МИКРОЭЛЕКТРОННЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ С ЧУВСТВИТЕЛЬНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ, ЗАЩИЩЕННЫМ ОТ ПЕРЕГРУЗКИ Российский патент 2015 года по МПК G01L19/06 

Микроэлектронный датчик давления с чувствительным элементом давления (ЧЭД), имеющим механическую защиту от перегрузки предназначен для использования в системах управления и контроля установок, преимущественно работающих в условиях нестабильного и быстро изменяющегося давления рабочей среды, а также может быть применен в любой отрасли народного хозяйства для измерения давления.

Известен микроэлектронный датчик давления с защитой от перегрузки, содержащий корпус, внутри которого установлены: чувствительный элемент давления (ЧЭД) с интегральным преобразователем давления (ИПД), имеющим кристалл с опорной периферической частью, с тонкой гибкой симметрично выполненной мембраной с тензорезисторами, средствами электрических соединений и контактными площадками, и, по меньшей мере, один жестко связанный с опорной периферической частью кристалла, механический предохранительный упор защиты от перегрузки с полостью для мембраны и, по меньшей мере, один канал подвода давления измеряемой среды к полости механического предохранительного упора, причем в корпусе и ИПД выполнен, по меньшей мере, один канал с выходным окном подвода давления измеряемой среды к полости в механическом предохранительном упоре (см. опубликованную заявку США № US 2013/0239694 A1, заявитель AZBIL CORPORATION, опубл. 19.09. 2013). В указанном патентном документе описано выполнение механического упора в виде центрально симметричной поверхности сложного криволинейного профиля, на которую опирается при перегрузке мембрана ИПД, что предотвращает ее разрушение при перегрузке. Сложный профиль упора и мембрана ИПД с постоянной толщиной не позволяют измерять давления с высокой точностью и стабильностью из-за малых деформаций тензорезисторов.

Известен микроэлектронный датчик давления с защитой от перегрузки, содержащий корпус, внутри которого установлены: чувствительный элемент давления (ЧЭД) с интегральным преобразователем давления (ИПД), представляющий собой кристалл с опорной периферической частью, с тонкой гибкой симметрично выполненной мембраной с тензорезисторами, средствами электрических соединений и контактными площадками, и, по меньшей мере, один жестко связанный с опорной периферической частью кристалла, механический предохранительный упор защиты от перегрузки с полостью для мембраны и, по меньшей мере, один канал подвода давления измеряемой среды к полости механического предохранительного упора, причем в корпусе и ИПД выполнен, по меньшей мере, один канал с выходным окном подвода давления измеряемой среды к полости в механическом предохранительном упоре (см. патент США № US 7360431 B2, заявитель Yamatake Corporation, опубл. 22.04.2008). Кроме ранее указанных недостатков предыдущего патента можно отметить следующее. В указанном патентном документе описано выполнение механического упора в виде центрально симметричной поверхности сложного переменного криволинейного профиля, на которую опирается при перегрузке мембрана ИПД, что предотвращает ее разрушение при перегрузке и позволяет измерять давление разной величины. Сложная конструкция ЧЭД, выполненная из разнородных материалов кремния и стекла, не позволяет измерять давления с высокой точностью и стабильностью, так как при нулевом значении перепада давлений и при повышении статического давления с обеих сторон мембраны и/или температуры в соседних полостях мембраны из-за различающихся механических и термомеханических характеристик кремния и стекла изменяется электрическое сопротивление тензорезисторов при нулевом перепаде давлений или новом значении температуры, что приводит к нарушению стабильности электрических характеристик ИПД датчика по известному патенту США. Для компенсации указанных отклонений создается сложная конструкция для измерения и учета погрешностей от статического давления и температуры. По-видимому попадание инородных тел (загрязнений) между сопряженными поверхностями мембраны и упора может вызывать нарушение точности измерения. Для исключения попадания измеряемой среды в полость гибкой мембраны она должна быть защищена специальной средой, например такой как высокочистая кремнеорганическая жидкость, и вводят промежуточные мембраны, что снижает точность измерений давлений, особенно в диапазонах малого его изменения.

