Датчик давления и способ его изготовления

 

Изобретение относится к тензорезисторным датчикам давления и способам их изготовления и позволяет повысить технологичность , виброустойчивость, теплоустойчивость и уменьшить габариты датчика. Для этого в датчике давления, содержащем вакуумированный корпус 1, мембрану 2 с опорным основанием 3, на поверхности которой нанесен слой диэлектрика 4 с тензорезисторами 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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 011 9/04

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

iV

V О

Фиг.1 (21) 4805346/10 (22) 23.03.90 (46) 07.03,92. Бюл. KL 9 (71) Научно-исследовательский институт физических измерений (72) Е.М.Белозубов (53) 531.787 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 224729, кл. G 01 1 9/04, 1967.

Авторское свидетел ьство СССР

М 297380, кл. G 01 L 9/04, 1969. (54) ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ И СПОСОБ ЕГО

ИЗГОТОВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к тензореэисторным датчикам давления и способам их изготовления и позволяет повысить технологичность,виброустойчивость,теплоустойчивость и уменьшить габариты датчика, Для этого в датчике давления, содержащем вакуумированный корпус 1, мембрану 2 с опорным основанием 3, на поверхности которой нанесен слой диэлектри ка 4 с тензорезисторами 5, соединенными в мостовую схему, и размещенными на опорном основании контактными площадками 6 с плоскими выводными проводниками 7, соединяющи„„Я „„1717978 А1 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.

1717978

Изобретение относится к измеритель- размещенными на опорном основании конной технике, в частности к тензорезистор- тактными площадками с плоскими выводныным датчикам, предназначенным для ми проводниками, соединяющими контакты использования в различных областях науки гермоколодки с контактными площадками, и техники, связанных с измерением давле- 5 а гермоколодка выполнена в виде цилиндния в условиях воздействия повышенных рическойвтулкисфланцем, на поверхности температур и виброускорений, которого нанесен диэлектрик, и в нем выполИзвестен датчик давления, содержа- нены окна, в которых расположены торцы щии Koðïóc, уп орпус упругий элемент в виде жест- контактов, которые соединяются с выводныкозащемленной мембраны с опорным 10 ми проводниками. основанием, на которой сформирован диэ- Недостатком известной конструкции лектрический слой с тензорезисторами и является низкая технологичность, связанконтактными площадками, контактную ко- ная с необходимостью использования драгл к контакты которой размещены на ее металлов для изготовления контактных лодку, конт периферии перпендикулярно поверхности 15 площадок и плоских выводных пров д во ниуп ругого элем о о элемента и частично расположен- ков. Кроме того, низкая технологичность ные на.поверхности контактных площадок и объясняется сравнительно высокой трудодиэлектрика упругого элемента плоские вы- емкостью и невысоким выходом годных изводные проводники, соединяющие контакт- за наличия большого брака при операции ные площадки с контактами колодки. 20 присоединения выводных проводников к

Недостатком конструкции является контактным площадкам и контактам колоднизкая технологичность, связанная с необ- ки. Нагревостойкость известной конструкходимостью использования драгметаллов ции невысока вследствие невозможности для изготовления контактных площадок и использования для изготовления контактплоских выводных проводников. Кроме того, 25 ных площадок и выводных проводников тунизкая технологичность объясняется сравни- гоплавких материалов из-за трудности их тельновысокойтрудоемкостьюоперации при- соединения обычными видами сварки в ресоединения выводных проводников к зультате повреждения диэлектрической контактным площадкам и контактной колодке. планки. Недостатком известного датчика

