ДАТЧИК КОНТРОЛЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ
SENSOR FOR MONITORING LIQUID LEVEL

Изобретение относится к приборостроению, а именно к дискретным датчикам контроля уровня, и может быть использовано в системах и приборах для контроля уровня топлива при хранении, заправке, а также в процессе работы двигателей на криогенном топливе при жестких механических воздействиях.
Известен датчик контроля уровня жидкости (патент RU 2310173 C1, G01F 23/00, G01F 1/68, опубликовано 10.11.2007), содержащий теплоизолирующую подложку, установленную на печатную плату, выполненную в виде узкой тонкой пластины и жестко прикрепленную короткой стороной к основанию корпуса датчика, при этом на краю противоположной незакрепленной стороны печатной платы выполнено отверстие, над которым размещена подложка с двумя терморезисторами в «точечном» исполнении. Причем в качестве подложки использована тонкая пленка, а терморезисторы расположены симметрично у верхнего и нижнего краев подложки на расстоянии не более 0,2-0,5 мм от края подложки, а расстояние между терморезисторами не более 1,5 мм. Недостатком данного устройства является невысокая механическая прочность конструкции, обусловленная возможными нарушениями целостности соединения терморезистора с контактными площадками подложки, а также низкий выход годных из-за влияния существующих на поверхности подложки дефектов при изготовлении устройств.
По технической сущности из известных устройств наиболее близким к заявленному устройству является датчик контроля уровня жидкости (патент RU 2295115 C2, G01F 23/00, G01F 1/68, опубликовано 10.03.2007), содержащий корпус с печатной платой и терморезистор на подложке, установленной на печатной плате. Печатная плата выполнена в виде узкой (с соотношением сторон в диапазоне 1:3…1:5) тонкой пластины, одна короткая сторона которой жестко крепится к основанию корпуса, а у края противоположной незакрепленной стороны выполнено отверстие с диаметром, в 2…4 раза большим ширины подложки с терморезистором, размещенной над отверстием и изготовленной из тонкого теплоизолирующего материала в виде пленки, при этом терморезистор выполнен в "точечном" виде с размерами (0,15…0,5) мм × (0,15…0,5) мм и толщиной не более 0,0005 мм. Терморезистор расположен у нижнего края пленки. Недостатком данного датчика является возможность нарушения целостности соединения проводника и терморезистора при воздействии гидроударов жидкости и образовании микротрещин, что нарушает механическую прочность устройства в целом и может привести к отказу в работе системы контроля уровня. Наличие дефектов в пленочных элементах при изготовлении устройства также влияет на выход годных изделий.
Указанное устройство по патенту RU 2295115 C2 принимается за прототип.
Цель изобретения - повышение механической прочности конструкции за счет обеспечения целостности соединения пленочного резистора (терморезистора) с контактными площадками подложки (проводниками) и увеличение выхода годных при изготовлении устройств.
Поставленная цель достигается тем, что в датчике контроля уровня жидкости, содержащем корпус и печатную плату, на которой установлена подложка с размещенными на ней одним или двумя идентичными пленочными резисторами (терморезисторами) и контактными площадками (проводниками), печатная плата выполнена в виде узкой пластины, одна короткая сторона которой жестко крепится к основанию корпуса, а у края противоположной незакрепленной стороны выполнено отверстие с диаметром, в 2…4 раза большим ширины подложки, размещенной над отверстием и выполненной из тонкого теплоизолирующего материала, а каждый пленочный резистор (терморезистор) выполнен в «точечном» виде с размерами в диапазоне (0,15…0,5)мм × (0,15…0,5)мм и толщиной не более 0,0005 мм, границы раздела между каждым пленочным резистором (терморезистором) и контактными площадками подложки (проводниками) выполнены в виде ломаных линий, состоящих из прямых отрезков.
Выполнение каждой границы раздела между терморезистором и проводником в виде ломаной линии, состоящей из прямых отрезков, приводит к увеличению длины границы раздела и соответственно к увеличению сцепления проводника и пленочного резистора, обеспечивая целостность этого соединения при воздействии гидроударов жидкости, что позволяет сохранить заданное значение сопротивления терморезистора, необходимое для контроля уровня жидкости, и повышает механическую прочность конструкции. Кроме того, увеличение сцепления проводника и пленочного резистора снижает влияние дефектов подложки, повышая выход годных при изготовлении датчиков.
Выявленный отличительный признак в предложенной совокупности не встречался в ранее известных технических решениях, обеспечивает достижение поставленной цели и может быть квалифицирован как существенное отличие.
Изобретение поясняется чертежами:
Фиг.1 - датчик контроля уровня жидкости;
Фиг.2 - подложка с одним пленочным резистором (терморезистором) (прототип);
Фиг.3 - подложка с двумя пленочными резисторами (терморезисторами).
