МЕМБРАННЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ
DIAPHRAGM PRESSURE SENSOR

Изобретение относится к области мембранных датчиков давления, а именно к мембранным датчикам давления для измерения давления жидкостей и газов, в частности, в скважинах.
Известны датчики давления, основанные на измерении степени деформации упругой мембраны, вызванной разностью давления в средах с разных ее сторон. Среды с разных сторон мембраны могут быть одинаковыми или разными (газы, жидкости, взвеси, аэрозоли, эмульсии, суспензии и разные их сочетания). Средства измерения степени деформации мембраны, то есть величины, по которой расчетным, опытным или иным методом определяют измеряемое давление, могут быть разными: тензодатчики (например, ЕР 2023113), емкостные датчики (например, JP 2011237448), оптические датчики (например, ЕР 1026439) и другие.
Известны варианты описанных выше датчиков давления, в которых:
- для расширения диапазонов измерений мембрана выполнена неоднородной по толщине, например с концентрической двусторонней канавкой (ЕР 0212942);
для предотвращения разрушения мембраны выполнены ограничители ее деформации (US 5307684, US 8117920).
Недостатком данного устройства является относительно высокая погрешность измерения давления, так как не учитывается изменение показаний давления при изменении температуры контролируемой среды.
Для уменьшения влияния изменений температуры на результаты измерения давления вводят компенсирующий элемент в виде, например, датчика той же конструкции, что и датчик давления, но с тем отличием, что давление с обеих сторон мембраны в нем одинаково: например, камеры с двух сторон мембраны сообщаются между собой или изолированы от действия давления измеряемой среды (RU №2287792) так, чтобы показания могли изменяться только из-за изменения температуры, т.е. датчик стал специализированным датчиком температуры, который может быть, например, использован как плечо в мостовой схеме измерения, где вторым плечом является датчик давления по мостовой схеме. Степень деформации мембраны в данном аналоге измеряют с помощью формирования резонатора Фабри-Перо из отражающих поверхностей мембраны и торца световода, и, конечно, подобный прием учета влияния температуры может быть осуществлен при изготовлении датчиков, измерение деформации мембраны которых производят другими методами (емкостным, тензометрическим и др.)
Недостатком варианта, при котором влияние температуры учитывается с использованием второго датчика похожей конструкции (но без контакта со средой, давление которой измеряют) является сложность датчика давления, включающего и датчик температуры, а также то, что показания последнего зависят не только от температуры, но и от индивидуальных свойств использованной мембраны, и то, что температура собственно датчика давления может отличаться от температуры вспомогательного датчика.
Известен также датчик давления, содержащий мембрану, разделяющую две камеры, в одной из которых среда под заданным или известным, опорным, давлением, а вторая сообщается со средой, давление которой измеряют, у которого датчик температуры, аналогичный по конструкции датчику давления, совмещен в одном корпусе с собственно датчиком давления - для обеспечения равенства температур, то есть для повышения точности и для упрощения конструкции(RU 2509994, ЕР №1026439 А2).
Недостатком его является также неточность измерений, связанная с трудностями формирования двух одинаковых резонаторов, в каждом из которых одной из отражающих поверхностей является торец световода, а также сложность обеспечения одинаковых свойств мембраны в разных ее областях.
Для всех приведенных выше аналогов предлагаемого датчика давления с металлическими мембранами, зажатыми по периферии между частями корпуса, присущи также следующие недостатки:
- разброс геометрических (толщина, форма и колебания толщины по площади) и физических параметров мембран от образца к образцу и в пределах одной мембраны;
деформационный гистерезис мембран, приводящий к нестабильности показаний и к недостаточной воспроизводимости показаний;
- накопление от измерения к измерению изменений в узле герметизации за счет пластической деформации мембраны и ее микросдвигов относительно сжимающих ее поверхностей, что приводит к изменению формы и размеров рабочей, экспонируемой измеряемой среде, части мембраны, и, как следствие, к нестабильности показаний;
- низкая стойкость к химическому воздействию внешней среды;
- неоднозначная зависимость показаний от температуры.
Задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является повышение точности измерения давления газа или других текучих сред, обеспечение стабильности критических параметров датчика (чувствительность, предельные характеристики, температурные зависимости характеристик), обеспечение стабильности показаний и воспроизводимости измерений, обеспечение низкого разброса характеристик датчиков одного типа и номинала, повышение стойкости к внешним воздействиям и срока службы, а также упрощение конструкции датчика и технологии его изготовления, в том числе для разных диапазонов давлений.
Данная задача решается тем, что датчик содержит камеру опорного давления (опорную камеру), в которой любым удобным для целей измерения способом поддерживается известное давление (либо вакуум, либо газ или иная текучая, однофазная или многофазная, среда) и которая отделена от среды, давление которой измеряют мембраной, изготовленной из монокристаллического кремния и прижатой по периметру мембраны посадочной областью к посадочному месту корпуса камеры с образованием герметичного соединения. Посадочное место, контактирующее с периферийной частью мембраны, содержат поверхностный буферный слой толщиной от 0,7 до 2,5 мкм из поликристаллического кремния (далее - поликремния) или из композита (твердого раствора, керамики и т.п.) на основе металла, из которого выполнены прилегающие к мембране части корпуса, с содержанием кремния не менее 15 ат. %. Такой же слой может быть нанесен на поверхность мембраны, на всю или на ту ее часть, которая контактирует с посадочным местом. Прижатие периферийной части (посадочной области) мембраны к посадочному месту камеры опорного давления может быть осуществлено любым известным способом, например средством прижима могут быть конструкции по типу накидной гайки, причем такой конструкцией может являться камера, соединенная со средой, давление которой измеряют. Датчик содержит также средства измерения в составе датчика степени деформации мембраны под действием измеряемого давления, датчика температуры мембраны и измерительного блока, позволяющего по показаниям датчиков деформации и температуры мембраны определять измеряемое давление.
При прижатии мембраны периферийной частью к посадочному месту камеры, содержащему контактирующий с мембраной слой из поликремния или из композита на основе материала камеры с включениями поликремния, в слое поликремния или композита с поликремнием, а также в приповерхностном слое кремниевой мембраны образуются микротрещины и микрочастицы, имеющие выходящие на их вновь образованные поверхности химически очень активных связей. Благодаря этому, даже при комнатной температуре происходит окисление выходящего на поверхность кремния кислородом воздуха, приводящее к увеличению объема слоя (при окислении объем кремния возрастает примерно вдвое), что приводит к локальному расширению материалов и дополнительному уплотнению вакуумного соединения мембраны с корпусом. При наличии локальных неплотностей, проникающий через них кислород способствует окислению поликремния и, следовательно, к заживлению течи за счет возрастания объема («набухание»). В результате между кремниевой мембраной и посадочным местом камеры возникает соединение, то есть контакт более прочный, чем при простом прижатии без подобных слоев. Значительно повышается также эффективный коэффициент трения, сцепление, между мембраной и контактной поверхностью камеры (термин «эффективный» использован тут, так как кроме собственно трения между поверхностями мембраны и посадочного места камеры будут действовать химические связи, локальные спайки), что обеспечивает надежное исключение выскальзывания мембраны из узла сжатия и, соответственно, сохранение геометрических и физических характеристик датчика давления.
Создание поверхностного композитного слоя с высоким содержанием кремния или только из поликремния не составляет проблемы, так как технологии внедрения кремния или нанесения поликремния на металлы с обеспечением надежной адгезии хорошо проработаны.
В варианте исполнения мембрана выполнена круглой с центрально симметричным радиальным профилем. Например:
- в виде либо одной концентрической канавки, либо нескольких концентрических канавок,
- в виде меняющейся по заданному закону толщины;
- в виде изогнутой по заданному закону формой (сфера, парабола, sin и т.п.);
- другой формы.