Изготовление в ранее указанных патентных документах сложных криволинейных поверхностей механических упоров требует затрат времени и средств и не гарантирует их идентичность, а следовательно и стабильность показаний датчиков даже одной серии при измерении малых давлении или его перепадов.

Известен микроэлектронный датчик давления с чувствительным элементом, защищенным от перегрузки, содержащий корпус, внутри которого установлены: чувствительный элемент давления (ЧЭД) с интегральным преобразователем давления (ИПД) с тонкой гибкой симметрично выполненной мембраной с тензорезисторами, средствами электрических соединений и контактными площадками, расположенными на лицевой стороне, и, по меньшей мере, тремя жесткими центрами - на оборотной стороне мембраны, и, по меньшей мере, один механический предохранительный упор, жестко связанный с опорной периферической частью кристалла ИПД и с выполненной в нем полостью для мембраны, и, по меньшей мере, один канал с окном в корпусе, для подвода давления измеряемой среды к полости механического предохранительного упора (авторы Н.С. Землянников, Н.Л. Данилова, В.В. Панков, B.C. Суханов, P.O. Гаврилов, Ю.А. Михайлов ст. «Конструкция чувствительных элементов на малые давления с повышенной перегрузочной способностью, НАНО- и Микросистемная техника, №6, 2012, от 19.11.2012 г.). В указанном источнике описаны требования для изготовления механического упора с выступом крестообразной формы, встроенном для защиты от перегрузки, выполненного в виде крестообразного выступа на упоре механической защиты ИПД от перегрузки, предназначенного для взаимодействия с жесткими центрами на мембране, не раскрыты средства и область использования для разных отраслей народного хозяйства.

Технической задачей предложения является снижение затрат, упрощение производства и эксплуатации, расширение функциональных возможностей, а также повышение стабильности параметров чувствительного элемента интегрального датчика давления с механической защитой от перегрузки при быстром изменении давления и получение возможности измерения степени перегрузки датчика давлением, превышающим номинальное в несколько раз, но меньшее, чем давление разрушения мембраны.

Техническая задача решается тем, что микроэлектронный датчик давления с защитой от перегрузки содержит корпус, внутри которого установлены: чувствительный элемент давления (ЧЭД) с интегральным преобразователем давления (ИПД) с тонкой гибкой симметрично выполненной мембраной с тензорезисторами, средствами электрических соединений и контактными площадками, расположенными на лицевой стороне, и, по меньшей мере, с тремя жесткими центрами - на оборотной стороне мембраны, и, по меньшей мере, один механический предохранительный упор, жестко связанный с опорной периферической частью кристалла ИПД и с выполненной в нем полостью для мембраны, и, по меньшей мере, один канал с окном в корпусе, для подвода давления измеряемой среды к полости механического предохранительного упора, причем составляющие элементы ЧЭД выполнены из одного материала и соединены легкоплавким стеклом в вакууме, мембрана ИПД выполнена с утолщенной опорной периферической частью, с возможностью свободного перемещения под действием номинального давления в диапазоне его изменения и контакта, по меньшей мере, одного из жестких центров с механическим упором при превышении номинального давления, а механический упор выполнен с симметричным крестообразным выступом, расположенным симметрично продольной и поперечной плоскостям симметрии жестких центров на мембране, и с прочностью, достаточной, чтобы выдержать перегрузочное давление, превышающее критическое давление разрушения мембраны ИПД и отверстиями, расположенными за пределами проекции выходного окна канала подвода давления измеряемой среды к тонкой части мембраны.

Микроэлектронный датчик давления, который выполнен с чувствительным элементом, защищенным от перегрузки, в котором чувствительный элемент имеет лицевой упор, габариты которого меньше расстояния между контактными площадками ИПД, но больше тонкой части мембраны кристалла с тензорезисторами, что позволяет упростить производство и сборку датчика.

Микроэлектронный датчик давления выполнен с чувствительным элементом, защищенным от перегрузки, в котором зазор между, по крайней мере, одним из жестких центров на мембране и поверхностью крестообразного выступа механического предохранительного упора, в 1,5-5 раз больше, чем свободное перемещение мембраны ИПД с жесткими центрами при номинальном давлении, что позволяет получить оптимальную величину прогиба мембраны для различных номинальных диапазонов изменения давления. Известно, что величина прогиба мембраны при номинальном давлении и различной ее толщине приблизительно одинакова, но ее ход до разрушения уменьшается при увеличении толщины мембраны.

