ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ
PRESSURE TRANSDUCER

Область техники
Изобретение относится к измерительной технике, в частности к преобразователям давления, и может быть использовано в различных областях науки и техники, связанных с измерением перепада давления среды.
Уровень техники
Объектами эксплуатации дифференциального датчика могут быть трубопроводы для подвода и отвода жидкостей для систем и агрегатов судов, например для охлаждающих контуров двигателей разного типа. В трубопроводах при работе насосов и исполнительных механизмов могут возникнуть скачки давления. При этом измеряемые давления меняются от нескольких кПа до МПа. Применяющиеся интегральные преобразователи давления для дифференциальных датчиков имеют достаточно тонкую, не более 50 мкм, мембрану и могут быть разрушены скачками давления, доходящими до единиц МПа.
Наиболее близким техническим решением является структура двойного ограничителя для преобразователя давления (Патент США 6,588,281 «Double stop structure for a pressure transducer), МПК G01L 9/16, дата публикации 8.07.2003). В данном изобретении полупроводниковый датчик для измерения перепада давления через мембрану датчика и действующий при наличии избыточной однонаправленной силы, приложенной к датчику в любом направлении, для ограничения диафрагмы от дальнейшего прогиба во время действия избыточной силы, стремящейся к разрушению диафрагмы, включает плоскую полупроводниковую мембрану, пьезорезистивные сенсоры, первый и второй стопорные элементы. Мембрана включает центральную активную область, на верхней стороне окруженную канавкой заданной ширины и глубины, которая образует центральный выступ на верхней стороне. Центральная область внутри канавки способна прогибаться. Также мембрана содержит периферийную неактивную область, окруженную указанной канавкой, и относительно гладкую нижнюю поверхность.
Пьезорезистивные сенсоры сформированы на нижней стороне мембраны и в областях на нижней поверхности соответствуют канавке на противоположных сторонах центрального выступа верхней стороны мембраны.
Первый стопорный элемент, прикрепленный к мембране в переферийной области на верхнюю поверхность, включает первое и второе щелевые отверстия, связанные с активной областью, проходящие в основном вдоль длины активной области и соответствующие областям в противоположных сторонах относительно центрального выступа
Также первый стопорный элемент содержит стопорное углубление, расположенное между первым и вторым щелевыми отверстиями, лежащее над центральным выступом. Стопорное углубление отделено от центрального выступа для того, чтобы мембрана могла прогибаться под действием силы и чтобы центральный выступ мог упираться в поверхность стопорного углубления при приложении избыточной силы. Первое и второе щелевые отверстия позволяют прикладывать другую силу к активной области мембраны в противоположном к стопорному направлению.
Второй стопорный элемент, прикрепленный к мембране на нижней поверхности, включает первое и второе щелевые отверстия, связанные с активной областью, проходящие в основном вдоль длины активной области и соответствующие областям в противоположных сторонах относительно центрального выступа.
Также первый стопорный элемент содержит стопорное углубление, расположенное между первым и вторым щелевыми отверстиями, лежащее над центральным выступом на верхней стороне. Стопорное углубление отделено от нижней поверхности активной области для того, чтобы мембрана могла прогибаться под действием силы и нижняя поверхность могла упираться в поверхность стопорного углубления при приложении избыточной силы. Первое и второе щелевые отверстия позволяют прикладывать другую силу к активной области мембраны в противоположном к стопорному направлению.
Недостатком данного решения является возможность разрушения мембраны при значительных перегрузках (более чем в 20 раз от верхнего предела измерения). При перегрузках центральный выступ мембраны упирается в поверхность стопорного углубления первого стопорного элемента или нижней поверхностью в поверхность стопорного углубления второго стопорного элемента. Но при дальнейшем увеличении давления мембрана испытывает большие перегрузки в местах расположения ямки, окружающей центральный выступ, и упругих деформаций, происходят пластичные, сдвиговые деформации и затем разрушение мембраны.
Раскрытие изобретения
Задачей предлагаемого технического решения является обеспечение надежности и работоспособности высокоточного дифференциального датчика давления во время и после кратковременных многократных перегрузок за счет использования микромеханических ограничителей хода мембраны, а также обеспечение возможности измерения величин перегрузки.