Поверхность мембраны, обращенная к среде, давление которой измеряют, может иметь вспомогательное однослойное или многослойное покрытие (от химического воздействия или иного воздействия, отражающего и т.п.), выбранное, например, в зависимости от характера возможного химического воздействия этой среды на мембрану. Вторая поверхность мембраны также может иметь вспомогательное однослойное или многослойное покрытие (защитное, отражающее, изолирующее и т.п.).
Диаметр мембраны, ее толщину и радиальный профиль выбирают и рассчитывают по известным правилам, принимая во внимание диапазон измеряемых давлений и требуемые чувствительность и размеры датчика или же подбирают опытным путем.
В вариантах изобретения мембрана может быть выполнена круглой в плане с плоской и одинаковой толщины посадочной областью по периферии и с экспонируемой областью:
- в виде плоской кремниевой пластины однородной по толщине;
- с заданной формой в поперечном сечении и с заданным распределением по толщине;
- с одной или несколькими концентрическими канавками одинаковой или отличающейся формы и размеров с одной или с обеих сторон мембраны;
- с областями в виде меандра или синусоиды в поперечном сечении.
Средство, предохраняющее мембрану от чрезмерной деформации, может быть выполнено любой известной конструкции - все они основаны на использовании механических ограничителей.
Преимущество изготовления датчиков с мембранами из монокристаллического кремния, а не из металлов, связаны с тем, что технология получения пластин из монокристаллического кремния обеспечивает:
- высокую однородность их структуры и физических свойств,
- высокую и надежную воспроизводимость физических свойств при изготовлении мембран,
- высокую точность воспроизводства геометрических параметров мембраны,
- надежно воспроизводимые характеристики поверхности кремния, а также высокую чистоту поверхности, отвечающую 14-му классу чистоты обработки (оптическая полировка), недостижимую для металлических мембран и обеспечивающую, кроме прочего, исключение развития дефектов (микротрещин, каверн и пр.), начинающихся на поверхности,
то есть практически полную идентичность изготавливаемых мембран высокого качества, что позволяет изготавливать датчики давления с одинаковыми характеристиками, не требующие, например, градуировки каждого изделия, в том числе датчики для высокоточных измерений или для создания эталонов.
Физические свойства монокристаллического кремния, благодаря всеобъемлющим исследованиям этого материала для нужд микроэлектроники, хорошо изучены, поэтому расчеты чувствительности предлагаемого мембранного датчика давления и зависимости результатов измерения от температуры также надежно и с большой точностью предсказуемы, благодаря чему отпадает необходимость введения узлов компенсации влияния температуры, а достаточно использовать в составе средства измерения любой известный кремниевый датчик температуры в интегральном исполнении, например, на той же монокристаллической мембране, и простейший процессор для пересчета во внешнем блоке регистрации. В варианте изобретения средством измерения степени деформации мембраны содержат один или несколько сформированных на мембране или в ее объеме тензодатчиков. Конструкции интегральных датчиков температуры или деформации (тензодатчиков) известны.
Средством измерения деформации мембраны под действием измеряемого давления могут быть любые известные устройства, используемые с такими целями. С учетом высокой точности и широкого интервала измерений предлагаемого датчика, предпочтительным является датчик степени деформации мембраны на резонаторе Фабри-Перо, образованном оптическим элементом с отполированной полупрозрачной поверхностью, закрепленным над поверхностью мембраны, и полированной поверхностью кремниевой мембраны или нанесенным на ее поверхность отражающим покрытием.
Создание поверхностного композитного слоя с высоким содержанием кремния или только из поликремния не составляет проблемы, так как технологии внедрения кремния или нанесения поликремния на металлы с обеспечением надежной адгезии хорошо проработаны.
