ЕМКОСТНОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ АБСОЛЮТНОГО ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК G01L9/12 

Описание патента на изобретение RU2377518C1

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.

Похожие патенты RU2377518C1

название год авторы номер документа
Емкостный преобразователь давления 1990
  • Шеленшкевич Владимир Александрович
  • Артемов Валерий Михайлович
  • Кудряшов Эдуард Алексеевич
  • Шульга Анатолий Иванович
SU1778576A1
ТЕНЗОРЕЗИСТОРНЫЙ ДАТЧИК АБСОЛЮТНОГО ДАВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ КНИ МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ 2015
  • Соколов Леонид Владимирович
RU2609223C1
Датчик давления 1990
  • Раков Виталий Алексеевич
  • Тимошенко Владислав Григорьевич
  • Хашев Владимир Геннадьевич
  • Кармеев Атаула Изятулович
SU1778569A1
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ 1996
  • Тимофеев Г.Д.
  • Адаскин М.Г.
  • Востоков П.В.
  • Панферов А.А.
RU2097721C1
ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ДАТЧИК АБСОЛЮТНОГО ДАВЛЕНИЯ 2011
  • Вавилов Владимир Дмитриевич
RU2470273C1
Емкостный датчик давления и способ его изготовления 1990
  • Милотаев Александр Иванович
  • Чугунов Александр Васильевич
  • Марин Виктор Николаевич
  • Мордовин Николай Николаевич
SU1783333A1
ПИРОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН 2014
  • Чесноков Владимир Владимирович
  • Чесноков Дмитрий Владимирович
RU2570235C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЕМКОСТНЫХ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ 1992
  • Казарян А.А.
  • Чекрыгин В.Н.
RU2051347C1
ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ 1991
  • Афанасьев Ю.В.
RU2023996C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЕМКОСТНОГО ДАТЧИКА ПУЛЬСАЦИЙ ДАВЛЕНИЯ 1999
  • Казарян А.А.
RU2159416C1

Реферат патента 2009 года ЕМКОСТНОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ АБСОЛЮТНОГО ДАВЛЕНИЯ

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к преобразователям абсолютных давлений, и может быть использовано в разработке и изготовлении малогабаритных полупроводниковых преобразователей абсолютного давления. Техническим результатом изобретения является повышение надежности, повышение стабильности параметров и повышение чувствительности преобразователя. Емкостной преобразователь давления содержит 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; мембраны соединены друг с другу и выровнены, а стеклянные шайбы выполнены с отверстиями и соединены с мембранами со стороны, противоположной обкладкам конденсатора; вакуумная камера образована герметичным соединением мембранной сборки с металлическим корпусом; электроды выведены наружу металлического корпуса с помощью контактных площадок, микропроводов и гермопереходников; микропровода с одной стороны приварены к контактным площадкам, а с другой стороны приварены к гермопереходникам, герметично соединенным с металлической шайбой; металлическая шайба приварена к металлическому корпусу, а объем вакуумной камеры в несколько раз превышает объем мембранной сборки. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Формула изобретения RU 2 377 518 C1

1. Емкостной преобразователь давления, содержащий подложку с размещенными на ней контактной площадкой и обкладками конденсатора, состоящими из электрода и изолирующего слоя, а также мембранную сборку и вакуумную камеру, отличающийся тем, что 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.

2. Емкостной преобразователь давления по п.1, отличающийся тем, что 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.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2009 года RU2377518C1

ЕМКОСТНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ 1991
  • Мокров Е.А.
  • Белозубов Е.М.
RU2010201C1
ЕМКОСТНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ И РАЗНОСТИ ДАВЛЕНИЙ 1997
  • Куликов Н.Д.
RU2126533C1
УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ С ЕМКОСТНЫМ ДАТЧИКОМ В ЦЕПИ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ УСИЛИТЕЛЯ 2003
  • Шульте Джон П.
RU2319124C2
Емкостный датчик давления 1990
  • Мокров Евгений Алексеевич
  • Белозубов Евгений Михайлович
SU1779958A1
US 4838088 A, 13.06.1989.

RU 2 377 518 C1

Авторы

Баринов Илья Николаевич

Бакатова Ирина Викторовна

Волков Вадим Сергеевич

Даты

2009-12-27Публикация

2008-06-02Подача