Преобразователь давления Советский патент 1990 года по МПК G01L9/06 

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для измерения давления с одновременным контролем скорости потока газовой среды и является усовершенствованием устройства по авт.св. № 1255879.

Цель изобретения - повышение чувствительности в области малых давлений и получение дополнительной информации о скорости потока газовой среды,

На фиг.1 представлены полупроводниковая пластина с выполненными в ней углублениями, относительное расположение основного и дополнительных углублений, тензорезистора, который одновременно является нагревателем, и термочувствительных элементов; на фиг.2 - преобразователь давления, разрез (разрез сделан в направлении 110 полупроводниковой пластины). Преобразователь содержит полупроводниковую пластину 1, на одной стороне 2 полупроводниковой пластины выполнено первое основное углубление 3 пирамидапь- ной формы, в которой расположен жесткий центр 4, имеющий сферическую форму. На противоположной стороне 5 полупроводниковой пластины 1 сформирован тензочувст- вительный элемент 6, который выполняет еще и функции нагревателя. Преобразователь содержит также геттеры и молекулярные структуры под слоем окисла (не показано).

Полупроводниковая пластина 1 установлена в корпусе 7, где также размещен упругий элемент 8, имеющий поверхность 9, представляющую собой гиперболоид вращения, и углубление 10 в виде полусферы с радиусом, равным радиусу жесткого центра 4. Жесткий центр 4 помещен в указанное углубление 10, в результате чего образуется сопряжение поверхностей сферической формы и гиперболоида вращения. В результате формирования в полупроводниковой пластине 1 дополнительных углублений 11 в форме канавок-треугольного профиля, соединенных с основным углублением, су- щественным образом изменилось относительное положение жесткого центра 4, его поверхность соприкасается в точках контакта не с поверхностями (111) боковых граней основного углубления 3 пирамидальной формы, а с его ребрами, образованными боковыми гранями (111) дополнительных углублений 11, При этом ширина 12 (А) и длина 13 (В) дополнительных углублений 11 удовлетворяют условию ,5-1 /2,5.

Элементами конструктивной схемы заявляемого преобразователя являются также отражатели 14 потока, которые расположены вдоль осей 110 и 110 полупроводниковой пластины 1. На поверхности 5 полупроводниковой пластины 1 методами интегральной микроэлектроники сформированы четыре термочувствительных элемента 15 - 18 на равноудаленных расстояниях от вершины основного углубления 3 напротив осей симметрии дополнительных углублений 11. Эти расстояния I удовлетворяют условию Е (0,23 -0,67)R, где

0 R - радиус сферы жесткого центра 4. Указанные коэффициенты определены исходя из термодинамических условий протекания газовой среды и геометрии полупроводниковой пластины.

5Устройство работает следующим образом.

При изменениях давления газовой среды жесткий центр 4, воспринимая распределенную нагрузку от упругого элемента 8,

0 воздействует на ребра основного углубления 3. Основным отличием предлагаемого изобретения от известного является то, что вектор одной из четырех сил, действующих на ребра, а не на поверхности (111), направ5 лен вдоль векторов 110 Бюргерса, т.е. вдоль плоскостей скольжения, что значительно увеличивает деформационные эффекты в полупроводниковой пластине 1 при единичной нагрузке. То есть при одной и той

0 же величине воздействия будут большие напряжения в кристалле, что и проявляется ка: увеличение чувствительности,

В исходном варианте деформационные эффекты проявляются в результате по5 чижения симметрии кристалла в виде сдвиговых напряжений на поверхности. Но для этого необходимы достаточно большие нагрузки.

В предлагаемом устройстве пониже0 нме жесткости кристалла 1 за счет выполнения дополнительных углублений 11 и при изменении воздействия сил на полупроводниковую пластину обеспечивается повышение чувствительности в области малых

5 величин. Исходя из этого, выбрано соотношение ширины и длины дополнительных углублений 11 ,5-1/2,5.

