Датчик давления Советский патент 1992 года по МПК G01L9/04 

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве измерительного прибора получения и преобразования первичного сигнала - давления в электриче- ский сигнал для использования в информационных, контрольных, управляющих и т.д. системах.

Известен полупроводниковый измеритель давления, содержащий полупроводни- ковую мембрану, металлический корпус, металлическое кольцо, изолирующий кольцеобразный элемент, дно с выводами и стеклянными изолирующими спаями, упругий оловяносвязующий промежуточный элемент, отверстие для подачи давления на мембрану через металлическое покрытие и электрический изолирующий слой, множество свя зующих элементов (металлизированных поверхностей и клеевых соединений), чувствительный ктемпературе элемент и тонкопленочные резисторы.

Известный измеритель давления имеет сложную конструкцию и технологию изготовления, вызванные наличием множества деталей и узлов, их соединениями друг с другом с помощью промежуточных элементов. Кроме того, данный измеритель представляет не завершенный датчик давления, а ишь мембранный модуль, оформленный конструктивно в вышеописанном конструктивном исполнении т.е. представляет собой лишь измерительный преобразователь, а не датчик. В данном измерителе отсутствует электронный блок усиления сигнала, вследствие чего величина его выходного сигнала мала. Массогабаритные параметры и стоимость высоки, диапазон измерения невелик. Его диапазон измерения невелик, т.к. содержит один мембранный модуль, ко- торый имеет свой зафиксированный расчет- ный диапазон измерения, вне этого интервала измерения работа или метрологические характеристики датчика не гарантируются.

Известен также тензометрический датчик давления, содержащий диафрагму сложной формы, корпус, штуцер, дополнительную диафрагму, образующую герме- тичную эталонную камеру, плату с

компонентами электрической схемы, крышку.

Недостатками данного датчика являются: сложность конструкции (многочисленные детали и узлы) и высокие массогабаритные параметры, стоимость и сложность технологии изготовления. Например, длина, диаметр и масса этого датчика составляют 73,5, 24,5 мм и 100 гр соответс.твенно. Диапазон измерения сравнительно невелик. Наиболее близким аналогом - прототипом предлагаемого микродатчика давления является промыш- ленно выпускаемый у нас в стране преобра- зователь гидростатического давления Сапфир-22ДГ. Однако этот преобразователь крайне сложен, содержит большое количество деталей и узлов, имеет большие габариты и массу. Например, его габариты составляют 190 х 223 х 258 мм, масса - 13,6 кг У предлагаемого микродатчика аналогичные параметры составляют ф 20 х32 мм и масса не более 50 гр. Стоимость преобразователей Сапфир-22 составляет 600 руб и более.

Как и у прототипа, так и у указанных аналогов диапазон измерения невелик по тем ж.е причинам - наличием одной мембраны со своим фиксированным диапазоном измерения, выше которого ломается мембрана, а ниже не обеспечивается необкоди- мые метрологические характеристики. Для измерения объектов с широко изменяемым диапазоном давлений потребуется некоторое количество датчиков с разными пределами измерений, что практически делает данное измерение невозможным.

Целью изобретения является расширение диапазона измерения с одновременным повышением технологичности изготовления, уменьшения массы габаритов датчиков давления, уменьшения стоимости и повышения надежности датчика.

Эта цель достигается тем, что устройство снабжено дополнительными мембранными модулями с интегральными тензорез исторами и таким же числом электронных блоков преобразования сопротивления тензорезисторов в электрический сигнал, при этом корпус выполнен в виде полого штуцера, имеющего со стороны одного торца элемент для захвата ключом, а со стороны другого торца - элемент для крепления к измеряемому объекту, причем внутри штуцера посредством герметической заделки помещено основание, на котором размещены мембранные модули, электронные блоки и гермовводы, при этом мембранные модули расположены на площадках, выполненных на основании, а мембраны сообщены с измеряемой средой посредством каналов, выполненных в основании. Кроме того, в устройстве мембранные модули снабжены защитными пластинами с зазорами, равными максимальному прогибу мембраны.

На фиг. 1-3 дан предлагаемый датчик в различных проекциях; на фиг. 4-6 - модификация устройства в проекциях.

Датчик давления содержит основание 1 с выводами 2 с одной торцовой стороны и фигурным отверстием 3 (например Г-образ- ным, как показано на фиг 2 или Т-образным, как показано на фиг. 4) со стороны противоположного торца основания, мембранный модуль 4, закрепленный над отверстием 3, электронный блок 5, также закрепленный на боковых поверхностях основания 1, корпус 6. закрепленный к основанию. Между основанием 1 и корпусом 6 образована область (полость) эталонного давления 7, где, собственно, расположены мембранный модуль 4 и электронный блок 5. Мембранный модуль 4 представляет собой пластинку из монокристалла кремния с интегральной измерительной схемой на поверхности, а электронный блок - печатную плату из по- лиимидной пленки или микросборку на си- талловой подложке с выполненными на них электрическими компонентами - резисторами, диодами, операционными усилителями и т.д. Мембранный модуль 4 закреплен к поверхности 1ж и 1з основания 1 с помощью связующего состава 8. Для компенсации температурных погрешностей измерения необходимо выбрать материалы основания 1 и связующего состава 8 с близкими температурными коэффициентами линейного расширения к аналогичному коэффициенту кремниевой мембраны. Электронный блок 5 может быть закреплен к основанию с помощью известных способов закрепления. К основанию 1 закреплены несколько мембранных модулей 4 с различными толщинами мембран для измерения широкого диапазона давлений. При этом они снабжены защитными пластинами 9, а зазор h между мембраной и защитной пластиной 9 должен быть расчитан на определенную величину прогиба для данного

