ТЕНЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ

Полезная модель относится к областям измерительной техники, полупроводниковых приборов, конструирования, а также - материаловедения и может быть использована в качестве датчика давления, устойчивого к широкому перечню вредных внешних воздействий.
Известно изобретение «Тензорезистор на основе сульфида самария» (патент №2564698 по МПК G01B 7/00 от 28.02.2014 г.) содержащий тонкопленочный тензорезистор, сформированный на металлической мембране.
Наиболее близким по технической сути к заявляемой полезной модели является «Датчик избыточного давления» (патент на ПМ №87522 по МПК G01L 9/04 от 19.06.2009 г.), содержащий цельнометаллический сварной корпус, внутри которого установлен тензомодуль давления (ТМД), включающий упругодеформируемую мембрану и тонкопленочный чувствительный элемент давления (ТЧЭД) из тонкопленочных тензорезисторов, связанных микропроводами с выходящими наружу из корпуса сигнальными выводами, при этом ТЧЭД расположен на внешней поверхности мембраны.
Известные устройства не обеспечивают устойчивую работу по широкому перечню внешних вредных воздействий, например, не обеспечивают устойчивую работу в диапазоне изменяющихся температур от -200 градусов до +350 градусов Цельсия (не выдерживают мембраны, изготовленные из стали, титана и их сплавов), что востребовано сегодня в атомной, химической, металлургической, военной и других областях.
Техническим результатом и целью настоящей полезной модели является расширение функциональных возможностей и повышение эксплуатационных характеристик прототипа - обеспечение ее устойчивой работы при широком перечне внешних вредных воздействий, в том числе при изменяющихся температурах воздействующей среды от -200 до +350 градусов Цельсия путем применения, главным образом, мембраны из лейкосапфира и высокоэффективной термокомпенсации с использованием платинового терморезистора.
Указанные технический результат и цель достигаются тем, что тензопреобразователь давления, содержащий цельнометаллический сварной корпус, внутри которого установлен тензомодуль давления (ТМД), включающий упругодеформируемую мембрану и тонкопленочный чувствительный элемент давления (ТЧЭД) из тонкопленочных тензорезисторов, связанных микропроводами с выходящими наружу из корпуса сигнальными выводами, при этом ТЧЭД расположен на внешней поверхности мембраны, также - тем, что корпус представляет собой в сваренном состоянии двухкамерную конструкцию из камеры эталонного давления, охватывающей внешнюю часть мембраны со стороны ТЧЭД, и входной камеры тензопреобразователя, образованной внутренней полостью мембраны и связанной с ней входной полостью корпуса, при этом мембрана изготовлена из лейкосапфира, а на ее внешней поверхности в недеформируемой зоне в едином тонкопленочном вакуумном технологическом цикле с тензорезисторами сформирован платиновый терморезистор с выходящими наружу из корпуса сигнальными выводами для термокомпенсации, причем лейкосапфировая мембрана герметично прикреплена к внутренним выступам корпуса с помощью алюмофосфатного клея или свинцового металлостеклянного спая.
На фиг. 1 представлен эскиз возможной реализации заявленного устройства, на котором показаны тезорезисторы 1, металлические контактные площадки 2, диэлектрик 3, мембрана 4 из лейкосапфира, сигнальные выводы 5, металлокерамические переходы 6, сварной шов 7, корпус 8, клей (или спай) 9, обечайка 10, камера 11 эталонного давления, терморезистор 12 и микропровод 13.
Для пояснения также показаны внутренняя 14 и внешняя 15 поверхности мембраны, выводы 16 терморезистора и направление Ρ давления контролируемой среды.
Все используемые материалы и элементы широко применяются в промышленности РФ. Корпус 8 и обечайка 10 - из стали или титана. Клей 9 - алюмофосфатный или свинцовый металлостеклянный спай.
Тензопреобразователь давления, содержащий цельнометаллический сварной корпус 8, внутри которого установлен тензомодуль давления (ТМД), включающий упругодеформируемую мембрану 4 и тонкопленочный чувствительный элемент давления (ТЧЭД) из тонкопленочных тензорезисторов 1, связанных микропроводами с выходящими наружу из корпуса сигнальными выводами 5, при этом ТЧЭД расположен на внешней 15 поверхности мембраны 4, корпус 8 представляет собой в сваренном состоянии двухкамерную конструкцию из камеры эталонного давления, охватывающей внешнюю часть мембраны 4 со стороны ТЧЭД, и входной камеры тензопреобразователя, образованной внутренней полостью мембраны 4 и связанной с ней входной полостью корпуса 8, при этом мембрана 4 изготовлена из лейкосапфира, а на ее внешней поверхности в недеформируемой зоне в едином тонкопленочном вакуумном технологическом цикле с тензорезисторами 1 сформирован платиновый терморезистор 12 с выходящими наружу из корпуса 8 сигнальными выводами 16 для термокомпенсации, причем лейкосапфировая мембрана 4 герметично прикреплена к внутренним выступам корпуса 8 с помощью алюмофосфатного клея 9 или свинцового металлостеклянного спая.
Устройство работает следующим образом.
2
3
Пусть тензопреобразователь герметично подключен к магистрали рабочей среды, создающей давление Ρ (см. фиг. 1). Принцип действия устройства основан на преобразовании неэлектрического входного давления в выходной электрический сигнал на выводах 5 с использованием тензорезистивного эффекта (изменения электрического сопротивления), возникающего в, изменяющих свое электрическое сопротивление. ТЧЭД при деформации мембраны 4 под действием давления рабочей среды. Деформация мембраны 4, в свою очередь, передается на тензорезисторы 1, изменяющих свое электрическое сопротивление. Стабильность работы устройства при широком перечне вредных внешних воздействий (колебание температуры, агрессивные среды, радиация и др.) обеспечивается герметичной двухкамерной конструкцией, состоящей из входной камеры корпуса 8 и камеры 11 эталонного давления. Там фиксируется постоянное давление после герметичного и прочного закрепления мембраны 4 на внутренних выступах корпуса 8 с помощью алюмофосфатного клея 9 или свинцового металллостеклянного спая, а также - сварки обечайки 10 и корпуса 8. Но главным элементом при этом является материал мембраны 4 - лейкосапфир (монокристалл AlO), обладающий очень высокой стойкостью к различным вредным воздействиям, в т.ч. к изменениям температуры в диапазоне от -200 до +350 градусов Цельсия. Кроме того, качественную термокомпенсацию обеспечивает платиновый терморезистор 12, сигналы которого через выводы 16 также как и сигналы через сигнальные выводы 5 от ТЧЭД через металлические контактные площадки 2 поступают через металлокерамические переходы 6 для обработки в микропроцессор, который в устройство не входит.