ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК G01L9/04 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при конструировании в изготовлении датчиков давления, работоспособных в условиях воздействия агрессивных сред и нестационарных температур измеренной среды.

Известен датчик давления, содержащий мембрану, на одной стороне которой размещена тензочувствительная схема в виде тензорезистивного моста с контактными площадками, покрытыми слоем диэлектрика и двумя слоями металлических пленок [1].

К недостаткам указанного устройства следует отнести малую точность измерения в условиях воздействия нестационарных температур из-за того, что скачки температур воздействуют сначала на тензорезисторы, а затем только происходит "растекание" теплового потока по нанесенным пленкам. При это фиксируются эти скачки в виде изменения сопротивления тензорезисторов. Кроме того, так как материал упругого элемента непосредственно контактирует с измерительной средой, то для отдельных агрессивных сред, применяемых в ракетно-космической технике, он может не обеспечивать требуемую стойкость.

Известен также датчик давления, принятый за прототип, содержащий вакуумированный корпус и упругий элемент в виде металлической жесткозащемленной мембраны, покрытой двухслойным диэлектриком, на котором сформирована тензочувствительная схема [2].

Недостатком указанной конструкции датчика является малая точность измерения из-за наличия неравномерного температурного поля на мембране в зоне установки тензорезисторов из-за разницы тепловых сопротивлений рабочей части и заделки мембраны.

Наиболее близким к изобретению является способ изготовления мембранного узла датчиков, включающий предварительное изготовление корпусных заготовок, снятие материала и последующее соединение мембраны с корпусом [3].

К недостаткам способа можно отнести малую воспроизводимость точностных характеристик датчика в результате технологического разброса толщины напыляемой мембраны, небольшую прочность узла, так как отрывное усилие мембраны определяется адгезией пленки к металлу корпуса, а также сложность изготовления, так как при формировании пленочной мембраны требуются сложное и дорогостоящее вакуумно-напылительное оборудование, оснастки и помещение с контролируемым микроклиматом.

Цель изобретения - повышение точности измерения и повышение воспроизводимости точностных характеристик датчика.

Это достигается тем, что в датчике давления упругий элемент состоит из двух соединенных между собой мембран, при этом внутри мембран образована полость, заполненная теплоизолирующим материалом, причем глубина h_i полости выбирается из соотношения
h_i = K(t_i-t_з) где h_i - глубина полости в i-й точке;
K - конструктивный коэффициент, равный 2,5 ˙ 10^-3 - 0,2 мм/^оС;
t_i - температура в i-й точке мембраны, не содержащей полости;
t_з - температура на поверхности мембраны в месте ее заделки в корпус.

Цель достигается тем, что после изготовления корпусных деталей заполняют теплоизолирующим материалом обе их полости, одновременно соединяют детали и нагревают до t_н, выбираемой из соотношения
t_пл.тим < t_н < (0,6-0,8) ˙ t_пл.м где t_пл.тим - температура плавления теплоизолирующего материала,
t_пл.м - температура плавления материала мембраны.

На фиг.1 изображен общий вид предлагаемого датчика давления; на фиг.2 - вид на теплоизолирующий материал полости электрода в указанном масштабе; на фиг.3 и 4 изображена картина распределения температурного поля по поверхности мембраны в случае отсутствия теплозащитной пленки и ее наличии соответственно; на фиг.5 изображены полости, заполненные теплоизолирующим материалом; на фиг.6 - проиллюстрирована операция нагрева и соединения двух частей упругого элемента между собой; на фиг.7 - проиллюстрирована операция удаления материала мембран; на фиг. 8 - формирование слоев диэлектрика, контактного и резистивного материалов.

Датчик давления состоит из корпуса 1, который может быть вакуумированным, упругого элемента в виде колпачковой мембраны 2 и дополнительной мембраны 3. Мембрана 3 покрыта двухслойным диэлектриком 4, на который нанесена тензочувствительная схема 5, состоящая из тензорезисторов, контактных площадок и проводников. Тензочувствительная схема соединена с помощью гибких выводов 6 с гермовыводами 7. Полости мембраны 2 и 3 заполнены теплоизолирующим материалом 8.

Датчик работает следующим образом.

При измерении давления измеряемой среды Р_х происходит прогиб упругого элемента, что приводит к деформации диэлектрика 4 и тензочувствительной схемы 5. При деформации тензосхемы меняется сопротивление тензорезисторов, в результате чего возникает разбаланс мостовой схемы, фиксируемой внешним измерительным устройством (на фиг.1, 2 не показан). При воздействии на датчик нестационарной температуры, например термоудара, происходит распределение тепловых потоков таким образом, что благодаря наличию полости с теплоизолирующим материалом коэффициент теплопроводности которого (λ_тим) больше коэффициента теплопроводности материала упругого элемента, тепловые сопротивления мембраны и цилиндрической части упругого элемента будут равны. Равномерность тепловых потоков, кроме того, обеспечивается за счет неравномерной толщины теплоизолирующего материала в полости и учета распределения теплового поля по мембране 2 упругого элемента. В результате выравнивания тепловых потоков поля тепловых деформаций или на мембране 2, определяемые градиентом температурного поля, будут малы, соответственно уменьшается температурная погрешность датчика в условиях воздействия нестационарной температуры измеряемой среды. Остаточная неравномерность поля по упругому элементу компенсируется с помощью создания неравномерной толщины теплоизолирующего материала путем профилирования полости в соответствии с распределением полей температур на мембране, не содержащей полости (сплошной мембраны). В результате того, что теплоизолирующий материал находится в полости и окружен материалом мембран, он не подвергается воздействию измерительной среды и не ухудшает своих характеристик при эксплуатации, что приводит к повышению стабильности датчика и эксплуатационной надежности.

