ТОНКОПЛЕНОЧНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК G01L9/04 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к тонкопленочным датчикам давления, предназначенным для измерения давления агрегатов ЖРД в условиях воздействия повышенных нестационарных температур агрессивных измеряемых сред.

Известны тензорезисторные датчики давления с защитным диэлектрическими пленками, нанесенными на мембрану [1].

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту является тонкопленочный датчик давления, содержащий вакуумированный корпус, металлический упругий элемент в виде выполненной за одно целое с опорным основанием жесткозащемленной мембраны с диэлектриком, на поверхности которого расположены тензочувствительные элементы, соединенные в измерительную схему, и дополнительную пленку с коэффициентом теплопроводности упругого элемента и толщиной, выбранной по соотношению
h = (h_з - h_м) h = (h_з-h_м) , где h_з; h_м - соответственно толщины места заделки и мембраны упругого элемента;
λ; λ_м - соответственно коэффициенты теплопроводности пленки и упругого элемента, причем дополнительная пленка расположена на упругом элементе с противоположной стороны тензосхемы [2].

Общими признаками предлагаемого технического решения и прототипа является то, что тонкопленочный датчик давления содержит вакуумированный корпус, металлический упругий элемент в виде выполненной за одно целое с опорным основанием жесткозащемленной мембраны с диэлектриком, на поверхности которого расположены тензочувствительные элементы, соединенные в измерительную схему, и дополнительную пленку с коэффициентом теплопроводности, меньшим коэффициента теплопроводности упругого элемента.

Недостатком известного датчика является невозможность его использования для измерения давления некоторых агрессивных и активных составляющих современного ракетного топлива и окислителя, а также продуктов их сгорания. Это связано с тем, что необходимость низкой теплопроводности дополнительной пленки во многом определяет ее структуру. По сравнению с материалом упругого элемента дополнительная пленка получается существенно более пористой и рыхлой.

Проникновение агрессивных компонент топлива или окислителя внутрь сравнительно рыхлой структуры пленки приводит к ее ускоренному разрушению. В частности поэтому затруднено использование известных датчиков давления в многоразовых ракетных двигателях из-за невозможности 100%-ного удаления остатков окислителя или топлива с воспринимающей поверхности датчика без снятия его с изделия. Кроме того, коррозионная стойкость дополнительной пленки, выполненной из материала с малым коэффициентом теплопроводности, недостаточна по причине малой коррозионной стойкости материала дополнительной пленки.

Целью изобретения является повышение стойкости к воздействию агрессивной измеряемой среды за счет перенесения сравнительно нестойкой пленки за более стойкую мембрану, а также повышение стабильности метрологических характеристик за счет облегчения условий работы тензочувствительных элементов и дополнительной пленки.

Для этого усовершенствуется известный тонкопленочный датчик давления, содержащий вакуумированный корпус, металлический упругий элемент в виде выполненной за одно целое с опорным основанием жесткозащемленной мембраны с диэлектриком, на поверхности которого расположены тензочувствительные элементы, соединенные в измерительную схему, и дополнительную пленку с коэффициентом теплопроводности, меньшим коэффициента теплопроводности упругого элемента.

Отличительными признаками предлагаемого датчика является то, что в нем дополнительная пленка расположена на поверхности упругого элемента со стороны расположения тензочувствительных элементов, причем в пленке на ее периферии в области опорного основания вне расположения тензосхемы выполнены сквозные окна, а диэлектрик выполнен с коэффициентом теплопроводности, большим коэффициента теплопроводности упругого элемента, и частично расположен в окнах, выполненных в пленке. Кроме того, на поверхности диэлектрика и тензочувствительных элементов может быть расположен дополнительный слой диэлектрика, коэффициент теплопроводности которого равен коэффициенту теплопроводности основного диэлектрика.

