Датчик давления

 

OIINCAHHK ИЗОБРЕТЕН

К ПАТЕНТУ

Кемитет Рессийскей Федерации пе патентам и товарным знакам (2 т} 5048518/10

{22} 1аоащ (ч6} 30.1293 Ьол. йя 47-48

P8} Белозубов Евгений Михайлович (543 ДАТЧИК ДАНЛЕНИЯ ((3 частности в датчиках давления при юмерении давления в разлиных областях науки и техники Сущность изобретению в да чике давления содержа; щем корпус, закреппенн и в корпусе чувствительн вт элемент в виде полупроводниковой мембраны с тензоэпементом, ewy с подстроевьвв резисторами размещенную с зазором относительно мембра. н@ и токовыводы, вита размещена над мембраной

N закрети3ена на ней, причем величина зазора между ватой и мембраной не менее прогиба мембраw под действием максимавно допустимого изме. ряемого давления Кроме того, токовыводы могут

Г Е (в) RU;Ill 26652М С1 (51) плата закреплена при помощи лазерной сварки

Зазор между платой и мембраной может быть обеспечен Г Жразн еи лрокпад..аьв жестко закреплееыми на боковой поверхностн конфигурация и размеры платы могут быть иденти ню конфигурации и размерам мембраны Плата может быть выполнена в виде нескольких идентичюх по размерам и конфигурации элементов. Кроме того, по крайней мере частию плата может быть располоКонфигураре поверхности итаты, праежащей к

Я верхности мембрана при воздействии макимаа ного допустимого юмеряемого давпеее и по крайней мере чась паты, прилегающей к мембране, может быть вьоааенв из легкоплавкого материала, а на тензоэлементы может быль наесено изоляционное покрытие. Цель изобретеек уменьшение габаритах размеров, повыиеее надежности 8 зл.ф-пы,2 мт.

2005296

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к датчикам давления, предназначенным для использования в различных областях науки и техники.

Известен датчик давления, содержащий корпус. плату с подстроечными резисторами, чувствительный элемент в виде мембраны с тензорезисторами, закрепленный в корпусе и расположенный асимметрично относительно центра платы в прямоугольном вырезе, выполненном в плате перпендикулярно и параллельно ее сторонам, Недостатком известного датчика давления является сравнительно большие габариты, связанные с наличием зазоров между чувствительным элементом и платой с трех сторон чувствительного элемента, а также нерациональным использованием площади платы вследствие наличия на ней двух сравнительно нешироких выступов, на которых не всегда возможно размещение законченных элементов настройки, Наличие зазора с трех сторон чувствительного элемента приводит к уменьшению полезной площади платы особенно при использовании для сборки датчиков автоматизированных устройств и робототехнических комплексов в связи с необходимостью преднамеренного увеличения величины зазоров для исключения ужесточения требований по точности отработки расстояний.

Наиболее близким по технической сущмости к предлагаемой конструкции является датчик давления, содержащий корпус, закрепленную в корпусе полупроводниковую мембрану с резисторами и утолщенной периферийной частью, плату с подстроечными резисторами, размещенную с зазором относительно мембраны, и токовыводы.

Недостатком известного датчика давления является сравнительно большие габаритные размеры, связанные с неоптимальным взаимным расположением мембраны. подстроечной платы и токовыводов, особенно в плоскости расположения мембраны и платы, что часто делает невозможным установку таких датчиков в агрегатах, имеющих ограничения по площади установки датчиков. Надежность известных датчиков также не всегда удовлетворяет потребителей вследствие наличия скрытых дефектов, появляющихся в тенэоэлементах чувствительного элемента эа счет "засветки" лазерным лучом при настройке элементов подстроечной платы. Надежность известной конструкции также низка из-за низкой стойкости к перегрузочному давлению.

Согласно изобретению в датчике давления, содержащем корпус. закрепленную в

35 корпусе полупроводниковую мембрану с тензоэлементами и утолщенной периферийной частью, плату с подстроечными резисторами, размещенную с зазором относительно мембраны, и токовыводы, плата с подстроечными резисторами размещена с зазором над мембраной и закреплена на ней, причем величина зазора не менее максимального прогиба мембраны под действием измеряемого давления. Кроме того, токовыводы расположены перпендикулярно поверхности мембраны, мембрана и плата выкуумированы, а плата закреплена при помощи лазерной сварки, Зазор между платой и мембраной обеспечен введенными Гобразными прокладками, равномерно размещенными по периферии утолщенной части мембраны и жестко закрепленными на его боковой поверхности, Конфигурация и размеры платы идентичны конфигурации и размерам мембраны. Плата выполнена в аиде нескольких идентичных по размерам и конфигурации элементов. частично расположена перпендикулярно поверхности мембраны. Конфигурация поверхности платы, прилежащей к мембране, совпадает с конфигурацией поверхности мембраны при воздействии максимально допустимого измеряемого давления. Кроме того, часть плаЗ0 ты, прилегающей к мембране выполнена из легкоплавкого материала, а на тензоэлементы нанесено изоляционное покрытие.