мембранного модуля Конструкция фигурных отверстий 3 продиктована несколькими соображениями. Во-первых, для предохря нения мембраны от поломки при прямом попадании острого предмета в отверстие, во-вторых, зависит от требуемого количества закрепляемых мембран. Боковая поверхность основания 1 со стороны отверстия для подачи давления выполнена в виде многогранной фигуры для закрепления нескольких мембран. На внешних поверхностях обоих торцов основания 1 по их периметру и ближе к краям выполнены углубления (кольцевые канавки) 10, образующие тонкие

кольцевые стенки 11 и 12 в торцах основания и корпуса для дальнейшей приварки их друг к другу лазерным или электронным лучом или другим известным способом для образования герметичной полости 7. Бокоаые поверхности 1а, 16, 1в и 1г основания, ориентированные перпендикулярно к торцовым поверхностям 1д и 1е,предназначены для закрепления плат электронного блока. Число поверхностей 1а, 16, 1в и 1г

центральной части основания может быть п 3, т.е. центральная часть может представлять собой многогранник или цилиндрическую поверхность при п . Электронный блок выполнен на базе пленочных или навесных резисторов, активных элементов - операционных усилителей и диодных матриц. Ниже поверхностей 1а, 16,1 в и 1г сформированы поверхности 1ж и 1з для закрепления мембран. Число поверхностей

также может быть п 3. Корпус 6 выполнен в виде штуцера (с резьбой или в виде елочной конструкции), в полость которого вставляется основание в сборе. На торцовых поверхностях корпуса, как и на торцах

основания, выполнены канавки, но уже непосредственно у внутренних диаметров, образующие стенки 13 и 14, по которым корпус приваривается к основанию. Со стороны гермовводов в корпусе выполнен элемент

крепления для захвата ключом, в частности, в форме гайки под ключ. В датчике давления выполнено отверстие 16 для вакуумирова- ния полости 7 При необходимости создания микродатчика относительного давления отверстие не заваривается В торце 1д выполнены отверстия, в которые вставлены выводы 2 микродатчика и прикреплены к основанию с помощью стекла (или гермети- ка),образуя, таким образом, гермовводы, В

торце 1е выполнено фигурное отверстие 3 для подачи давления измеряемой среды на мембрану.

Таким образом в конструкции устройства осуществлена высокая степень интеграции механических и электрических компонентов. Например, основание 1 выполняет функции несущей конструкции мембраны и электронного блока, канала дТГя гШдачи давления, гермовводов - разъема и крышки (торец и гермовводзми), корпус 6 выполняет функции крышки для предохранения электронного блока и мембранного модуля, крышки для создания полости для электронного блока и мембраны, штуцера для закрепления микродатчика к измеряемому объекту и крепежного элемента.

Датчик давления работает следующим образом. Предварительно он закрепляется на измеряемый объект, т.е. корпус 6 датчика ввинчивается в измеряемый объект. Гер- мовводы 2 подключаются к источнику питания W вторичной аппаратуре, например к индикатору (на чертежах не показаны). При подаче измеряемой среды (т.е. давления) она по фигурному отверстию 3 попадает на мембранный модуль 4 Мембрана деформируется, в результате чего в ней появляются механические напряжения,которые приводят к разбалансу измерительной схемы. В результате этого разбаланса на выходе мембранного модуля появляется выходной сигнал в виде напряжения или тока, пропорциональный измеряемому давлению. Этот электрический сигнал усиливается электронным блоком 5 и через гермовводы 2 подается на вторичную аппаратуру.

Подаваемое давление одновременно попадает на все мембранные модули, при этом измеряемый диапазон совпадает с расчетным диапазоном одной из мембран (работают то все мембранные модули). При этом она дает максимальный выходной сигнал. Далее, при повышении дааления мембрана с минимальной толщиной упирается в

защитную пластину и отключается от измерительной схемы, при этом включается в измерительную схему следующая, более толстая мембрана и т.д.

Таким образом, благодаря выполнению

мембранного модуля и электронного блока микрозлектронной технологией и совмещению их на едином основании, снабженным гермовводами и фигурным входным отверстием, а также совмещению функции корпуса и штуцера создается возможность изготовления малогабаритного, легкого, дешевого и надежного датчика давления жидкостей и газов с широким диапазоном

измерения.

По сравнению с прототипом предлагаемое устройство имеет габариты на порядок меньше, массу на два порядка меньше(в450 раз) и в 20-25 раз меньшую стоимость.

Формула изобретения Датчик давления, содержащий мембранный модуль с интегральными тензоре- зисторами, электронный блок

преобразования сопротивления тензоре- зисторов в электрический сигнал, основание, корпус и гермовводы, отличающий- с я тем, что, с целью расширения диапазона измерения, он снабжен дополнительными мембранными модулями с интегральными тензорезисторами и таким же числом электронных блоков преобразования, при этом мембранные модули, электронные блоки и гермовводы размещены на

основании, причем мембранные модули закреплены на плоских площадках, выполнен- ных в основании, которое снабжено подводящими сквозными каналами и снабжены защитными пластинами с выемками,

глубина которых ровна максимальному прогибу мембраны.

Использование, изобретение относится к измерительной технике, в частности к преобразователям, и может быть использовано для измерения давления жидкостей и газов. Цель изобретения - расширение диапазона измерения. Сущность изобретения: датчик давления содержит мембранное модули 4 (их число может быть п 2:1) с интегральными тензорезисторами и снабжены они защитными пластинами 9, имеющими выемки, глу- бины которых равны максимальным прогибам соответствующих мембран. Датчик также снабжен электронными блоками 5 для каждого мембранного модуля или одним электронным блоком для работы со всеми мембранными модулями поочередно

l-гяф

//

сЛ-jlUU

/У