Нагревостойкость конструкции невысо- 30 является также низкая виброустойчивость, ка вследствие невозможности использова- связанная с обрывом в процессе эксплуатаниядля изготовления контактных площадок ции датчика плоских выводных проводнии выводных проводников тугоплавких мате- ков вследствие небольшой механической риалов из-за трудности их соединения прочности как самих проводников, так и меобычнымивидамисварки. Недостаткомдат- 35 ста соединения выводных проводников с чика давления является также низкая виб- контактными площадками или контактами роустойчивость, связанная с обрывом в колодки. Конструкция имеет сравнительно процессе эксплуатации датчика плоских вы- большие габариты, связанные с неоправданводных проводников вследствие недоста- ным увеличением поперечных размеров, коточной прочности как самих проводников, 40 торые определяют размеры датчиков, так и места их закрепления. Известен способ изготовления датчика

Известен способ изготовления датчика давления, заключающийся в формировании давления, заключающийся в обработке и на мембране и на фланце колодки слоядиэполировании поверхности мембраны, нане- лектрикастензоэлементами и контактными сении на него диэлектрического слоя, форми- 45 площадками и присоединении к ним и конров н ваниинанемтензочувствительнойсхемыс тактам гермоколодки выводных проводниконтактными площадками, присоединении ков. контактной колодки к опорному основанию Недостатком известного способа изгоп гого элемента и присоединении вывод- товления является невозможность изготовных проводников к контактным. площадкам 50 ления датчика давления с необ од бх и мой колодки. технологичностью, нагревостойкостью, Недостатком способа является невоз- виброустойчивостью и приемлемыми габаможность изготовления датчика давления с ритами. необходимой технологичностью, нагрева- Цель изобретения — повышение техностойкостью и виброустойчивостью. 55- логичности, нагревостойкости, виброустойНаиболее близким к изобретению явля- чивости и уменьшение габаритов за счет ется датчик давления, содержащий вакуу- устранения необходимости применения мированный корпус, мембрану с опорным драгметаллов, снижения трудоемкости, пооснованием, на поверхности которой нане- вышения выхода годных после операции сен слой диэлектрика с тензорезисторами и присоединения выводных проводников, 1717978 где

4К К вЂ” 1 к= гв а+Ь 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 вакуумированный 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

R — радиус границы утолщения; а — ширина выводных проводников;

b — длина части выводных проводников, размещенной между мембраной и диском;

55 р — коэффициент Пуассона диска;

О,р — предел -пропорциональности диэлектрической пленки при максимальной температуре датчика;

Š— 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.3 — 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 гермоколодки. 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 периферии 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. Тол1717978 щина диска в зоне между выступами и утолщениями выполнена по соотношению.

При а=0,25 мм, b=1 мм; R=.1,2 мм,,и =0,3, c=0,2 мм, ст„р =90 МПа, Е=2,1 10 МПа толщина диска в зоне между выступами и утолщениями равна 0,1 мм.

Упругий элемент изготовлен из сплава

70НХБМЮ. Диэлектрическая пленка из композиции А1203 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 тенэоэлементами 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 одина10 ковости. приложенных усилий и вследствие этого одинакового качества соединений

55 выводных проводников, а следовательно, повы шения технологичности, нагревостойкости, виброустойчивости и уменьшения габаритов, Плоские выводные проводники частично расположены между мембраной и дополнительным диском для обеспечения возможности замены контактной сварки выводных проводников, с контактными площадками диффузионной сваркой. Дополнительный диск покрыт со стороны мембраны диэлектриком для обеспечения необходимого сопротивления изоляции, На диэлектрике дополнительного диска размещены зеркально симметрично контактным площадкам мембраны дополнительные контактные площадки для повышения качества соединения выводных проводников, так как диффузионное соединение выводных проводников осуществляется в этом случае по их обеим поверхностям, что повышает технологичность, нагревостойкость, виброустойчивость и позволяет уменьшить габариты. Выполнение на противоположной стороне диска в области размещения выводных проводников выступов позволяет сохранить необходимую площадь контактирования контактных площадок и выводных проводников. В случае отсутствия этих выступов в результате деформации диска при воздействии на него прижимающего усилия в месте сопряжения выводных проводников с диском наблюдается про;иб диска. В результате площадь соприкосновения уменьшается, что ухудшает характеристики контактирования. Размеры выступов равны размерам части выводных проводников, размещенных между мембраной и диском.