Крестообразная форма выступа механического предохранительного упора позволяет просто и точно позиционировать его в полости ЧЭД при сборке датчика, а симметричность крестообразной формы выступа также упрощает сборку датчика с установкой одного или двух упоров в полостях и каналах корпуса для подвода давления измеряемой среды, так как жесткие центры на мембране имеют две плоскости симметрии, расположенные перпендикулярно, то есть крестообразно. Полость в соответствующем упоре имеет отверстия, выполненные в нем за пределами проекции на упор входного окна канала подвода давления измеряемой среды в корпусе и сообщенными с соответствующим указанным каналом в корпусе, а также крестообразный выступ на механическом предохранительном упоре, расположенном симметрично жестким центрам на мембране, при работе датчика позволяют уменьшить динамику действия быстро изменяющегося давления и ударного волнового воздействия на мембрану с тензорезисторами, т.е демпфировать быстрое изменение давления и уменьшить ударное взаимодействие жестких центров и крестообразного выступа механического упора, так как первичная волна быстроизменяющегося давления, движущаяся из окна канала корпуса, разрушается плоской поверхностью механического упора и гасится в отверстиях и щелеобразных зазорах между крестообразным выступом и жесткими центрами, а также при повторном отражении от поверхностей жестких центров и крестообразного выступа, так же как и вторичные волны, из-за интерференции и взаимодействия с указанными поверхностями и в переменном зазоре между плоской частью жестких центров мембраны и механического упора также гасятся.

Расположение тензорезисторов под защитой плоской поверхности механического упора, расположенного над лицевой поверхностью ИПД и имеющего тангенциально расположенные отверстия в боковых стенках и соответственно вне проекции выходного окна второго (лицевого) канала подвода давления измеряемой среды и вне зоны прямого действия ударных волн, которые могут поступать из канала подвода давления измеряемой среды, позволяет снизить погрешность от воздействия динамики быстрого изменения давления и возникающих ударных волн и снизить нагрузку от действия быстроизменяющегося давления. При этом форма крестообразного упора и шелевой зазор между ним и лицевой поверхностью мембраны позволяет разрушить и погасить волну давления в зоне расположения тензорезисторов на лицевой стороне, то есть демпфировать динамическое воздействие быстрого изменения давления и ударных волн.

Крестообразный упор имеет определенную жесткость в несколько раз большую, чем жесткость гибкой мембраны, что позволяет механическими средствами предотвратить аварийно опасный прогиб гибкой мембраны. Когда один из жестких центров ложится на крестообразный выступ, тензорезисторы на гибкой мембране продолжают работать, так как расположены в части мембраны, которая не опирается на механический упор и продолжает деформироваться, а вместе с ней, соответственно, деформируются тензорезисторы, которые также изменяют сопротивление, то есть продолжают вырабатывать изменяющийся сигнал о превышении давления и перегрузке ЧЭД. Если причины аварийного повышения давления не устранены, а величина давления приближается к критическому значению, в системе управления и регистрации должен вырабатываться второй сигнал о возможности разрушения мембраны. После устранения причин появления критического давления в системе гибкая мембрана с жесткими центрами отходит от механического упора и начинает работать в штатном режиме, даже если между ними было нештатное взаимодействие, например вследствие попадания между ними жестких включений из измеряемой среды. Шероховатость взаимодействующих поверхностей механического упора и жестких центров также не влияет на процесс деформации мембраны, что повышает стабильность рабочих показателей ИПД и датчика в целом.

Очень точное центрирование взаимного положения упоров и жестких центров мембраны при изготовлении и сборке ЧЭД не является определяющим для точности измерения давления, так как деформация тензорезисторов в мембране с жесткими центрами зависит только от величины площади тонкой части мембраны.

При этом высокая чувствительность и стабильность показателей ИПД с жесткими центрами здесь сочетается с простотой изготовления путем широкого использования известных в электронной промышленности методов интегральных и микроэлектронных технологий изготовления механического упора и частей датчика давления. Многократное взаимодействие, по меньшей мере, одного жесткого центра с поверхностью механического упора не приводит к изменению электрических и механических характеристик гибкой мембраны, тензорезисторов и ИПД. При этом не требуется высокая точность взаимного положения измерительной мембраны в полости ИПД, сложная криволинейная форма поверхности механического упора или тщательная обработка контактирующих поверхностей жестких центров и механического упора. Предложение поясняется чертежами.

На Фиг. 1 показан продольный разрез датчика давления.

На Фиг. 2 - продольный разрез ЧЭД.

На Фиг. 3 - интегральный преобразователь давления ИПД (вид с оборотной стороны).

На Фиг. 4 - разрез ИПД.

На Фиг. 5 - пространственный вид на механический упор, расположенный с оборотной стороны ИПД.

На Фиг. 6 - пространственный вид на механический упор, расположенный с лицевой стороны ИПД для чувствительного элемента избыточного давления.

На фиг. 7 - пространственный вид на механический упор, расположенный с лицевой стороны ИПД для чувствительного элемента абсолютного давления.

Микроэлектронный датчик давления с чувствительным элементом, защищенным от перегрузки, содержит корпус 1, внутри которого установлены: чувствительный элемент 2 давления (ЧЭД) с интегральным преобразователем 3 давления (ИПД) с тонкой гибкой симметрично выполненной мембраной 4 с тензорезисторами 5, средствами 6 электрических соединений и контактными площадками 7, расположенными на лицевой стороне 8 кристалла ИПД, и, по меньшей мере, с тремя жесткими центрами 9 - на оборотной стороне 10 мембраны, и, по меньшей мере, один механический предохранительный упор 11, жестко связанный с периферической частью 12 гибкой мембраны 4 ИПД 3 и с выполненной в нем полостью 13. А также, по меньшей мере, один канал 14 с окном 15 для подвода давления измеряемой среды к полости 13 механического предохранительного упора 11. Причем элементы, составляющие ЧЭД 2, такие как мембрана 4 ИПД 3, лицевой 16 и оборотный 17 механические упоры, выполнены из одного материала и соединены легкоплавким стеклом 18 в вакууме. Мембрана 4 ИПД 3 выполнена с утолщенной опорной периферической частью 12 и установлена с возможностью свободного перемещения под действием номинального давления в диапазоне его изменения и контакта, по меньшей мере, одного из жестких центров 9 с крестообразным выступом 19 оборотного механического упора 17 при превышении номинального давления. Оборотный механический упор 17 выполнен с симметричным крестообразным выступом 19, расположенным симметрично продольной 20 и поперечной 21 плоскостям симметрии жестких центров 9 на гибкой мембране 4 и с прочностью, достаточной, чтобы выдержать перегрузочное давление, превышающее критическое давление разрушения мембраны ИПД, и отверстиями 22, расположенными за пределами проекции выходного окна 15 канала подвода давления измеряемой среды к тонкой части гибкой мембраны 4

Микроэлектронный датчик давления выполнен с чувствительным элементом ЧЭД 2, защищенным от перегрузки, в котором чувствительный элемент давления имеет лицевой упор 16, габариты которого меньше расстояния между контактными площадками 7 ИПД 3, но больше мембраны 4 ИПД 3.

Микроэлектронный датчик давления выполнен с чувствительным элементом ЧЭД 2, защищенным от перегрузки, в котором зазор между, по меньшей мере, одним из жестких центров 9 на мембране и поверхностью крестообразного выступа 19 оборотного механического предохранительного упора 17, в 1,5-5 раз больше, чем свободное перемещение мембраны ИПД с жесткими центрами при номинальном давлении.

Интегральный датчик давления с защитой от перегрузки работает следующим образом.

В пределах номинального диапазона изменения давления гибкая мембрана 4 прогибается, тензорезиторы 5 ИПД 3 изменяют сопротивление и на выходных контактах 23 корпуса 1 появляется электрический сигнал. При превышении давления свыше номинального диапазона жесткие центры 9 начинают опираться на крестообразный выступ 24 лицевого механического предохранительного упора 16, деформация гибкой мембраны 4, пропорциональность от давления деформации и электрического сигнала на выходных контактах 23 уменьшается. Зависимость деформации мембраны 4 от давления уменьшается, что предотвращает ее разрушение. Программа или электрические реле вырабатывают аварийный сигнал о перегрузке датчика, обслуживающий персонал или автоматика устраняет причину перегрузки, например, отключая нагнетательный насос или другое оборудование, создающее избыточное давление, или перекрывается измерительный канал 14 подвода давления. При достижении аварийно опасного давления вследствие возможного разрушения гибкой мембраны 4, повторно вырабатывается сигнал на предотвращение аварийно опасного состояния.

Микроэлектронный датчик давления выполнен с чувствительным элементом 2, защищенным от перегрузки, в котором зазор между, по крайней мере, одним из жестких центров 9 на гибкой 4 мембране и поверхностью крестообразного выступа 19 оборотного механического предохранительного упора 17, который определяет свободный ход жесткого центра 9 под действием диапазона изменения номинального давления, в 1,5-5 раз больше, чем свободное перемещение мембраны 4 ИПД с жесткими центрами 9 при номинальном давлении, что позволяет получить оптимальную величину прогиба мембраны для различных номинальных диапазонов изменения давления. Известно, что величина прогиба мембраны 4 при номинальном давлении и различной ее толщине приблизительно одинакова, но перемещение жесткого центра 9 до разрушения мембраны 4 уменьшается при увеличении ее толщины.

Крестообразный выступ 24 со стороны тензорезисторов 5 не взаимодействует с поверхностью опирающейся той части поверхности гибкой мембраны 4, на которой располагаются тензорезисторы 5 и средства внутренних электрических соединений (на чертеже не приведены), что уменьшает возможность повреждения измерительной части ИПД 3.

При появлении ударных волн и при быстром изменении давления динамическое воздействие уменьшается путем разрушения фронта ударной волны и демпфирования быстрого изменения давления при движении измеряемой среды в каналах 14 и отверстиях 22 оборотного механического упора 17, который фактически выполнен как демпфер ударной волны, то есть при этом фронт ударной волны из канала 14 корпуса 1 разбивается поверхностью, например, оборотного механического упора 17 на части, которые гасятся при прохождении через отверстия 22 и при взаимодействии с поверхностями жестких центров 9 и соответствующего крестообразного выступа 19. Кроме этого крестообразная форма выступа 19 препятствует интерференции волн давления с локальным увеличением давления при их встрече в центральной части полости 13 в оборотном механическом упоре 17. При выполнении окон и каналов для прохода давления рабочей среды в утолщенной опорной периферической части лицевого механического упора 16 также первичная волна быстроизменяющегося давления разрушается внешней и внутренней поверхностями механического упора 16 и гасится в щелеобразных отверстиях 26, выполненных в утолщенной опорной периферической части лицевого механического упора 16, так же вторичные волны из-за интерференции и взаимодействия с поверхностями в переменном зазоре между плоской частью мембраны 4 и крестообразным выступом 24 лицевого механического упора 16 также гасятся.

Для датчика абсолютного давления лицевой механический упор 27 выполняется с замкнутой полостью 28, объем которой вакуумируется в процессе изготовления. В остальном он работает так же, как оборотная сторона датчика для измерения относительного или дифференциального давления.

Канавки 29 на лицевой и 30 на оборотной сторонах ИПД выполнены для предотвращения попадания стекла при соединении деталей ЧЭД.

Погрешности изготовления, сборки и незначительные относительные деформации не влияют на погрешности от взаимного изменение параметров тензорезисторов и механических размеров свойств механических упоров и мембраны ИПД при изменении температуры и абсолютного давления по разные стороны мембраны, которая находится под действием только разности соответствующих давлений, так как указанные параметры, размеры и свойства, например от старения (изменения во времени) материала кремния, изменяются практически одинаково, что позволяет сохранить относительное положение частей мембраны и механических упоров и исключить возникновение не скомпенсированных дополнительных напряжений из-за несинхронного изменения указанных размеров и свойств в процессе эксплуатации датчика.