На фиг.1 изображен тонкопленочный датчик, общий вид; на фиг.2 - упругий элемент с покрытиями, разрез; на фиг.3 - упругий элемент без дополнительного диэлектрика, вид сверху; на фиг.4,5 и 6 - топология слоев дополнительной пленки, диэлектрика и дополнительного диэлектрика соответственно.

Датчик давления содержит вакуумированный корпус 1, упругий элемент 2 в виде выполненной за одно целое с опорным основанием 3 жесткозащемленной мембраны 4 с диэлектриком 5, на поверхности которого расположены тензорезисторы 6 (R1 - R4), изготовленные по тонкопленочной технологии из сплава П65ХС и соединенные в мостовую измерительную схему. Дополнительная пленка 7 выполнена из боросиликатного стекла с коэффициентом теплопроводности λ=0,11 В/м^оС, меньшим коэффициентом теплопроводности (λ_м = 38 В/м^оС) упругого элемента, расположена на поверхности упругого элемента со стороны расположения тензочувствительной схемы, т.е. между диэлектриком и упругим элементом. Причем в пленке на ее периферии в области опорного основания вне расположения тензосхемы выполнены сквозные окна 8. Диэлектрик выполнен методом тонкопленочной технологии на основе композиции Al₂O₃ + BeO с коэффициентом теплопроводности λ= 230 B/м^оС, большим коэффициента теплопроводности пленки, и частично расположен в выемках, выполненных в пленке. Дополнительный слой диэлектрика 9 расположен на поверхности диэлектрика и тензорезисторов, не закрывая только контактных площадок 10. Дополнительный слой диэлектрика выполнен из того же материала, что и основной диэлектрик и имеет равный ему коэффициент теплопроводности. Толщины дополнительной пленки основного и дополнительного диэлектрика находятся в пределах 1-1,5 мкм.

На фиг.2, 3 для наглядности масштаб изображения дополнительной пленки, диэлектрика, тензорезисторов, контактных площадок и дополнительного диэлектрика несколько увеличен по сравнению с другими элементами конструкции. Кроме того, на фиг.3 условно не показан дополнительный диэлектрик, загораживающий тензорезисторы.

Датчик давления работает следующим образом.

При изменении давления измеряемой среды происходит прогиб рабочей части мембраны, приводящий к деформации пленки, диэлектрика и тензочувствительной схемы. При деформации тензорезисторов меняется их электрическое сопротивление, в результате чего появляется разбаланс моста, составленного из этих резисторов, который фиксируется внешним измерительным устройством. При изменении температуры измеряемой среды (например, термоудара - скачкообразном изменении температур, наиболее характерном режиме работы агрегатов ЖРД) происходит восприятие температуры измеряемой среды как рабочей частью, так и цилиндрической частью упругого элемента. При этом в связи с тем, что термические сопротивления рабочей части и цилиндрической части упругого элемента примерно равны за счет нанесения на рабочую поверхность мембраны дополнительной пленки с выбранными характеристиками, неравномерность температурного поля на рабочей части мембраны в зоне установки тензорезисторов незначительна, а следовательно, незначительна аддитивная температурная погрешность. В случае воздействия агрессивной измеряемой среды, например "ацетила", дополнительная пленка не подвергается воздействию этой среды, так как она защищена мембраной. Кроме того, в связи с тем, что дополнительная пленка находится в вакуумированном корпусе, повышается стабильность ее теплофизических характеристик (коэффициент теплопроводности и др.). Так как в пленке на ее периферии в области опорного основания вне расположения тензосхемы выполнены сквозные выемки, а диэлектрик выполнен с коэффициентом теплопроводности, большим коэффициента теплопроводности пленки, и частично расположен в выемках, выполненных в пленке, то по диэлектрику осуществляется обмен тепловой энергии между тензорезисторами и цилиндрической частью. Это приводит с одной стороны к дополнительному выравниванию температурного поля на мембране с температурой в цилиндрической части, а с другой стороны облегчает теплоотдачу мощности, выделяемой тензорезисторами в корпус датчика. Действительно, так как теплопроводность дополнительной пленки низка, а внутренняя полость датчика вакуумирована, то теплоотдача по диэлектрику, обладающему небольшим термическим сопро- тивлением, становится единственным путем канализации теплоты.

