ЕМКОСТНОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ АБСОЛЮТНОГО ДАВЛЕНИЯ
CAPACITIVE TRANSDUCER OF ABSOLUTE PRESSURE

Предлагаемое техническое решение относится к области измерительной техники, в частности к преобразователям абсолютных давлений, и может быть использовано в разработке и изготовлении малогабаритных полупроводниковых преобразователей абсолютного давления.
Известен преобразователь давления, содержащий подложку, чувствительную к давлению мембрану и вспомогательный слой, размещенный между подложкой и мембраной, и преобразовательный элемент для преобразования перемещения мембраны в электрический сигнал. Вспомогательный слой имеет отверстие, которое герметично размещено между подложкой и мембраной так, что существует герметизированная внутренняя полость, используемая как встроенная камера опорного давления. Предпочтительно мембрана включает перфорированный внутренний слой, простирающийся по полости и защитному слою, сформированному на внутреннем слое, чтобы герметизировать полость [1].
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является емкостной преобразователь абсолютного давления, содержащий подложку с размещенным на ней электродом, первую и вторую части, соединенные электродом, и изолирующий слой, расположенный над электродом только на первой части. Кроме того, преобразователь содержит мембранную сборку, находящуюся на подложке и включающую в себя рамку и перегородку, определяющую первый участок, напротив которого размещена мембрана, и второй открытый участок, причем первый и второй участки на подложке расположены таким образом, что первая часть подложки выровнена с первым участком и мембраной так, что мембрана, подложка, перегородка и соответствующая рамка, определяющая первый участок, формируют вакуумную камеру, а вторая часть подложки выровнена со вторым открытым участком, чтобы облегчить доступ к электроду. Кроме того, перегородка разграничивает первый и второй участки и контактирует с изолирующим слоем на электроде в первой части, причем изолирующий слой и электрод выполнены с предварительно заданной толщиной, а изолирующий слой деформирован вокруг электрода для герметизации и поддержания вакуумного состояния в вакуумной камере [2].
Общими недостатками аналога и прототипа являются низкая надежность преобразователя, низкая стабильность параметров, низкая чувствительность из-за низкой временной стабильности степени вакуума в вакуумной камере, вследствие малого значения ее объема и наличия герметизации, включающей несколько слоев с разными физико-химическими свойствами, когда герметизация и вакуумное состояние поддерживаются за счет соединения, представляющего собой систему из подложки, рамки, перегородки, изолирующего слоя и электрода, то есть материалов, имеющих различные степень взаимоадгезии и коэффициент термического расширения, что вызывает низкую степень сцепления подложки и мембранной сборки. Поэтому в процессе эксплуатации в рабочем диапазоне температур наблюдается временная нестабильность соединения, приводящая к низкой надежности преобразователя, низкой стабильности параметров, низкой чувствительности из-за влияния внешней воздушной среды, проникающей в вакуумную камеру и воздействующей на мембрану со стороны, обратной измеряемому давлению, что привносит дополнительную погрешность, снижает временную стабильность параметров и чувствительность.
Изобретение направлено на повышение надежности преобразователя, повышение стабильности параметров, повышение чувствительности.
Согласно изобретению в емкостном преобразователе давления, содержащем подложку с размещенными на ней контактной площадкой и обкладками конденсатора, состоящими из электрода и изолирующего слоя, а также мембранную сборку и вакуумную камеру, изолирующий слой расположен под электродом, а мембранная сборка состоит из двух соединенных кремниевых мембран с нанесенными на них обкладками конденсатора и стеклянными шайбами, причем мембраны соединены друг с другом и выровнены, а стеклянные шайбы выполнены с отверстиями и соединены с мембранами со стороны, противоположной обкладкам конденсатора, а вакуумная камера образована герметичным соединением мембранной сборки с металлическим корпусом, причем электроды выведены наружу металлического корпуса с помощью контактных площадок, микропроводов и гермопереходников, когда микропровода с одной стороны прикреплены к контактным площадкам, а с другой стороны прикреплены к гермопереходникам, герметично соединенным с металлической шайбой, которая приварена к металлическому корпусу, а объем вакуумной камеры в несколько раз превышает объем мембранной сборки.
Введение предложенной конструкции, включающей наличие металлического корпуса, герметично соединенного с мембранной сборкой, причем электроды выведены наружу металлического корпуса с помощью контактных площадок, микропроводов и гермопереходников, когда микропровода с одной стороны приварены к контактным площадкам, а с другой стороны приварены к гермопереходникам, герметично соединенным с металлической шайбой, которая приварена к металлическому корпусу, позволяет повысить временную стабильность степени вакуума в вакуумной камере за счет исключения многослойного соединения, состоящего из нескольких слоев с разными физико-химическими свойствами и приводящего к временной нестабильности соединения.
