Датчик давления и способ его изготовления Советский патент 1992 года по МПК G01L9/04 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к тензорезистор- ным датчикам, предназначенным для использования в различных областях науки и техники, связанных с измерением давле- ния в условиях воздействия повышенных температур и виброускорений.

Известен датчик давления, содержащий корпус, упругий элемент в виде жест- козащемленной мембраны с опорным основанием, на которой сформирован диэлектрический слой с тензорезисторами и контактными площадками, контактную колодку, контакты которой размещены на ее периферии перпендикулярно поверхности упругого элемента и частично расположенные на поверхности контактных площадок и диэлектрика упругого элемента плоские выводные проводники, соединяющие контактные площадки с контактами колодки.

Недостатком конструкции является низкая технологичность, связанная с необходимостью использования драгметаллов для изготовления контактных площадок и плоских выводных проводников. Кроме того, низкая технологичность объясняется сравнительно высокой трудоемкостью операции при- соединения выводных проводников к контактным площадкам и контактной колодке.

Нагревостойкость конструкции невысо- ка вследствие невозможности использования для изготовления контактных площадок и выводных проводников тугоплавких материалов из-за трудности их соединения обычными видами сварки. Недостатком дат- чика давления является также низкая виброустойчивость, связанная с обрывом в процессе эксплуатации датчика плоских выводных проводников вследствие недостаточной прочности как самих проводников, так и места их закрепления.

Известен способ изготовления датчика давления, заключающийся в обработке и полировании поверхности мембраны, нанесении на него диэлектрического слоя, форми- ровании на нем тензочувствительной схемы с контактными площадками, присоединении контактной колодки к опорному основанию упругого элемента и присоединении выводных проводников к контактным площадкам колодки.

Недостатком способа является невозможность изготовления датчика давления с необходимой технологичностью, нагрево- стойкостью и виброустойчивостью.

Наиболее близким к изобретению является датчик давления, содержащий вакуу- мированный корпус, мембрану с опорным основанием, на поверхности которой нанесен слой диэлектрика с тензорезисторами и

размещенными на опорном основании контактными площадками с плоскими выводными проводниками, соединяющими контакты гермоколодки с контактными площадками, а гермоколодка выполнена в виде цилиндрической втулки с фланцем, на поверхности которого нанесен диэлектрик, и в нем выполнены окна, в которых расположены торцы контактов, которые соединяются с выводными проводниками.

Недостатком известной конструкции является низкая технологичность, связанная с необходимостью использования драгметаллов для изготовления контактных площадок и плоских выводных проводников. Кроме того, низкая технологичность объясняется сравнительно высокой трудоемкостью и невысоким выходом годных из- за наличия большого брака при операции присоединения выводных проводников к контактным площадкам и контактам колодки. Нагревостойкость известной конструкции невысока вследствие невозможности использования для изготовления контактных площадок и выводных проводников тугоплавких материалов из-за трудности их соединения обычными видами сварки в результате повреждения диэлектрической планки. Недостатком известного датчика является также низкая виброустойчивость, связанная с обрывом в процессе эксплуатации датчика плоских выводных проводников вследствие небольшой механической прочности как самих проводников, так и места соединения выводных проводников с контактными площадками или контактами колодки. Конструкция имеет сравнительно большие габариты, связанные с неоправданным увеличением поперечных размеров, которые определяют размеры датчиков.

Известен способ изготовления датчика давления, заключающийся в формировании на мембране и на фланце колодки слоя диэлектрика с тензоэлементами и контактными площадками и присоединении к ним и контактам гермоколодки выводных проводников.

Недостатком известного способа изготовления является невозможность изготовления датчика давления с необходимой технологичностью, нагревостойкостью, виброустойчивостью и приемлемыми габаритами.

Цель изобретения - повышение технологичности, нагревостойкости, виброустойчивости и уменьшение габаритов за счет устранения необходимости применения драгметаллов, снижения трудоемкости, повышения выхода годных после операции присоединения выводных проводников,

возможности использования для изготовления контактных площадок и выводных проводников более тугоплавких материалов, возможности использования более прочных выводных проводников и увеличения прочности закрепления выводных проводников на контактных площадках и контактах колодки, возможности уменьшения поперечных размеров датчика.