На фиг. 3,4 изображены экспериментально снятые кривые значений температуры на мембране t_ср в условиях термоудара (от комнатной до (-196)^оС - жидкий азот). При этом кривая 1 на фиг.3 получена для сплошной мембраны, не содержащей теплоизолирующего материала, кривая 2 на фиг.4 - для использования боросиликатного стекла ВСС, помещенного в полость с одинаковой высотой h ≈ 2 мм, кривая 3 - для профилирования полости согласно кривой 1 на фиг.3. В качестве теплоизолирующего материала используются также молотый кварц. Анализируя указанные кривые, видно, что профилирование полости приводит к лучшим результатам по сравнению с остальными. Конструктивный К, присутствующий в соотношении, определяющем глубину профилирования (соответственно и толщину теплоизолирующего материала), зависит от конструкции датчика и применяемых материалов. На практике К находится в пределах 2,5 ˙ 10^-3 - 0,2 мм/^оС.

Датчик содержит верхнюю 9 и нижнюю 10 корпусные детали, теплоизолирующий материал 11,12, заполняющий полости верхней и нижней корпусных деталей. На фиг.5-8 также показаны усилие F 13, воздействующее на соединяемые корпусные детали, технологический объем 14, зона 15 соединения, слои 16 удаляемого материала, адгезионный 17, изоляционный 18, резистивный 19 слои, колпачковая мембрана 20 датчика и контактный слой 21.

П р и м е р. В заготовках корпусных деталей 9,10 упругого элемента, изготовленных, например, из сплава 36НХТЮ, механически выбирают полости, глубина которых может быть переменной, при этом чистота обработки поверхностей полостей невысокая (4-6 класса), заполняют обе половины полости теплоизолирующим материалом 11,12, например боросиликатным стеклом, молотым кварцем или другим материалом, смачивающим раствор материал мембраны при расплавлении и имеющим коэффициент теплопроводности, меньшим материала мембраны. Совмещают обе заготовки, помещают их в технологический объем 14, в качестве которого может быть вакуумированный объем установки для диффузионной сварки в вакууме или инертная атмосфера в установках электроконтактной сварки. Прикладывают к обеим частям усилие F 13 и, нагревая их до t_пл.тим < t_т < (0,6-0,8) ˙ t_пл.м, производят соединение обеих корпусных деталей и частей теплоизолирующего материала между собой и материалом мембраны. Граничные температуры выбраны из условия расплавления материала теплоизолирующего материала (t_пл.тим) и условия неухудшения механических свойств применяемых материалов (0,6-0,8) ˙ t_пл.м. Верхняя граница нагрева выбрана из условия отсутствия деструкции теплоизолирующего материала и качественного соединения между собой заготовок корпусных деталей. Один из режимов соединения корпусных деталей из сплава 36НХТЮ и теплоизолирующим материалом (в качестве теплоизолирующего материала - стекло С120-1) следующий: нагрев производился до 900^оС, прикладываемое усилие 100 кг, вакуум в технологическом объеме 10^-4 мм рт.ст.

После соединения с нижней или верхней поверхности корпусных деталей удаляется материал 8 до необходимой толщины мембраны, причем верхняя плоскость шлифуется и полируется до высокого класса чистоты (12-13 класс). После подготовки верхней поверхности мембраны на нее напыляют адгезионный слой 17 хрома (Cr), имеющего хорошую адгезию к материалу мембраны, а затем изоляционный слой 18 моноокиси кремния (SiO₂) или двуокиси кремния (SiO₂), обладающих высокими электроизоляционными свойствами. Далее напыляют резистивный слой (пленку) 19 из материала Х20Н80 или Х20Н75Ю. Последовательно напыляют контактный слой 21, состоящий из подслоя (Cr) и верхнего слоя - золота (Au). Проводя операции фотолитографии по напыленным пленкам, формируют тензорезисторы, контактные площадки и проводники.

Технико-экономические преимущества изобретения следующие: расширяются функциональные возможности в результате расширения номенклатуры рабочих сред контактирующих с датчиком, упрощается изготовление датчика за счет исключения операций механической обработки диэлектрика, повышается воспроизводимость изготовления.

Использование: при изготовлении датчиков давления, работающих в условиях воздействия агрессивных сред и нестационарных температур измереной среды. Цель - повышение точности измерения и воспроизводимости точностных характеристик датчика давления. Сущность изобретения: в датчике, содержащем колпачковую мембрану 2, последняя снабжена установленной на ней дополнительной мембраной 3, при этом в мембранах выполнены полости, в которых размещен теплоизолирующий материал 8. Глубина полости между мембранами выбрана из определенного соотношения, учитывающего температуры текущей точки и места заделки колпачковой мембраны. Способ изготовления датчика состоит в том, что после изготовления корпусных деталей с полостями последние заполняют теплоизолирующим материалом, одновременно соединяют детали и нагревают их до температуры, определяемой из определенного соотношения, учитывающего температуры плавления теплоизолирующего материала и материала корпусных деталей. 2 с. и 1 з.п.ф-лы, 8 ил.

ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ.