Датчик давления

 

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, глубины 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

со оз сОВетских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУВЛИК(5f)5 6 01 1 9/04

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО, СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ф

Фиг. 2

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4713920/10 (22) 05,06.89 (46) 15;12.92; Бал, ¹ 46 (75) Э.Л.Егиазарян и Г,Э.Егиазарян (56) Патент США № 3662312, кл. 6 01 L9/04,,1972.

Информационный листок 2-ой международной выставки "Метрология и метрологи ческое:-обеспечейие производства":

Метрологий —. 86, Сокольники,10-18 апреля

1986, "Сапфир-22ДГ . (54) ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ (57) Использование; изобретение относится к измерительной технике; в частности к пре „„5U,, 1781572 А1 образователям, и может бйть использовано для измерения давления жидкостей и газов.

Цель изобретения — расширение диапазона .измерения. Сущность изобретения; датчик давления содержит мембранные модули 4 (их число может быть и 1):c:иитегральными тензорезисторами и снабжены они защитн:им и пластин а ми 9, имеющими выемки, глубины ко.торых равйы" ма кси м ал ейным прогибам соответствующих мембран. Датчик также снабжен электроййцми блоками

5 для каждого мембранного модуля,или одйим электронным блоком для работы со всеми мембранными- модулями поочередно.

1781572 ки 5 (их число также мо>кет быть n2 1) собраны на боковой поверхности основания, 6 ил. ский сигнал для использования в информа- массогабаритные параметры, стоимость и ционных, контрольных, управляющих и т,д, сложность технологии изготовления, Например, длина, диаметр и масса этого датчика составляют 73,5, 24,5 мм и 100 гр. соответственно, Диапазон измерения сравковую мембрану, металлический корпус, металлическое кольцо, изолирующий кольнительно невелик, Наиболее близким аналогом — прототипом предлагаемого цеобразный элемент, дно с выводами и стеклянйыми изолирующими спаями, упрумикродатчика давления является промышленно выпускаемый у нас в стране преобрагий оловяносвязующий промежуточный t5 зоватекь гидростатического давления элемент, отверстие для подачи давления на "Сапфир-22ДГ" . Однако этот преобразовамембрану через металлическое покрытие и тель крайне сложен, содержит большое количество деталей и узлов, имеет большие электриический изолирующий слой, множегабариты и массу, Например, его габариты составляют 190 х 223 х 258 мм, масса — 13,6 кг.

У предлагаемого микродатчика аналогичэлемент и тонкопленочные резисторы; ные параметры .составляют ф 20 х32 мм

Известный измеритель давления имеет:, и масса не более 50 гр..Стоимость преобразователей "Сапфир-22" составляет 600 руб сложную конструкцию и технологию изготовления, вызванные наличием множества 25 и более, деталей и узлов, их соединениями друг с. Как и у прототипа, так и у указанных .Ъ другом с помощью промежуточных элемен- аналогов диапазон измерения невелик, по тем же причинам — наличием одной мембратов. Кроме того. данный измеритель. представляет не завершенный датчик давления, ны со своим фиксированным диапазоном а :ишь мембранный модуль, оформленный 30 .измерения, выше которого ломается мембконструктивно в вышеописанном конструк- рана, а ниже не обеспечивается необкодитинном исполнении т.е. представляет со- мые метрологические характеристики. Для бой лишь измерительный преобразователь, измерения обьектов с широко изменяемым диапазоном давлений потребуется некотоа не датчик. В данном измерителе отсутствует электронный блок усиления сигнала, 35 рое количество датчиков с разными предевследствие чего величина его выходного лами измерений, что практически делает сигнала мала. Массогабаритные параметры данное измерение невозможным ный диапазон измерения, вне этого товдатчиковдавления,уменьшениястоимотельную диафрагму, образующую герме- 50 сигнал, при этом корпус выполнен в виде тичную эталонную камеру, пла у с полого штуцера, имеющего со стороны одМембранные иодули расположены на плоских площадках основания.1 датчика, которое снабжено подводящими давление сквозными каналами 3. а электронные блоПредлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве измерительнбго прибора получения и преобразования первичного сигнала — давления в электриче- 5 системах, Известен полупроводниковый измери- тель давления, содержащий полупроводни- 10 ство связующих элементов. (металлизированйых поверхностей и клеевых 20 соединейий), чувствительный ктемпературе и стоимость высоки, диапазон измерения невелик. его диапазон измерения невелик, т.к. содержит один мембранный модуль, ко- 40 торый имеет свой зафиксированный расчетинтервала измерения работа или метрологические характеристики датчика не гарантируются, 45

Известен также тензометрический датчик давления, содержащий диафрагму . сложной формы, корпус, штуцер, дополникомпонентами электрической схемы, крышку.

Недостатками данного датчика являются: сложность конструкции (многочисленные детали и узлы) и высокие

Целью изобретения является расширение диапазона измерения с одновременныt«повышением технологичности изготовления, уменьшения массы габаристи и повышения надежности датчика, Зта цель достигается тем, что устройство снабжено дополнительными мембранными модулями с интегральными тензорезисторами и таким же числом электронных. блоков преобразования сопротивления тензорезисторов в электрический ного 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 мембраныы.

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-образным, 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 i, 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 полиимидной пленки или микросборку на ситалловой 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 c 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

15

25

30 ночных или навесных резисторов, активных

50

45 мембранного модуля. Конструкция фигурных отверстий 3 продиктована несколькими соображениями, Во-первых, для предохранения 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. Боковые поверхности 1а, 1б, 1в и 1г основания, ориентированные перпендикулярно к торцовым поверхностям 1д и 1е, предназначены для закрепления плат электронного блока. Число поверхностей 1а, 1б, 1в и 1г центральной части основания может быть

n 3, т,е. центральная часть может представлять собой многогранник или цилиндрическую поверхность при n — со, Электронный блок выполнен на базе плеэлементов — операционных усилителей и диодных матриц, Ниже поверхностей 1а, 1б, 1в и 1г сформированы поверхности 1ж и 1з для закрепления мембран. Число поверхностей также может быть n 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 датчикедавления выполнено отверстие 16 для вакуумирования 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 герметика),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 интегра1781572 ции механических и электрических компонентов, Например, основание 1 выполняет функции несущей конструкции мембраны и электронного блока, канала Дйя"подачи давления, г ермовводов — разъема и кры ш к и (торец и гермовводами), 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, Гермовводы 2 подключаются к источнику питания мв1оричной 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 давления мембрана с мйнимальной толщиной упирается в защитную пластину и отключается от измери ельной схемы, при этом включается в измерительную схему следующая. более толстая мембрана и т.д.

5 Таким образом, благодаря выполнению мембранного модуля и электронного блока микроэлектронной технологией и совмещению их на едином основании, снабженным гермовводами и фигурным входным отвер10 стием, а также совмещению функции корпуса и штуцера создается возможность изготовления малогабаритного, легкого, дешевого и надежного датчйка давления жидкостей и газов с широким диапазоном

15 измерения.

По сравнению с прототипом предлагаемое устройство имеет габариты на порядок меньше, массу на два порядка меньше (в 450 раз) и в 20-25 раз меньшую стоимость, 20

Формула изобретения

Датчик давления, содержащйй мембранный модуль с интегральными тензорезистор. ами, электронный блок

25 преобразования сопротивления тензорезисторов в электрический сигнал, основание, корпус и гермовводы, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью расширения диапазона измерения, он снабжен дополнитель30 ными мембранными модулями с интегральными тензорезисторами и таким же числом электронных блоков преобразования, при этом мембранные модули, электронные блоки и гермовводы размещены на

35 основании, причем мембранные модули закреплены на плоских площадках, выполненных в основании, которое снабжено подводящими сквозными каналами и снабжены защитными пластинами с выемками, 40 глубина которых ровна максимальному прогибу мембраны.

1781 ""» Л

ЩГ. f

1781572

Составитель э.Егиазарям

Редактор B.Òðóá÷eíко Техред M,Ìîðãåíòàë Корректор А.Козориз

Заказ 4269 .. Тираж ...: Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Проиааодстеенно-иедатеаьский.комбинат "Патент". г. Ужгород, ул.Гагарина, 101