Указанная цель достигается тем, что в датчике давления, содержащем вакуумиро- ванный корпус, мембрану с опорным основанием, на поверхности которой нанесен слой диэлектрика с тензорезисторами, размещенными на опорном основании контактными площадками с плоскими выводными проводниками, соединяющими контактные площадки с контактами колодки, контактные площадки размещены на одинаковом расстоянии от центра мембраны и одна от другой, а плоские выводные проводники частично расположены между мембраной и дополнительным диском, покрытом по периферии со стороны мембраны диэлектриком с контактными площадками, расположенными зеркально симметрично контактным площадкам мембраны, а на противоположной стороне диска в области размещения выводных проводников выполнены выступы, размеры которых равны размерам части выводных проводников, размещенных между мембраной и диском, и между выступами на одинаковом расстоянии от них выполнены радиально расположенные утолщения, пересекающиеся в центре диска, причем границы утолщений выполнены в виде идентичных частей одинаковых окружностей с центрами, расположенными в центре каждого выступа, а на стороне диска, прилегающей к мембране, выполнена выемка глубиной не менее максимального прогиба мембраны, и толщина диска в зоне между выступами и утолщениями выполнена по соотношению

у л Ag- а b аПр R Е с (п - arccosb/2R)

где

А-3(1 V) К2-1 Ш2К . Я 4К2 К2-1Ь

К

2R а +Ь

R - радиус границы утолщения; а - ширина выводных проводников; b -длина части выводных проводников, размещенной между мембраной и диском;

fi - коэффициент Пуассона диска; оЬр - предел-пропорциональности диэлектрической пленки при максимальной температуре датчика;

Е - модуль упругости диска;

с - толщина выводных проводников. При способе изготовления, заключающемся в формировании на мембране слоя диэлектрика с тензоэлементами и контактными площадками и присоединении к ним и контактам гермопроходника выводных проводников, формируют на периферии дополнительного диска слой диэлектрика с контактными площадками, после размещения выводных проводников на контактных площадках прижимают диск к мембране усилием, приложенным к центру диска до касания диском мембраны вне выводных проводников, жестко закрепляют диск на

мембране в этих областях, вакуумируют, герметизируют датчик, нагревают датчик до максимальной рабочей температуры, выдерживают при этой температуре не менее 30 мин и охлаждают его.

На фиг.1 изображен предлагаемый датчик давления, общий вид; на фиг.2 - вид А на фиг.1; на фиг.З - вид Б на фиг.2; на фиг.4 - диск в недеформируемом состоянии.

Датчик давления содержит вакуумированный корпус 1 и мембрану 2 с опорным основанием 3. На поверхности мембраны нанесен слоя диэлектрика 4 с транзисторами 5, соединенными в мостовую схему, и размещенными на опорном основании контактными площадками 6 с плоскими выводными проводниками 7, соединяющими контактные площадки с контактами 8 гермо- колодки. Контактные площадки размещены на одинаковом расстоянии от центра мембраны и одна от другой. Плоские выводные проводники частично расположены между мембраной и дополнительным диском 9, покрытым в периферий со стороны мембраны диэлектриком 10, с контактными площадками 11, расположенными зеркально симметрично контактным площадкам мембраны. На противоположной стороне диска в области размещения выводных проводников выполнены выступы 12, размеры которых

равны размерам части выводных проводников, размещенных между мембраной и диском. Между выступами на одинаковом расстоянии от них выполнены радиально расположенные утолщения 13, пересекающиеся в центре диска. Границы 14 утолщений выполнены в виде идентичных частей окружностей с центрами, расположенными в центре 15 каждого выступа. На диске со стороны мембраны выполнена выемка. Толщина диска в зоне между выступами и утолщениями выполнена по соотношению. При ,25 мм, MM; ,2 мм, /г 0,3, ,2 мм, Опр 90 МПа, ,1 107 МПа толщина диска в зоне между выступами и утолщениями равна 0,1 мм.

Упругий элемент изготовлен из сплава 70НХБМЮ. Диэлектрическая пленка из композиции SiO толщиной 1 мкм, тонкопленочные тензорезисторы выполнены в виде композиции вольфрам-рений. Контактные площадки выполнены в виде композиций молибден-никель толщиной 0,1 мкм. Выводные проводники выполнены в виде фольги из сплава 70НХБМЮ. Контакты гермопроходников выполнены из молибденового сплава.