Для обеспечения наличия причинноследственной связи между совокупностью признаков и достигнутым техническим эф. фектом, рассмотрим более подробно конструкцию датчика, Размещение платы над мембраной. закрепление ее на мембране и выполнение величины зазора между платой

40 и мембраной не менее максимального прогиба мембраны под действием измеряемого давления в максимальной степени уменьшает габаритные размеры, так как при любом другом взаимном, расположении

"5 мембраны и платы увеличатся габаритные размеры. особенно в плоскости мембраны.

Если величина зазора между платой и мембраной ме будет минимальна, то увеличатся габаритные размеры датчика, если же вели50 чина зазора будет меньше прогиба мембраны под действием максимально допустимого измеряемого давления, то существенно снизится надежность вследствие искажения выходного сигнала при упоре мембраны в плату, Кроме того, предлагаемое взаимное расположение подстроечной платы и мембраны исключает появление скрытых дефектов тенэоэлементов в результате настройки резисторов подстроечной платы лазерным

2005296

10

50

55 окиси кремния. лучом, что повышает надежность датчика.

Расположение токовыводов перпендикулярно поверхности мембраны существенно уменьшает габаритные размеры, особенно в плоскости расположения чувствительного элемента. Вакуумирование платы и мембраны, а также закрепление ее при помощи лазерной сварки повышает надежность датчика вследствие исключения влияния агрессивных составляющих окружающей среды на стабильность тензорезистивных элементов.

Обеспечение зазора между платой и мембраной Г-образными прокладками, равномерно размещенными по периферии утолщенной части мембраны и жестко закрепленными на его боковой поверхности, позволяет с одной стороны выполнить минимально возможный зазор, что уменьшает габаритные размеры, а с другой стороны позволяет осуществить надежное закрепление платы. Причем равномерное размещение прокладок по периферии чувствительного элемента обеспечивает равномерное распределение зазора по всей поверхности платы. а следовательно, и минимизацию габаритных размеров и максимальное повышение надежности. Выполнение конфигурации и размеров подстроечной платы идентичными конфигурации и размерам мембраны в максимальной степени уменьшает габаритные размеры, так как в этом случае размеры датчика определяются размерами мембраны, Выполнение платы в виде нескольких идентичных по размерам и конфигурации плат позволяет в еще большей степени уменьшить габаритные размеры датчика при большем количестве подстроечных элементов. Расположение токовыводов перпендикулярно поверхности мембраны обеспечивает дальнейшее уменьшение габаритных размеров.

Конфигурация поверхности платы, прилегающей к мембране, совпадает с конфигурацией поверхности мембраны при воздействии максимально допустимого измеряемого давления для повышения надежности вследствие повышения стойкости датчика к воздействию перегрузочного давления. Если конфигурация поверхности платы, прилегающей к мембране, не будет совпадать с конфигурацией поверхности мембраны при воздействии максимально допустимого измеряемого давления, то при достаточно большой величине перегрузочного давления в местах несовпадения конфигураций могут возникнуть остаточные напряжения в мембране или даже повреждения в ней, чга естественно существенно снизить надежность. Выполнение по крайней мере части подстроечной платы прилегающей мембраны из легкоплавкого материала и покрытие тензоэлементов изоляционным покрытием позволяет максимальной степени повысить надеЖность вследствие возможности максимальной идентичности конфигурации платы и мембраны.

На фиг. 1 и 2 показана конфигурация предлагаемого датчика давления, соотношения между размерами элементов конструкции для наглядности изменены.

Датчик давления содержит корпус 1, полупроводникавый чувствительный элемент

2, в виде мембраны 3 с тенэоэлементами и утолщенной периферийной частью, закрепленный в корпусе при помощи дополнительной стеклянной втулки 4 и дополнительной металлической втулки 5, Мембрана может быть изготовлена и из другого материала, например из металла. Плата б с подстроечными резисторами размещена с зазором относительно мембраны. Токовыводы 7 предназначены для подачи напряжения питания и сьема выходного сигнала с датчика.

Плата б размещена над мембраной и закреплена на ней. Величина зазора между платой минимальна, но не менее прогиба мембраны под действием максимально допустимого измеряемого давления, Токовыводы 7 могут быть расположены перпендикулярно поверхности мембраны.

