Преобразователь абсолютного давления на основе кнс-структур
Тензопреобразователь предназначен для измерения абсолютного давления жидких и газообразных сред. Тензопреобразователь состоит из стального корпуса 4 с гермопроходниками 5, в котором на эластичный клей 6 установлен чувствительный элемент 1. Чувствительный элемент 1 выполнен в виде анероидной коробочки с упругой мембраной 2 на основе КНС-структуры (кремний на сапфире). К мембране 2 чувствительного элемента 1 припаяна тонкая пластинка КНС-структуры 3, на которой по планарной технологии микроэлектроники сформированы тензорезисторы, токоведущие дорожки и контактные площадки. Чувствительный элемент 1 электрически контактирует с электродами гермопроходников 5 посредством тонких проволочек 7, присоединенных микросваркой. От воздействий окружающей среды чувствительный элемент 1 защищен стальной мембраной 8, приваренной к корпусу 4. Для передачи давления от стальной мембраны 8 к чувствительному элементу 1 внутренний объем тензопреобразователя заполнен кремнийорганической жидкостью 9 через трубку 10. В боковой поверхности корпуса 4 имеется проточка, в которой расположена прокладка 11 для герметизации тензопреобразователя при его монтаже. 2 илл.
Тензопреобразователь абсолютного давления на основе КНС-структуры (кремний на сапфире) относится к измерительной технике, а именно к измерению давления, а также к конструированию и изготовлению датчиков давления, включающих в свою конструкцию тензопреобразователи, выполненные на основе КНС-структуры.
Известны тензопреобразователи давления, использующие КНС-структуру для преобразования измеряемого давления в электрический сигнал (см. тензопреобразователи типа Д, АГБР.408854.001 ТУ, ЗАО «НПК ВИП», г.Екатеринбург).
Известный Тензопреобразователь представляет собой конструкцию, состоящую из титановой мембраны спаянную с тонкой пластиной из лейкосапфира (Аl2О3), на которой, методом эпитаксии нанесен слой монокристаллического кремния из которого методами планарной технологии микроэлектроники и техники анизотропного травления сформированы четыре тензорезистора, соединенных между собой в мост Уитстона алюминиевыми токоведущими дорожками, заканчивающимися контактными площадками. Мембрана приварена к резьбовому штуцеру, на котором установлена диэлектрическая обечайка с электрическими контактами, соединенными микросваркой тонкими проволочками с контактными площадками на мембране.
Принцип работы преобразователя основан на использовании тензорезистивного эффекта. Входным сигналом для преобразователя является давление измеряемой среды, деформирующее мембрану, на которой сформирован мост Уитстона из четырех тензорезисторов. В одну диагональ моста включен источник питания, а с другой диагонали снимается выходной электрический сигнал, пропорциональный механической деформации мембраны от приложенного измеряемого давления.
Известные тензопреобразователи имеют следующие недостатки:
- известная конструкция тензопреобразователя не позволяет применять их для измерения абсолютного давления, так как измерение давления производится относительно атмосферного давления;
- нельзя применять для измерения давления водородных сред, так как материал элементов конструкции тензопреобразователя, контактирующих с измеряемой средой титановый сплав, не предназначенный для работы в водородных средах;
- нельзя применять их для измерения давления электропроводных сред (например, морская вода) при их монтаже в стальную арматуру, что вызывает повышенную коррозию;
- измеряемое давление направлено на отрыв мембраны от штуцера, что уменьшает надежность.
Задачей полезной модели является расширение области применения тензопреобразователей на основе КНС-структуры и повышение надежности конструкции.
Указанная цель достигается тем, что чувствительный элемент тензопреобразователя выполнен в виде свакуумированной анероидной коробочки, установленной в корпус из нержавеющей стали, таким образом, что измеряемое давление направлено на прижим мембраны и изолирован от измеряемой среды стальной мембраной.
На фиг.1 схематично изображен тензопреобразователь абсолютного давления мембранного типа на основе КНС-структуры, разрез по осевой линии.
Тензопреобразователь состоит из чувствительного элемента 1 из титанового сплава, выполненного в виде свакуумированной анероидной коробочки с упругой мембраной 2, спаянной с тонкой пластинкой из лейкосапфира (Аl2 О3) 3, на которой, методом эпитаксии, нанесен слой монокристаллического кремния из которого методами планарной технологии и техники анизотропного травления сформированы четыре тензорезистора, соединенных между собой в мост Уитстона алюминиевыми токоведущими дорожками, заканчивающимися контактными площадками.
Чувствительный элемент 1 приклеен на эластичный клей 6 (в целях исключения монтажных напряжений) в корпус 4 из нержавеющей стали, в котором сформированы вакуум-плотные гермопроходники 5. Электрическая коммутация от чувствительного элемента 1 осуществляется тонкими проволочками 7, приваренными микросваркой к электродам гермопроходников 5 и контактным площадкам чувствительного элемента 1. От воздействий измеряемой среды чувствительный элемент 1 защищен стальной мембраной 8. Передача давления от стальной мембраны 8 к мембране 2 чувствительного элемента 1 осуществляется через кремнийорганическую жидкость 9, которой заполнено внутреннее пространство тензопреобразователя через трубку 10.
В боковой поверхности корпуса 4 тензопреобразователя имеется проточка, в которой расположена прокладка 11 для герметизации тензопреобразователя при его монтаже.
На фиг.2 изображен способ монтажа тензопреобразователя давления, где 1 - тензопреобразователь, 2 - резьбовой штуцер, 3 - гайка для фиксации тензопреобразователя, 4 - прокладка для уплотнения соединения от протекания измеряемой среды.
Предлагаемая конструкция тензопреобразователя позволяет:
- проводить измерение абсолютного давления, так как измерение давления производится относительно вакуума за счет конструктивного исполнения чувствительного элемента в виде свакуумированной анероидной коробочки;
- проводить измерение давления в любых средах не агрессивных по отношению к нержавеющей стали;
- исключить контакт гальванической пары титан-сталь с измеряемой средой и тем самым избежать повышенной коррозии;
- повысить надежность за счет того, что давление измеряемой среды направлено на прижим мембраны чувствительного элемента;
- снизить погрешность измерения от монтажных напряжений за счет того, что мембрана чувствительного элемента жестко не связана с резьбовым штуцером.
Тензопреобразователь, содержащий упругий чувствительный элемент на основе КНС-структуры с тензорезисторами, токоведущими дорожками и контактными площадками, отличающийся тем, что чувствительный элемент выполнен в виде свакуумированной анероидной коробочки, установленной на эластичный клей в стальной корпус с гермопроходниками и электрически контактирующей с гермопроходниками посредством тонких проволочек, присоединенных микросваркой, защищенный от воздействий окружающей среды стальной мембраной, приваренной к корпусу, внутренний объем которого заполнен кремнийорганической жидкостью для передачи давления от стальной мембраны к мембране чувствительного элемента.