Лучшая теплоотдача мощности, выделяемой тензорезисторами, позволяет использовать предлагаемый датчик при более высоких эксплуатационных температурах или эксплуатировать его при тех же температурах, но обеспечивать большую стабильность метрологических характеристик.

С целью дальнейшего улучшения теплообмена тензорезисторов с цилиндрической частью упругого элемента на поверхность диэлектрика и тензочувствительных элементов нанесен дополнительный слой диэлектрика, коэффициент теплопроводности которого равен коэффициенту теплопроводности основного диэлектрика. В этом случае термическое сопротивление между тензорезисторами и цилиндрической частью уменьшается в два раза (при толщине дополнительного диэлектрика, равной толщине основного диэлектрика).

У тонкопленочного датчика давления типа Вт 237, изготовленного в соответствии с прототипом, стойкость к воздействию среды "ацетил" составляет не более двух циклов по 120 ч, а стойкость датчика давления, выполненного в соответствии с изобретением, составляет 8-10 циклов по 120 ч каждый. Таким образом, технико-экономическим преимуществом изобретения является повышение стойкости к воздействию агрессивной измеряемой среды за счет защиты сравнительно нестойкой дополнительной пленки более стойкой мембраной. Другим преимуществом изобретения является повышение стабильности характеристик датчика за счет повышения стабильности теплофизических характеристик дополнительной пленки, расположенной внутри герметичного вакуумированного корпуса, предотвращающего непосредственное воздействие измеряемой среды на дополнительную пленку. В этом случае резко замедляются процессы внутренней коррозии и разрушения дополнительной пленки за счет отсутствия непосредственного контакта с агрессивной средой.

Кроме того, стабильность характеристик обеспечивается из-за лучшей теплоотдачи мощности, выделяемой тензорезисторами за счет применения диэлектрика с коэффициентом теплопроводности, большим коэффициента теплопроводности упругого элемента.

Использование: для измерения давления в условиях воздействия на тензорезисторный датчик давления повышенных нестационарных температур агрессивных измеряемых сред. Сущность изобретения: для повышения стойкости к воздействию измеряемой среды и стабильности метрологических характеристик в датчике давления дополнительная пленка 7 с коэффициентом теплопроводности, меньшим чем у мембраны, расположена на поверхности мембраны со стороны тензорезисторов 6, причем в пленке 7 в области опорного основания выполнены сквозные окна. Диэлектрик 5 выполнен с коэффициентом теплопроводности, большим чем у мембраны, и частично расположен в сквозных окнах пленки 7. На поверхности диэлектрика 5 и тензорезисторов 6 может быть расположен дополнительный слой 9 диэлектрика с коэффициентом теплопроводности, равным коэффициенту теплопроводности основного диэлектрика 5. 1 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. ТОНКОПЛЕНОЧНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ, содержащий вакуумированный корпус, металлический упругий элемент в виде выполненной за одно целое с опорным основанием жесткозащемленной мембраны с диэлектриком, на поверхности которого расположены тензочувствительные элементы, и дополнительную пленку с коэффициентом теплопроводности, меньшим коэффициента теплопроводности упругого элемента, отличающийся тем, что, с целью повышения стойкости к воздействию измеряемой среды и стабильности метрологических характеристик, дополнительная пленка расположена на поверхности упругого элемента со стороны тензочувствительных элементов, причем в ней в области опорного основания выполнены сквозные окна, а диэлектрик выполнен с коэффициентом теплопроводности, большим коэффициента теплопроводности упругого элемента, и частично расположены в сквозных окнах пленки. 2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что на поверхности диэлектрика и тензочувствительных элементов расположен дополнительный слой диэлектрика, коэффициент теплопроводности которого равен коэффициенту теплопроводности основного диэлектрика.