Мембрана и плата 6 вакуумированы, а плата 6 закреплена без применения веществ, содержащих легкоиспаряемые компоненть!, Например. закрепление платы осуществлено при помощи лазерной сварки или металлических скоб, приваренных лазерной сваркой. Зазор между платой и мембраной мажет быть обеспечен Г-образными прокладками 8, равномерно размещенными по периферии чувствительного элемента и жестко закрепленными на его боковой поверхности, например, при помощи сварки.

Конфигурация и размеры платы 6 идентичны конфигурации и размерам мембраны.

Плата 6 по крайней мере частично перпендикулярна мембране. Конфигурация поверхности платы. прилежащей к мембране, совпадает с конфигурацией поверхности мембраны при воздействии максимально допустимого измеряемого давления. По крайней мере часть платы, прилежащей к мембране, выполнена из легкоплавкого л лтериала, например из сплава Вуда. а на тензоэлементы нанесено изоляционное покрытие, например, в виде пленки ма о2005296

Формула изобретения

1, ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ, содержащий корпус, закрепленную в корпусе полупроводниковую мембрану с тензоэлементами 35 и утолщенной периферийной частью, плату с подстроечными резисторами, размещен-, ную с зазором относительно мембраны, и токовыводы, отличающийся тем, что в нем плата с подстроечными резисторами раэ40 мещена с зазором над мембраной и закреплена на ней, причем величина зазора не менее максимального прогиба мембраны под действием измеряемого давления.

2. Датчик по п,1, отличающийся тем, что в нЕм токовыводы расположены перпендикулярно к поверхности мембраны.

3. Датчик по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в нем мембрана и плата вакууми- 50 рованы, а плата закреплена при помощи лазерной сварки, 4. Датчик по пп.1 - 3, отличающийся тем, что в нем зазор между платой и мембраной обеспечен введенными Г-образными 55 прокладками, равномерно размещенными по периферии утолщенной части мембраДатчик давления работает следующим образом.

Измеряемое давление воздействует на мембрану 3 чувствительного элемента 2. В результате этого мембрана 3 деформируется. деформации мембраны воспринимаются размещенными на мембране тензоэлементами. Изменения сопротивлений тензоэлементов, вызванные деформацией мембраны, в выходное напряжение, снимаемое с токовыводов 7. Вследствие выполнения элементов конструкции в виде заявляемых технических решений существенно уменьшаются габаритные размеры датчика. Вакуумирование мембраны и платы обеспечивает идентичное отсутствие влияния вредных компонентов окружающей среды на стабильность тензоэлементов и подстроечных резисторов. а следовательно, и к повышению надежности работы датчика. При воздействии давления величиной выше максимально допустимого измеряемого давления мембрана 3 упирается в плату 6. В результате этого деформация в мембране даже при величине давления существенно, большей максимального допустимого измеряемого давлений не превышает допустимой величины.

Выполнение датчика в соответствии с и.

9 формулы позволяет обеспечить самое точ5

30 ное совпадение конфигурации поверхности платы, прилежащей к мембране, конфигурации поверхности мембраны при воздействии максимально допустимого измеряемого давления. Это осуществляется следующим образом. Датчик нагревают до температуры плавления легкоплавкого материала, воздействуют на мембрану максимально допустимым измеряемым давлением.

Вследствие большой текучести расплавленного сплава после снижения температуры и снятия давления сплав принимает конфигурацию, в точности соответствующую конфигурации сдеформированной мембраны, Технико-зкономическим преимуществом предлагаемого датчика давления по сравнению с прототипом является уменьшение габаритных размеров в 2-5 раз и повышение надежности sa счет оптимизации взаимного положения мембраны, подстроечной платы и токовыводов за счет исключения засветки тенэоэлементов при настройке подстроечной платы и за счет повышенной способности к перегрузочному давлению.. (56) Авторское свидетельство СССР

1Ф 1485051, кл. G 01 3 9/04.

Авторское свидетельство СССР

N 1642284, кл. G 01 1 9!04, 1989, ны и жестко закрепленными на ее боковой поверхности.

5. Датчик по пп.1 - 4, отличающийся тем, что в нем конфигурация и размеры платы идентичны конфигурации и размерам мембраны, 6. Датчик по пп.1 — 5, отличающийся тем, что в нем плата выполнена в виде нескольких идентичных по размерам и конфигурации элементов, 7, Датчик по пп.1 - 6, отличающийся тем, что в нем по крайней мере частично плата располржена перпендикулярно к поверхности мембраны.

8. Датчик по пп,1 - 7, отличающийся тем, что в нем конфигурация поверхности платы, противолежащей мембране, совпадает с конфигурацией поверхности мембраны при воздействии маКсимально допустимого измеряемого давления.

9. Датчик по пп.1 - 8, отличающийся тем, что в нем по крайней мере часть платы, противолежащей мембране, выполнена из легкоплавкого материала, а на тензоэлементы нанесено изоляционное покрытие.

2005296

Составитель Е. