ТЕНЗОРЕЗИСТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G01L9/04 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при разработке и производстве миниатюрных электромеханических измерителей, предназначенных для преобразования давления газообразных или жидких веществ в электрический сигнал.

Изобретение направлено на решение задачи, заключающейся в обеспечении необходимых запасов прочности и жесткости основания с опорным стеклянным элементом, на котором крепится чувствительный измерительный преобразователь давления, что позволяет на этапе серийного изготовления преобразователей снизить процент бракуемых по причине больших напряжений узлов ковар-стекло, могущих разрушиться при выполнении механических операций сверления и шлифования, а в процессе эксплуатации улучшить надежность и точность работы преобразователей в условиях механических и температурных внешних воздействий.

Известен способ повышения надежности и точности тензорезисторных датчиков давления (1), в соответствии с которым стеклянный опорный элемент, выполненный сплошным, закрепляется на основании корпуса над штуцером, на внутренней поверхности основания корпуса выполняется необходимое количество каналов, соединяющих канал штуцера с полостью герметичного корпуса, а на внутренней поверхности основания корпуса соосно со штуцером вокруг стеклянного опорного элемента выполнена кольцевая канавка.

Недостатком описанного аналога является невозможность использования его в качестве датчика дифференциального или избыточного давления ввиду необходимости герметизации внутренней полости корпуса, отказ датчика при нарушении герметичности. Кроме того, неизвестны соотношения между размерами элементов датчика, при которых достигаются необходимая механическая прочность конструкции и обеспечивается заданная надежность.

Известен также полупроводниковый датчик давления (2), содержащий полый корпус, вмещающий в себя установочную плиту с отверстием и крышку, которая устанавливается на эту плиту; входную трубку давления, соединенную с отверстием; полупроводниковую схему внутри корпуса с тонкой мембранной частью, на которой формируются тензодатчики; монтажное основание, имеющее коэффициент температурного расширения тот же, что и у измерительной части датчика; тонкий трубчатый крепежный элемент, соединенный с основанием и подводящим штуцером.

Недостатком известного устройства является отсутствие соотношений, позволяющих выбрать конфигурацию и конструктивные параметры основания, разделительного элемента, а также частей подвода давления, обеспечивающих необходимые значения коэффициентов механической жесткости и прочности. Кроме того, датчик состоит из большого числа отдельных деталей, которые крепятся в единую конструкцию методом пайки, что может снижать его надежность и точность работы в условиях механических и температурных воздействий.

Наиболее близким аналогом изобретения является полупроводниковый преобразователь (3) разности высоких статических давлений, содержащий полый корпус, в котором размещен измерительный преобразователь, выполненный в виде квадратной кремниевой пластины с выемкой, образующей мембрану, на планарной стороне которой сформированы тензорезисторы, при этом кремниевая пластина жестко прикреплена к торцу цилиндрического стеклянного опорного элемента со сквозным центральным отверстием, жестко соединенного с монтажной площадкой основания, выполненного за одно целое с входным штуцером из материала, коэффициент температурного расширения которого близок к коэффициенту температурного расширения стекла. Конструктивные размеры мембраны и стеклянного опорного элемента выбираются так, чтобы кривая, показывающая взаимосвязь между ошибкой, вызываемой воздействием статического давления, и толщиной стеклянного опорного элемента проходила через нуль.

Недостатком известного устройства является отсутствие в его конструкции элемента, позволяющего компенсировать воздействие больших температурных перепадов, имеющих место при сварке элементом преобразователя, обеспечив при этом необходимые запасы механической прочности и жесткости.

Указанный недостаток обусловлен тем, что конструктивные параметры кремниевого кристалла и стеклянного опорного элемента подбираются из условий отсутствия методической ошибки измерения, вызванной воздействием статического давления. При этом учитываются внутренние напряжения в стеклянном опорном элементе, вызванные перепадами температур, возникающими в процессе изготовления преобразователя давления методами диффузионной сварки и электростатического соединения, которые составляют 500-600^oC, а также в процессе эксплуатации преобразователя на объектах, где перепады могут достигать ±60^oC.

Техническим результатом от использования изобретения является увеличение запасов механической прочности и жесткости соединения основание - разделительный элемент измерительный преобразователь миниатюрного тензорезистивного преобразователя давления, а также уменьшение внутренних напряжений в разделительном элементе и основании, возникающих в процессе сборки изделия, за счет рационального выбора конфигурации и конструктивных параметров элементов.