Способ реализуется следующим образом.

Методами тонкопленочной технологии формируют на мембране слой диэлектрика с тензоэлементами и контактными площадками. Аналогичными методами формируют на дополнительном диске слой диэлектрика с контактными площадками. Размещают выводные проводники на контактных площадках. Прикладывают к центру диска усилие, направленное в сторону мембраны, прижимая тем самым утолщения к мембране до соприкосновения диска в областях расположения утолщений. Вакуумируют и герметизируют датчик, нагревают датчик до максимальной рабочей температуры, выдерживают при этой температуре не менее 30 мин и охлаждают его до полного восприятия датчиком температуры нормальных климатических условий.

Датчик давления работает следующим образом.

При воздействии на мембрану измеряемого давления в ней возникают радиальные и тангенциальные деформации. В результате воздействия деформаций сопротивления тензорезисторов изменяются пропорционально деформациям. Изменение сопротивлений тензорезисторов преобразуется мостовой схемой в электрический сигнал, который подается через выводные проводники на контакты гермопроходника. При воздействии повышенной температуры вследствие применения тугоплавких материалов для изготовления контактных площадок и выводных проводников диффузия материалов контактных площадок и выводных проводников существенно меньше, чем у прототипа, вследствие чего датчик может эксплуатироваться при более высоких температурах. При воздействии повышенных виброускорений вследствие большой прочности присоединения выводных проводников к контактным площадкам мембраны и большей прочности самих выводных проводников (вследствие возможности применения более прочных материалов) виброустойчивость выше, чем у прототипа. Контактные площадки размещены на одинаковом расстоянии от центра мембраны и одна от другой для обеспечения одина0 ковости. приложенных усилий и вследствие этого одинакового качества соединений выводных проводников, а следовательно, повышения технологичности, нагревостой- кости, виброустойчивости и уменьшения га5 баритов. Плоские выводные проводники частично расположены между мембраной и дополнительным диском для обеспечения возможности замены контактной сварки выводных проводников, с контактными

0 площадками диффузионной сваркой. Дополнительный диск покрыт со стороны мембраны диэлектриком для обеспечения необходимого сопротивления изоляции. На диэлектрике дополнительного диска разме5 щены зеркально симметрично контактным площадкам мембраны дополнительные контактные площадки для повышения качества соединения выводных проводников, так как диффузионное соединение выводных про0 водников осуществляется в этом случае по их обеим поверхностям, что повышает технологичность, нагревостойкость, виброустойчивость и позволяет уменьшить габариты. Выполнение на противополож5 ной стороне диска в области размещения выводных проводников выступов позволяет сохранить необходимую площадь контактирования контактных площадок и выводных проводников. В случае отсутствия этих вы0 ступов в результате деформации диска при воздействии на него прижимающего усилия в месте сопряжения выводных проводников с диском наблюдается прогиб диска. В результате площадь соприкосновения умень5 шается, что ухудшает характеристики контактирования. Размеры выступов равны размерам части выводных проводников, размещенных между мембраной и диском. В случае, если размеры выступов меньше

0 размеров части выводных проводников, размещенных между мембраной и диском, в местах соприкосновения диска с выводными проводниками наблюдаются прогибы диска, а следовательно, уменьшается площадь

5 соприкосновения контактных площадок и выводных проводников, характеристики датчика ухудшаются. В случае, если размеры выступов больше размеров части выводных проводников, неоправданно увеличиваются размеры пластины, а следовательно, и датчика в целом. Расположение утолщений между выступами на одинаковом расстоянии от них также преследует своей целью обеспечение равномерного усилия на выводные проводники. Причем для обеспечения возможности создания равномерных усилий приложением прижимающей силы только в одной точке ее приложения (а именно, в центре диска) выступы должны быть радиально расположенными и пересекающимися в центре диска. Выполнение границы утолщений в виде идентичных частей одинаковых окружностей с центрами, расположенными в центре выступа, позволяет обеспечить идентичность усилий, воздействующих на выводные проводники. Кроме того, такое выполнение границы позволяет увеличить зону закрепления диска к мембране. Выполнение выемки на стороне диска, прилегающей к мембране, глубиной не менее максимального прогиба мембраны позволяет обеспечить свободный прогиб мембраны при воздействии максимального измеряемого давления.

