Преобразователь давления
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.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ ПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) 1255879 (21) 4441646/24-10 (22) 15.06.88 (46) 07,08.90. Бюл, М 29 (72) В.Л.Августимов, Д.И.Биднык, С.П.Костенко, И.T.Êîãóò и А.В.Насыпайко (53) 531.787 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР М 1255879, кл. G 01 1 9/06, 1986. (54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДАВЛЕНИЯ, (57) 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 „„Я „„1583769 А2 тензочувствительный элемент 6. который выполняет также функцию нагревателя га-. за. 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 А и длина В дополнительныхуглублений удовлетворяют соотношению А/В = 1/1,5 — 1/2,5, что обеспечивает повышение чувствительности измерения малых давлений. На поверхности 5 полупроводниковой пластины сформированы четыре термочуаствительных элемента 15 — 18 на равноудаленных расстояниях (от вершины основного углубления 3 напротив осей симметрии дополнительных углублений, причем расстояния (удовлетворяют условию (= (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. 1583769 Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для измерения давления с одновременным контролем скорости потока газовой среды и является усовершенствованием устройства по авт.св. N 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 пирамидальной формы, в которой расположен жесткий центр 4, имеющий сферическую форму. На противоположной стороне 5 полупроводниковой пластины 1 сформирован тензочувствительный 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 G основным углублением, существенным 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 А/В=1/1,5-1/2,5. Элементами конструктивной схемы заявляемого преобразователя являются также отражатели 14 потока, которые расположены вдоль осей (110) и (110) полу40 35 проводниковой пластины 1, На поверхности 5 полупроводниковой пластины 1 методами интегральной микроэлектроники сформи-. рованы четыре термочувствительных элемента 15 — 18 на равнаудаllåíных расстояниях от вершины основного углубления 3 напротив осей симметрии дополнительных углублений 11, Эти расстояния f, удовлетворяют условию (= (0,23 — 0,67)R, где Я вЂ” радиус сферы жесткого центра 4. Указанные коэффициенты определены исходя иэ термодинамических условий протекания газавой среды и геометрии полупроводниковой пластины, Устройство работает следующим образом. При изменениях давления газовой среды жесткий центр 4, воспринимая распределенную нагрузку от упругого элемента 8, воздействует на ребра основного углубления 3. Основным отличием предлагаемого изобретения от известного является то, что вектор одной из четырех сил, действующих нэ ребра, а не на поверхности (111), направлен 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 >ке величине воздействия будут большие напряжения в кристалле, что и проявляется ках увеличение чувствительности, В исходном варианте деформационные эффекты проявляются в результате понижения симметрии кристалла в виде сдвиговых напряжений на поверхности. Но для этого необходимы достаточно большие нагрузки. В предлагаемом устройстве понижение жесткости кристалла 1 за счет выполнения дополнительных углублений 11 и при изменении воздействия сил на полупроводниковую пластину обеспечивается повышение чувствительности в области малых величин.1Лсходя из этого, выбрано соотношение ширины и длины дополнительных углублений 11 А/В=1/1,5 — 1/2,5. Пример. При существующих стандартных пластинах кремния (толщина 380— 420 мкм) и заданных кристаллогрэфических углах технологически возможно выполнить размер (от вершины пирамиды до поверхности 5) 10 — 12 мкм. Уменьшение данного размера ведет к удорожанию кристаллов. 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 1583769 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- 5 занн ых соотношений. Рассмотрим теперь возможность получения дополнительной деформации о скорости потока газовой среды по двум ко-. 10 ординатам. При размещении преобразователя в потоке газовой среды последний будет обтекать отражатели 14, поверхность гиперболоида вращения упругого элемента 8 и жесткого центра 4, попадая вуглубле- 15 ния 3 и 11. При этом нагреватель включен в схему, аналогичную известной. Рассмотрим измерение скорости по координате Х (фиг.2), измерение по другой координате аналогично. Протекая над 20 поверхностью углублений, часть потока Х несколько охлаждает термочувствительный элемент 15 (16), далее дополнительно получает тепло от нагревателя и передает его термочувствительному элементу 17 (18), Ре- 25 ализуется так называеь ый расходомер поверхностного слоя. Одним иэ основных условий точного измерения скорости газового потока является его ламинарность. Поскольку геометрия уг- 30 лублений заранее задана. зона ламинарного течения зависит от радиуса жесткого центра 4. Выбирая этот радиус, можно регулировать диапазон измерений. Минимальный предел составляет 5 — 10 смlмин. При 35 этом расстояние от вершины основного углубления до термочувствительного элемента должно составлять (0,23 — 0,67)й. При реализации такой совокупности существенных признаков преобразователь приобретает новые технические свойства, широкий диапазон измеряемого давления и измерение скорости потока по двум координатам. Измерение.скорос и стало возможным вплоть до 5 — 10 см/мин. Формула изобретения Преобразователь давления по авт.св. М 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 вершины первого углубления, величина которого 3 определена иэ соотношения 3- (0.23 — 0.67)R, где R — радиус сферы жесткого центра. 1583769 ЧО (по) Составитель А,Зосимов Техред М.Моргентал Корректор М. Самборская Редактор Л.Гратилло Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101 Заказ 2247 Тираж 471 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035; Москва, )К-35, Раушская наб., 4/5