В случае, если размеры выступов меньше размеров части выводных проводников, размещенных между мембраной и диском, в местах соприкосновения диска с выводными проводниками наблюдаются прогибы диска, а следовательно, уменьшается площадь 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 дат1717978

Яф 2к-2а л-а

Отсюда

О R д 3

Е h

ЗО т.с, К1

Л х — агссов Ь7211

Кг = —;

ro а+Ь, го

2 чика 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 где ао — прогиб выступа;

К1 — коэффициент, учитывающий незамкнутость утолщения;

А—

3(1- ) KI — 1 In Кг

R — радиус границы утолщения; а — ширина выводного проводника;

Ь вЂ” длина части выводного проводника, размещенного между мембраной и диском.

В нашем случае прогиб выступа равен толщине токоподвода: в,=с

Преобразуя соотношение для прогиба выступа, получим

Коэффициент V, определим исходя из отношения. площади части диска, заключенного между выступом и утолщением, в случае полностью замкнутой окружно5 сти утолщения и в случае фактического состояния. В случае полностью замкнутой окружности площадь части будет равна 5= л R2

В случае фактического состояния

2л — 2d г

О;ношение площадей равно ) 2_#_. лЯ х

Рассматривая более подробно фиг.2, можно записать

cosa =—

a = Bl CCOS .тр

Тогда отношение площадей будет равно

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

ocTBToчные напряжения, которые с течением времени ухудшают диэлектрические харакк 1.еристики пленки (сопротивление изоляции и т,д.).

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

0= S пир

Подставляя значение Ов ранее полученное соотношение для толщины пластины межд1 выступом и утолщением, получаем

1717978

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 и редпосыл ки 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/с, тогда как виброустойчивость датчика по прототипу не превышает 70000 м/с .

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 тензорезисторных датчиков с посадочной резьбой М12, тогда как датчики (те же пределы измере5

55 ния) 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 устранения необходимости применения драгметаллов, снижения трудоемкости, повышения выхода годных после операции присоединения выводных проводников, возможности использования для изготовления контактных площадок и выводных проводников 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.

Формула изобретения

1. Датчик давления, содержащий вакуумированный корпус, мембрану с опорным основанием, на поверхности которой нанесен слой диэлектрика с тензорезисторами, соединенными в мостовую схему, и размещенными на опорном основании контактными площадками с плоскими выводными проводниками, соединяющими контактные площадки с контактами гермоколодки, о тлича ющийся тем,что,сцельюповышения технологичности, нагревостойкости, виброустойчивости и уменьшения габаритов, контактные площадки размещены на одинаковом расстоянии от центра мембраны одна от другой, а плоские выводные проводники частично расположены между мембраной и дополнительным диском, покрытым 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

1717978 где

А 31 - ) K

4кг (г

К вЂ” 1

K= —;

2R а+Ь

Вйд А

R — радиус границы утолщения; а - ширина выводных проводников

Ь- длина части выводных проводников,, 15 размещенной между мембраной и диском; ,и — коэффициент Пуассона диска;

«тлр — предел пропорциональности ди-. электрической пленки при максимальной температуре датчика; 20

Š— модуль упругости диска; с — толщина выводных проводников, 2, Способ изготовления датчика давления, заключающийся в формировании на мембране слоя диэлектрика с тензорезисторами и контак.гными площадками и присоединении к ним и контактам гермоколодки выводных проводников, вакуумировании и герметизации, отличающийся тем, что, с целью повышения технологичности и нагревостойкости, формируют на периферии дополнительного диска слой диэлектрика с контактными площадками, после размеще.ния выводных проводников на контактных площадках прижиьек г диск к мембране 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.

1717978

Bad Е

12

Составитель Е. Белозубов

Редактор О.Юрковецкая Техред М.Моргентал Корректор Т.Палий

Заказ 870 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101