Рассматривая часть диска, заключенную между выступами и утолщением, как мембрану с жестким центром можно записать величину прогиба выступа

Коэффициент К определим исходя из отношения, площади части диска, заключенного между выступом и утолщением, в случае полностью замкнутой окружно- сти утолщения и в случае фактического состояния. В случае полностью замкнутой окружности площадь части будет равна S я- R2

В случае фактического состояния с 2яг-2сГ р2 5Ф2л Я К

Отношение площадей равно

я

3 1л jtft2 Зф

In - la п-а Рассматривая более подробно фиг.2, b

2R

можно записать

COSG Отсюда

a arccos7JJ3 Тогда отношение площадей будет равно

JL

Зф

п

п - arccos b/2R

Изобретение относится к тензорези- сторным датчикам давления и способам их изготовления и позволяет повысить технологичность, виброустойчивость, теплоустойчивость и уменьшить габариты датчика. Для этого в датчике давления, содержащем ва- куумированный корпус 1, мембрану 2 с опорным основанием 3, на поверхности которой нанесен слой диэлектрика 4 с тензо- резисторами 5, соединенными в мостовую схему, и размещенными на опорном основании контактными площадками 6с плоскими выводными проводниками 7, соединяющи 1/8 ми контактные площадки 6 с контактами 8 колодки, выводные проводники 7 закреплены на контактных площадках 6 при помощи дополнительного диска 9, на прилегающей к мембране стороне которого нанесен диэлектрический слой 10 и выполнены контактные площадки 11, а на противолежащей стороне - выступы 12 и утолщения. Способ изготовления датчика включает в себя формирование на мембране слоя диэлектрика с тензорезисторами и контактными площадками, присоединенние к ним и контактам гермоколодки выводных проводников, а также формирование на периферии дополнительного диска слоя диэлектрика с контактными площадками. После размещения выводных проводников на контактных площадках прижимают диск к мембране усилием, приложенным к центру диска до касания диском с мембраны вне выводных проводников, жестко закрепляют диск на мембране в этих областях размещения утолщений, вакуумируют, герметизируют датчик, нагревают датчик до максимальной рабочей температуры, выдерживают при этой температуре 30 мин и охлаждают его. 2 з.п.ф-лы, 4 ил. 75 12 жшжш дг jsssvggss w е VI |Ю 1 СО Фиг.1

too Ki AQe-R2

E -fr

где - прогиб выступа;

Ki - коэффициент, учитывающий незамкнутость утолщения;

-3(1 )гкЗ-1 1п2К2 . . QЯ - 4К . ;

Го

R - радиус границы утолщения;

, a +b .

a - ширина выводного проводника;

b - длина части выводного проводника, размещенного между мембраной и диском.

В нашем случае прогиб выступа равен толщине токоподвода:

OJo С.i

Преобразуя соотношение для прогиба выступа, получим

h

Ук1Щ

Е

30

т.е.

КТ

Л

я -arccos b/2R

Для обеспечения диффузионной сварки выводных проводников с контактными площадками давление должно устанавливаться в зависимости от предела пропорциональности диэлектрических пленок мембраны и дополнительного диска. Это связано с тем, что при превышении напряжений в диэлектрической пленке величины предела пропорциональности в ней появляются

остаточные напряжения, которые с течением времени ухудшают диэлектрические характеристики пленки (сопротивление .изоляции и т.д.).

Для обеспечения необходимого давлеимя к каждому диффузионному соединению необходимо приложить усилие, равное произведению площади на предел текучести, т.е.

0 S ohp . Подставляя значение ©в ранее полученное соотношение для толщины пластины между выступом и утолщением, получаем

1г А0- 5 -ffn p R2 Е c(jr-arccosb/2R)

Формирование на периферии дополнительного диска слоя диэлектрика контактными площадками необходимо для изоляции выводных проводников и для улучшения диффузионного соединения. Прижатие диска к мембране усилием, приложенным к центру диска, до соприкосновения диска в областях расположения утолщений с мембраной позволяет существенно повысить технологичность, так как в отличие от прототипа при предлагаемом способе отсутствует необходимость точного задания усилия, так как необходимое усилие автоматически выполняется в момент сопротивления диска с мембраной. Вакуумирование и герметизация датчика необходима для обеспечения технических характеристик датчика и одновременно создают предпосылки для качественного соединения выводных проводников с контактными площадками.