На фигурах 1 и 2 приведены схематические (без общеизвестных или очевидных подробностей, например, узлов крепления, электрических проводников и/или световодов средств измерений и т.п.) изображения предлагаемого датчика в разрезе. На фиг. 1 приведен вариант конструкции с плоской мембраной, с герметичной вакуумной или газонаполненной камерой и узлом прижатия с накидной гайкой, а на фиг.2 - с мембраной сложной формы и камерой, соединенной со средой, давление которой измеряют.
Цифрами на чертежах обозначены:
1 - мембрана;
2 - буферный слой (слои) из поликремния;
3 - средство прижима (накидная гайка) мембраны к опорной камере;
4 - корпус опорной камеры;
5 - среда, создающая опорное давление;
6 - датчик температуры в теле (в объеме материала) мембраны;
7 - тензодатчик (тензодатчики) в теле мембраны;
8 - вспомогательный (защитный, отражающий и т.п.) слой;
9 - среда, давление которой измеряют;
10 - зеркальное покрытие - первое зеркало резонатора Фабри-Перо;
11 - световод с полированным торцом - второе зеркало резонатора;
Примером конкретного выполнения датчика давления для измерений в пределах 1,0-400 атм по предлагаемому изобретению может служить датчик, содержащий круглую мембрану из кремния марки ЕТО.035.245ТУ толщиной 650 мкм, диаметром 16 мм с периферийной посадочной областью шириной 3,0 мм и экспонируемой областью диаметром 10 мм. Мембрана покрыта с обеих сторон слоем оксида кремния толщиной 2,0 мкм. Посадочная область покрыта со стороны опорной камеры поверх слоя окисла слоем поликремния толщиной 1,5 мкм. Опорная камера сообщается с внешним объемом, в котором находится газ под опорным давлением. Датчик температуры выполнен в теле мембраны со стороны опорной камеры в виде диода, обратный ток которого зависит от температуры. Средством измерения степени деформации служит сформированный в теле мембраны микроэлектромеханический (МЭМС) тензодатчик. Посадочное место латунного корпуса опорной камеры покрыто слоем поликремния толщиной 2,0 мкм, выполненное по технологии газофазного осаждения в кварцевом реакторе диффузионной печи пониженного давления. Прижатие мембраны к кольцевому посадочному месту опорной камеры осуществляется накидной гайкой через медную шайбу.
Другим примером выполнения датчика может служить датчик для измерения давления в пределах 1,0-20 атм, отличающийся от приведенного в предыдущем примере наличием на мембране с противоположных ее сторон кольцевых канавок глубиной 0,15 мм, шириной 1,0 мм и с одинаковым диаметрами по осям 3,8 мм.
Примером выполнения датчика для измерения давления в пределах 0,1-5,0 атм служит датчик с кремниевой мембраной толщиной 0,5 мм, имеющей в осевом сечении вид меандра с амплитудой 0,5 мм и периодом 1,0 мм и с плоским участком диаметром 1,0 мм в центре, покрытым золотым отражающим слоем толщиной 0,3 мкм для образования одного из двух зеркал резонатора Фабри-Перо, служащего средством измерения деформации мембраны. Вторым, полупрозрачным зеркалом резонатора служат отполированные торцы световодов, неподвижно закрепленных над первым зеркалом. Канавки меандра выполнены ионным травлением. Опорная камера выполнена с возможностью создания в ней нужное давление и герметизировать ее. Интегральный кремниевый датчик температуры выполнен в теле мембраны со стороны опорной камеры и включает в себя термочувствительный элемент - первичный преобразователь температуры и схему обработки сигнала, выполненные также в объеме мембраны. Интегрально исполненный термодатчик не нуждается во внешних компараторах (как термопары) или в АЦП.
Предлагаемый датчик обеспечивает надежное и воспроизводимое измерение давления текучих сред с высокой точностью, а также обеспечивает идентичность характеристик датчиков одного номинала.