Предлагаемый датчик контроля уровня жидкости (фиг.1, представлен датчик с одним терморезистором) содержит корпус 1 и печатную плату 2, на которой установлена подложка 3 с размещенными на ней пленочным резистором (терморезистором) 4 и контактными площадками (проводниками) 5. Возможен вариант исполнения конструкции с двумя идентичными терморезисторами 4. Печатная плата 2 выполнена в виде узкой пластины, одна короткая сторона которой жестко крепится к основанию корпуса 1, а у края противоположной незакрепленной стороны выполнено отверстие 6 с диаметром, в 2…4 раза большим ширины подложки 3. Подложка 3 размещена над отверстием 6 и выполнена из тонкого теплоизолирующего материала. На подложку 3 методом вакуумного напыления с последующей фотолитографией нанесен пленочный резистор 4 из титана с медными контактными площадками 5. Терморезистор 4 изготовлен в «точечном» исполнении с размерами (площадь нагрева, занимаемая терморезистором, выполненным в виде меандра) в диапазоне (0,15…0,5)мм × (0,15…0,5)мм и толщиной не более 0,0005 мм. Контактные площадки 5 подложки 3 через контактные площадки печатной платы 2 соединены с проводами 7 и служат для подачи напряжения на пленочный терморезистор 4.
В техническом решении, защищенном патентом RU 2295115 C2 и принятом за прототип, датчик контроля уровня жидкости содержит подложку 8 (фиг.2) с терморезистором 9 и контактными площадками 10, при этом каждая граница раздела 11 между терморезистором 9 и контактными площадками 10 выполнена в виде короткого отрезка прямой линии, что снижает механическую прочность конструкции и уменьшает выход годных при изготовлении устройств. В отличие от прототипа в предлагаемом датчике контроля уровня жидкости границы раздела 12 между терморезисторами 4 и контактными площадками (проводниками) 5, нанесенными на подложку 3, выполнены в виде ломаных линий, состоящих из прямых отрезков (фиг.3). На фиг.3 представлен вариант конструкции с двумя идентичными терморезисторами.
Датчик контроля уровня жидкости работает следующим образом.
По проводам 7 (фиг.1) на контактные площадки печатной платы 2 и контактные площадки 5 подложки 3 и далее на терморезистор 4 подается постоянное напряжение. Под действием электрического тока происходит саморазогрев терморезистора 4, его сопротивление увеличивается и устанавливается тепловой баланс, при котором температура и сопротивление терморезистора 4 постоянны и определяются теплоотдачей в среду (жидкость или газ над жидкостью), в которую помещен датчик.
При погружении в жидкость или извлечении из нее терморезистора 4 тепловой баланс нарушается, температура терморезистора 4 уменьшается или увеличивается за счет изменения теплоотдачи в среду, сопротивление терморезистора изменяется.
Таким образом, контролируя величину сопротивления терморезистора 4, можно определить момент перехода терморезистором 4 границы «жидкость - газ» и, соответственно, высоту уровня жидкости. Аналогичным образом работает датчик контроля уровня жидкости с двумя идентичными пленочными резисторами (терморезисторами) 4.
Датчик контроля уровня жидкости содержит подложку, на которой выполнены пленочные элементы различной толщины: медные контактные площадки (проводники) имеют толщину 1÷2 мкм, а титановый пленочный резистор - около 0,1 мкм. При воздействии виброударов, направленных перпендикулярно поверхности подложки, под напором жидкости подложка деформируется и усилия передаются на пленочный резистор и контактные площадки подложки, что приводит к возникновению микротрещин, которые нарушают целостность пленочных элементов и уменьшают сцепление проводника и пленочного резистора (терморезистора).
В результате выполнения каждой границы раздела между пленочным резистором (терморезистором) и контактными площадками (проводниками) в виде ломаных линий, состоящих из прямых отрезков (фиг.3), а не в виде короткого отрезка прямой линии, как в прототипе (фиг.2), длина границ раздела увеличивается в 4÷5 раз и, соответственно, увеличивается поверхность сцепления пленочного резистора с проводниками и повышается механическая прочность конструкции.
В процессе изготовления устройства тонкая титановая пленка толщиной около 0,1 мкм наносится на тонкую подложку толщиной 20-100 мкм, на поверхности которой существуют микродефекты, которые оказывают влияние на поверхность напыленного титанового слоя и приводят к браку при изготовлении. Увеличение границ раздела между терморезистором и проводниками позволяет снизить влияние дефектов подложки на целостность напыленных слоев и повысить выход годных.
Таким образом, предложенная конструкция устройства (с одним или двумя идентичными терморезисторами) обеспечивает достижение поставленной цели, а именно:
- повышение механической прочности конструкции за счет обеспечения целостности соединения пленочного резистора (терморезистора) с контактными площадками подложки (проводниками);
- увеличение выхода годных при изготовлении устройств.