Поставленная задача решается тем, что полупроводниковый датчик перепада давления содержит полупроводниковую мембрану, состоящую из центральной активной области на верхней стороне мембраны, окруженной канавкой, образующей центральный выступ и периферийную неактивную область вокруг канавки. Также датчик содержит тензометрический датчик в виде мостовой схемы из тензорезисторов, расположенных на обратной стороне мембраны в областях, соответствующих расположению канавки в противоположных сторонах от центрального выступа, первый стопорный элемент, прикрепленный к мембране в периферийной области на верхнюю сторону, и второй стопорный элемент, прикрепленный к мембране в периферийной области на обратную сторону. Первый стопорный элемент из кремния содержит стопорный выступ в области напротив канавки полупроводниковой мембраны и располагается с зазором относительно дна канавки мембраны, а также стопорное углубление напротив центрального выступа полупроводниковой мембраны, расположенное с зазором от центрального выступа мембраны. Также первый стопорный элемент имеет центральное сквозное отверстие и закреплен плоской стороной на стеклянной подложке из материала с одинаковым с кремнием коэффициентом теплового расширения и имеющей центральное сквозное отверстие, совпадающее с отверстием первого стопорного элемента. Второй стопорный элемент из кремния содержит центральный стопорный выступ, окруженный первой канавкой и расположенный с зазором относительно обратной стороны полупроводниковой мембраны в области напротив центрального выступа полупроводниковой мембраны, а также стопорный выступ, окруженный второй канавкой, расположенный с зазором относительно обратной стороны полупроводниковой мембраны в области напротив канавки полупроводниковой мембраны.
Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображена конструкция датчика дифференциального давления со стопорными элементами и стеклянной подложной.
Осуществление изобретения
Полупроводниковый датчик дифференциального (фиг. 1.) давления состоит из кремниевой мембраны 1 с центральным выступом 2, окруженным канавкой, полученной анизотропным травлением. Канавка и жесткий центр образуют активную область мембраны, способную прогибаться под действием приложенного давления. Периферийная область вокруг канавки образует неактивную область мембраны. На плоской поверхности мембраны в областях расположения канавки сформированы тензорезисторы, объединенные в тензорезистивный измерительный мост и меняющие свое сопротивления в зависимости от приложенного давления.
К мембране в периферийно неактивной области с двух сторон крепятся два стопорных элемента 3 и 4.
Со стороны центрального выступа 2 к мембране крепится первый стопорный элемент 4, соответствующий по размеру кремниевой мембране. Стопорный элемент обладает конгруэнтной поверхностью и профилем, соответствующими профилю центрального выступа и канавки кремниевой мембраны.
Таким образом, первый стопорный элемент содержит стопорный выступ 7 и углубление под центральным выступом 2 кремниевой мембраны, расположенные с зазором относительно поверхности мембраны, предназначенный для рабочего хода мембраны. Причем зазор между выступом 7 и канавкой мембраны меньше, чем зазор между выступом 2 и углублением стопорного элемента из-за меньшего прогиба периферийной части активной части мембраны, чем ее центральной части. Для подвода давления к мембране первый стопорный элемент содержит центральное сквозное отверстие 6, по размеру меньшее, чем центральный выступ 2.
Плоской стороной стопорный элемент 4 крепится на стеклянную подложку 5 для сопряжения с металлическими конструктивными элементами датчика давления. В подложке сделано центральное сквозное отверстие 6 для подвода давления.
Второй стопорный элемент крепится с планарной стороны кремниевой мембраны в неактивной области. Он содержит центральный выступ 8 со сквозным отверстием 9 для подачи давления на планарную сторону мембраны. Также как и первый стопорный элемент, второй стопорный элемент содержит выступ 7, расположенный напротив канавки кремниевой мембраны. Центральный выступ 8 и выступ 7 расположены с зазором относительно планарной поверхности мембраны, причем зазоры между выступом 7 и 8 и планарной частью мембраны меньше, чем зазор между центральным выступом 8 и центральным выступом 2, что позволяет прогибаться мембране.
При подаче давления мембрана датчика отклоняется в ту или иную сторону в зависимости от того, с какой стороны на мембрану действует избыточное давление. При деформации мембраны, пропорционально значению избыточного давления, меняются сопротивления тензорезисторов 10, которые формируют измерительный мост. При подаче на него питающего напряжения с него снимается выходной сигнал.
При перегрузочных давлениях, отклоняясь в ту или иную сторону, мембрана ложится на центральные выступы 8 упорных элементов 3 или 4 и прекращает свой прогиб.
Тем самым изгибные напряжения мембраны не выходят за рамки, при которых происходит разрушение мембраны.
После прекращения воздействия перегрузки датчик дифференциального давления продолжает работать в основном режиме.
В результате предложенная конструкция датчика дифференциального давления, при возникновении и развитии процесса перегрузки, позволяет сохранить измерительную мембрану от разрушения при многократных перегрузках (примерно в 200-500 раз от верхнего предела измерения давления).