Нагревание датчика до максимальной рабочей температуры создает предпосылки для диффузионного соединения выводных проводников с контактными площадками. Экспериментально установлено, что при проведении качественно диффузионной сварки достаточно времени выдержки при повышенной температуре не менее 30 мин.

Тензорезисторные датчики, выполненные в соответствии с предлагаемым решением, работоспособны при 500°С, а тензорезисторные датчики, изготовленные в соответствии с прототипом, работоспособны при температурах не более 400°С. Виброустойчивость предлагаемой конструкции достигает 90000 м/с2, тогда как виброустойчивость датчика по прототипу не превышает 70000 м/с2.

Выход годных после операции соединения выводных проводников при выполнении датчика в соответствии с предлагаемым решением составляет 90%, а при выполнении в соответствии с прототипом не превышает 75%. Кроме того, в решении по прототипу необходимо применение для выполнения контактных площадок и выводных проводников драгоценных металлов, а в предлагаемом решении такой необходимости нет. Изобретение позволяет также уменьшить трудоемкость выполнения сборки датчика вследствие сравнительно простой возможности автоматизации в случае применения весьма несложных фиксаторов разложения за счет элементарных лысок.

При выполнении датчика в соответствии с предлагаемым решением становится возможным изготовление тензорезистор- ных датчиков с посадочной резьбой М12, тогда как датчики (те же пределы измерения) в соответствии с прототипом выполняются с посадочной резьбой М18.

Таким образом, технико-экономическими преимуществами изобретения по сравнению с прототипом являются увеличение нагревостойкости более чем в 1,25 раза и увеличение виброустойчивости в 1,28 раза, повышение технологичности и уменьшения габаритных размеров в 1,3 раза за счет устра0 нения необходимости применения драгметаллов, снижения трудоемкости, повышения выхода годных после операции присоединения выводных проводников, возможности использования для изготовления контактных

5 площадок и выводных проводников тугоплавких материалов, возможности использования более прочных выводных проводников и увеличения прочности закрепления выводных проводников на контактных площадках и

0 контактах колодки, возможности уменьшения поперечных размеров датчика. Формула изобретения 1. Датчик давления, содержащий вакуу- мированный корпус, мембрану с опорным

5 основанием, на поверхности которой нанесен слой диэлектрика с тензорезисторами, соединенными в мостовую схему, и размещенными на опорном основании контактными площадками с плоскими выводными

0 проводниками, соединяющими контактные площадки с контактами гермоколодки, о т- личающийся тем, что, с целью повышения технологичности, нагревостойкости, виброустойчивости и уменьшения габари5 тов, контактные площадки размещены на одинаковом расстоянии от центра мембраны одна от другой, а плоские выводные проводники частично расположены между мембраной и дополнительным диском,

0 покрытым по периферии со стороны мембраны диэлектриком с- контактными площадками, расположенными зеркально симметрично контактным площадкам мембраны, а на противоположной стороне диска

5 в области размещения выводных проводников выполнены выступы, размеры которых равны размерам части выводных проводников, размещенных между мембраной и диском, и между выступами на одинаковом

0 расстоянии от них выполнены радиально расположенные утолщения, пересекающиеся в центре диска, причем границы утолщений выполнены в виде идентичных частей одинаковых окружностей с центрами, рас5 положенными в центре каждого выступа, а на стороне диска, прилегающей к мембране, выполнена выемка глубиной не менее максимального прогиба мембраны, и толщина диска в зоне между выступами и утолщениями выполнена по соотношению

/JT Ад- а b Стпр R2 h F Е с (л - arccosb/2R)

где

д-3(1 -У)гК2-1 : ln2K ,.

Л9Я 4К2К2 1Ь

к

2R а +Ь

R - радиус границы утолщения; ,. - - - а - ширина выводных проводников; Ь длина части выводных проводников, 15 размещенной между мембраной и диском; fi - коэффициент Пуассона диска; ohp - предел пропорциональности диэлектрической пленки при максимальной температуре датчика;20

Е - модуль упругости диска;

Вид А

/3

10

- - , 15 20

с - толщина выводных проводников.

/

// 9

Вид Б

Фиг.З

Жг

ftv. 4