В предложенной конструкции герметизация и вакуумное состояние обеспечены герметичным соединением мембранной сборки с металлическим корпусом и гермопереходниками, соединенными с металлической шайбой, которая приварена к металлическому корпусу. То есть в случае герметичного соединения мембранной сборки с металлическим корпусом и гермопереходников, герметично соединенных с металлической шайбой, когда контакт происходит между двумя сходными материалами и не содержит промежуточных слоев с разными физико-механическими свойствами, это является достаточно отработанной и управляемой технологией, обеспечивающей стабильное, герметичное соединение [4, 5], что повышает надежность преобразователя, стабильность параметров и чувствительность. А в случае герметичного соединения металлической шайбы с металлическим корпусом контакт обеспечивается между двумя однородными материалами, приваренными друг другу, что также обеспечивает стабильное, герметичное соединение [6, 7].
Кроме того, объем вакуумной камеры в [2] имеет малое значение, ограниченное размерами подложки и мембранной сборки, что также приводит к низкой временной стабильности степени вакуума в вакуумной камере. В соответствии с [3] время уменьшения герметичности, выраженное в уменьшении степени вакуума до некоторого порогового значения, равно:
,
где ΔP - изменение давления внутри вакуумной камеры, Па;
V - объем вакуумной камеры, л;
Q - степень негерметичности, л·мм рт.ст./с.
Из формулы видно, что чем больше объем вакуумной камеры, тем больше времени потребуется на уменьшение давления внутри камеры (то есть на увеличение объема воздушной среды, приникающей в камеру) до некоторого критического значения, после достижения которого эксплуатация преобразователя будет недопустимой из-за снижения его технических характеристик.
В предложенной конструкции объем вакуумной камеры, образованной герметичным соединением мембранной сборки с металлическим корпусом, в несколько раз превышает объем мембранной сборки, что согласно [3] положительно отражается на временной стабильности герметичного соединения.
Предлагаемое устройство поясняется чертежом.
На чертеже изображен преобразователь, содержащий подложку (1) с размещенными на ней контактной площадкой (4) и обкладками конденсатора, состоящими из электрода (2) и изолирующего слоя (3), а также мембранную сборку (5) и вакуумную камеру (6). Изолирующий слой расположен под электродом, а мембранная сборка состоит из двух соединенных кремниевых мембран (7) с нанесенными на них обкладками конденсатора и стеклянными шайбами (8). Мембраны соединены друг с другом и выровнены, чтобы облегчить доступ к контактным площадкам, а стеклянные шайбы соединены с мембранами со стороны, противоположной обкладкам конденсатора, и имеют отверстия (9) для обеспечения воздействия давления на мембраны. Вакуумная камера образована герметичным соединением мембранной сборки с металлическим корпусом (10) на границе соединения (15). Электроды выведены наружу металлического корпуса с помощью контактных площадок, микропроводов (11) и гермопереходников (12), когда микропровода с одной стороны приварены к контактным площадкам, а с другой стороны приварены к гермопереходникам, герметично соединенным с металлической шайбой (13) на границе соединения (17). Металлическая шайба приварена к металлическому корпусу по границе соединения (16), а объем вакуумной камеры в несколько раз превышает объем мембранной сборки (14). Принцип работы преобразователя заключается в следующем. Измеряемое давление, воздействуя на мембраны через отверстия в стеклянных шайбах, изменяет значении емкости, образованной мембранами. Наличие конструкции, при которой герметизация и вакуумное состояние обеспечены герметичным соединением мембранной сборки с металлическим корпусом и гермопереходниками, соединенными с металлической шайбой, которая приварена к металлическому корпусу, позволяет повысить надежность преобразователя, стабильность параметров и чувствительность за счет долговременного поддержания высокой степени вакуума в вакуумной камере. А объем вакуумной камеры, образованной герметичным соединением мембранной сборки с металлическим корпусом, в несколько раз превышает объем мембранной сборки, что также положительно отражается на временной стабильности герметичного соединения.
Технико-экономическими преимуществами предлагаемого преобразователя по сравнению с известными являются:
повышение надежности преобразователя;
повышение стабильности параметров;
повышение чувствительности.
Источники информации
1. Патент США №4,838,088, 1989.
2. Патент США №5,528,452, 1996.
3. Ланис В.А., Левина Л.Е. Техника вакуумных испытаний. М.-Л., 1963.
4. Любимов М.Л. Спаи металла со стеклом. М.: Энергия, 1968. 280 с.
5. Спаи стекла с металлом. Под ред. Р.А.Шелиндера. М.: Сов. радио, 1951. 312 с.
6. В.Н.Волченко. Справочник «Сварка и свариваемые материалы». - 1991.
7. Г.А.Николаев, В.А.Винокуров. Сварные конструкции. Расчет и проектирование. - 1990.