Микроэлектронный датчик давления с чувствительным элементом, защищенным от перегрузки, содержит корпус - 1, внутри которого установлены: чувствительный элемент давления (ЧЭД) - 2 с интегральным преобразователем давления (ИПД) - 3 с тонкой гибкой симметрично выполненной мембраной - 4 с тензорезисторами - 5, средствами электрических соединений - 6 и контактными площадками - 7, расположенными на лицевой стороне - 8 мембраны - 4, и, по меньшей мере, с тремя жесткими центрами - 9 - на оборотной стороне - 10, и, по меньшей мере, один механический предохранительный упор -11, жестко связанный с периферической частью - 12, ИПД - 3 и с выполненной в нем полостью - 13. А также, по меньшей мере, один канал - 14 с окном - 15 для подвода давления измеряемой среды к полости - 13 механического предохранительного упора - 11. Причем элементы, составляющие ЧЭД - 2, такие как мембрана - 4, ИПД - 3, лицевой - 16 и оборотный - 17 механические упоры, выполнены из одного материала и соединены легкоплавким стеклом - 18 в вакууме. Мембрана - 4 ИПД - 3 выполнена с утолщенной опорной периферической частью - 12, и установлена с возможностью свободного перемещения под действием номинального давления в диапазоне его изменения и контакта, по меньшей мере, одного из жестких центров - 9 с оборотным механическим упором - 17 при превышении номинального давления. Оборотный механический упор - 17 выполнен с симметричным крестообразным выступом - 20, расположенным симметрично продольной - 20 и поперечной - 21 плоскостям симметрии жестких центров - 9 на гибкой мембране - 4 и с прочностью, достаточной, чтобы выдержать перегрузочное давление, превышающее критическое давление разрушения мембраны ИПД и отверстиями - 22, расположенными за пределами проекции выходного окна - 15 канала подвода давления измеряемой среды к тонкой части гибкой мембраны - 4. 3 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Микроэлектронный датчик давления с чувствительным элементом, защищенным от перегрузки, содержащий корпус, внутри которого установлены: чувствительный элемент давления (ЧЭД) с интегральным преобразователем давления (ИПД) с тонкой гибкой симметрично выполненной мембраной с тензорезисторами, средствами электрических соединений и контактными площадками, расположенными на лицевой стороне, и, по меньшей мере, с тремя жесткими центрами - на оборотной стороне мембраны, и, по меньшей мере, один механический предохранительный упор, жестко связанный с периферической частью мембраны ИПД и с выполненной в нем полостью, а также, по меньшей мере, один канал с окном в корпусе для подвода давления измеряемой среды к полости механического предохранительного упора, отличающийся тем, что составляющие элементы ЧЭД выполнены из одного материала и соединены легкоплавким стеклом в вакууме, мембрана ИПД выполнена с утолщенной опорной периферической частью, с возможностью свободного перемещения под действием номинального давления в диапазоне его изменения и контакта, по меньшей мере, одного из жестких центров с механическим упором при превышении номинального давления, а механический упор выполнен с симметричным крестообразным выступом, расположенным симметрично продольной и поперечной плоскостям симметрии жестких центров на мембране и с прочностью, достаточной, чтобы выдержать перегрузочное давление, превышающее критическое давление разрушения мембраны ИПД, и отверстиями, расположенными за пределами проекции выходного окна канала подвода давления измеряемой среды к тонкой части мембраны.

2. Микроэлектронный датчик давления по п. 1, отличающийся тем, что выполнен с чувствительным элементом, защищенным от перегрузки, в котором чувствительный элемент давления имеет лицевой упор, габариты которого меньше расстояния между контактными площадками ИПД, но больше тонкой части мембраны кристалла ИПД.

3. Микроэлектронный датчик давления по п. 1, отличающийся тем, что, выполнен с чувствительным элементом, защищенным от перегрузки, в котором зазор между, по меньшей мере, одним из жестких центров на мембране и поверхностью крестообразного выступа механического предохранительного упора в 1,5-5 раз больше, чем свободное перемещение мембраны ИПД с жесткими центрами при номинальном давлении.

4. Микроэлектронный датчик давления по п. 1 отличающийся тем, что на лицевой и оборотной сторонах ИПД выполнены защитные канавки.