Пример. При существующих стандартных пластинах кремния (толщина 380 0 420 мкм) и заданных кристаллографических углах технологически возможно выполнить размер (от вершины пирамиды до поверхности 5) 10 - 12 мкм. Уменьшение данного размера ведет к удорожанию кри5 сталлов. В этом случае размер ребра основания пирамиды 3 600 - 700 мкм. Для увеличения чувствительности в диапазоне 0,1 - 0,005 атм. ширина и длина дополнительных углублений имеют размеры 600 - 700 х700 - 1400 мкм. Размер кристалла 1

составит 5000 х х 5000 мкм. Увеличивать размер кристалла не имеет смысла, поскольку зона деформаций будет сосредоточена в указанных диапазонах. Уменьшить размеры возможно, но при сохранении ука- занных соотношений.

Рассмотрим теперь возможность получения дополнительной деформации о скорости потока газовой среды по двум координатам. При размещении преобразователя в потоке газовой среды последний будет обтекать отражатели 14, поверхность гиперболоида вращения упругого элемента 8 и жесткого центра 4, попадая вуглубле- ния 3 и 11. При этом нагреватель включен в схему, аналогичную известной.

Рассмотрим измерение скорости по координате X (фиг.2), измерение по другой ко- ординате аналогично. Протекая над поверхностью углублений, часть потока X несколько охлаждает термочувствительный элемент 15 (16), далее дополнительно получает тепло от нагревателя и передает его термочувствительному элементу 17(18). Ре- ализуется так называемый расходомер поверхностного слоя.

Одним из основных условий точного измерения скорости газового потока является его ламинарность. Поскольку геометрия уг- лублений заранее задана, зона ламинарного течения зависит-от радиуса жесткого центра 4. Выбирая этот радиус, можно регулировать диапазон измерений. Минимальный предел составляет 5-10 см/мин. При

этом расстояние от вершины основного углубления до термочувствительного элемента должно составлять (0,23 - 0,67)R.

При реализации такой совокупности существенных признаков преобразователь приобретает новые технические свойства, широкий диапазон измеряемого давления и измерение скорости потока по двум координатам. Измерение скорости стало возможным вплоть до 5 - 10 см/мин.

Формула изобретения Преобразователь давления по авт.св. № 1255879,отличающийся тем,что,с целью повышения чувствительности и расширения функциональных возможностей путем дополнительного измерения скорости потока газовой среды, в полупроводниковой пластине выполнены дополнительные второе, третье, четвертое и пятое углубления в виде канавок треугольного профиля, каждая из которых соединена с первым углублением и имеет с ним одинаковую глубину, причем ширина А и длина В второго, третьего, четвертого и пятого углублений удовлетворяют соотношению А/В - 1:(1,5 - 2,5), а с противоположной стороны пластины вдоль продольной оси симметрии канавок установлено четыре термосопротивления на одинаковом расстоянии от вер- шины первого углубления, величина которого I определена из соотношения Ј (0,23 - 0,67)R, где R - радиус сферы жесткого центра.

°Ж OW

и

X

N

;/

#w

ли

12

Преобразователь давления относится к измерительной технике, может быть использован для измерения давления с одновременным контролем скорости потока газовой среды и обеспечивает повышение чувствительности измерения давления и получение дополнительной информации о скорости потока газовой среды по двум координатам. Преобразователь содержит полупроводниковую пластину 1, на одной стороне которой выполнено первое основное углубление 3 пирамидальной формы и дополнительные углубления 11 в виде канавок треугольного профиля. На противоположной стороне пластины сформирован тензочувствительный элемент 6, который выполняет также функцию нагревателя газа. Полупроводниковая пластина установлена в корпусе 7, где размещен также упругий элемент 8, имеющий поверхность 9 гиперболической формы и углубление 10 в виде полусферы, в котором размещен жесткий центр сферической формы, опирающийся на ребра, образованные в полупроводниковой пластине 1 углублениями 3 и 11. При этом ширина A и длина B дополнительных углублений удовлетворяют соотношению A/B=1/1,5-1/2,5, что обеспечивает повышение чувствительности измерения малых давлений. На поверхности 5 полупроводниковой пластины сформированы четыре термочувствительных элемента 15-18 на равноудаленных расстояниях L от вершины основного углубления 3 напротив осей симметрии дополнительных углублений, причем расстояния L удовлетворяют условию L=(0,23-0,67)R, где R - радиус сферы жесткого центра. Термочувствительные элементы обеспечивают получение дополнительной информации о скорости потока газа по двум координатам. 2 ил.