400 кПа равен 16 мм). Устройство для измерения давления, выполненное согласно описанию, целесообразно использовать для верхних пределов измерений давления в диапазоне 50-400 кПа в малогабаритных приборах давления, разрежения, разности давлений, расхода, уровня.
В сравнении с прототипом заявляемая полезная модель имеет чувствительность в 1,5-2 раза выше при аналогичных габаритных размерах, диаметрах и толщинах мембраны.