Это достигается тем, что в основании под монтажной площадкой выполнена кольцевая канавка, имеющая в сечении форму квадрата, при этом геометрические размеры канавки, определяющие конструктивные размеры монтажной площадки основания и стеклянного опорного элемента, выбираются из условия d_к/d_пл=0,6-0,8, где d_к диаметр канавки, d_пл - диаметр монтажной площадки, а также тем, что кремниевая пластина измерительного преобразователя выполнена со стороной квадрата C=5,5-6 мм и толщиной h₄=0,25-0,35 мм, при этом диаметр стеклянного опорного элемента d=5,0-5,5 мм, его толщина h₂=3,0-3,5 мм, диаметр монтажной площадки основания равен диаметру опорного элемента, толщина основания в зоне опорной площадки h₁=1,5-1,8 мм, а диаметр d₀ отверстия входного штуцера равен 1,4-1,6 мм.

Устройство изображено на чертеже.

Тензорезисторный преобразователь давления содержит полый корпус 1, соединенный с основанием 2, под монтажной площадкой 3 которого выполнена 4, имеющая квадратное сечение. К монтажной площадке основания диффузионным методом приварен стеклянный опорный элемент 5, к которому электростатически прикреплен кремниевый измерительный преобразователь 6.

Кольцевая канавка 4, выполненная под монтажной площадкой 3 основания, имеющая ширину h_к= 1,0 мм и глубину t=1,0 мм, определяет конструктивные размеры монтажной площадки основания и стеклянного опорного элемента.

Оптимальные геометрические размеры элементов устройства рассчитываются, исходя из требуемых коэффициентов запаса механической прочности в критических точках соединения элементов датчика. Расчеты показывают, что, например, для кремниевого измерительного преобразователя со стороной квадрата C=6,0 мм и толщиной h₄=0,3 мм необходимые значения коэффициентов достигаются при диаметре стеклянного опорного элемента d=5,0 мм, его толщине h₂=3,5 мм, диаметре монтажной площадки основания d=5,0 мм, ее толщине h₁=1,5 мм, диаметре подводящего отверстия d_o=1,6 мм.

Использование в измерительной технике при разработке и производстве миниатюрных электромеханических измерителей. Сущность изобретения: устройство содержит корпус 1, основание 2, монтажную площадку 3 с канавкой 4, стеклянный опорный элемент 5, измерительный преобразователь 6 с кремниевой пластиной, сторона квадрата которой c=5,5-6,0 мм, а толщина h₄=0,25-0,35 мм, при этом диаметр стеклянного опорного элемента равен диаметру площадки основания и составляет d=5,0-5,5 мм, толщина опорного элемента h₂=3,0-3,3 мм, толщина основания h₁= 1,5-1,8 мм, а диаметр отверстия входного штуцера d₀= 1,4-1,6 мм. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Тензорезисторный преобразователь давления, содержащий полый корпус, в котором размещен полупроводниковый измерительный преобразователь, выполненный в виде квадратной кремниевой пластины с выемкой, образующей мембрану, на планарной стороне которой смонтированы тензорезисторы, при этом кремниевая пластина жестко прикреплена к торцу цилиндрического стеклянного опорного элемента со сквозным центральным отверстием, жестко соединенного с монтажной площадкой основания, выполненного за одно целое с входным штуцером из материала, коэффициент температурного расширения которого близок к коэффициенту температурного расширения стекла, отличающийся тем, что в нем в основании под монтажной площадкой выполнена кольцевая канавка, имеющая в сечении форму квадрата, при этом геометрические размеры канавки, определяющие конструктивные размеры монтажной площадки основания и стеклянного опорного элемента, выбираются из условия
d_к/d_п л 0,6 0,8,
где d_к диаметр канавки;
d_п л диаметр монтажной площадки. 2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что в нем кремниевая пластина измерительного преобразователя выполнена со стороной квадрата c 5,5 6 мм и толщиной h₄ 0,25 0,35 мм, при этом диаметр стеклянного опорного элемента d 5,0 5,5 мм, его толщина h₂ 3,0 3,5 мм, диаметр монтажной площадки основания равен диаметру опорного элемента, толщина основания в зоне опорной площадки h₁ 1,5 1,8 мм, а диаметр d_о отверстия входного штуцера равен 1,4 1,6 мм.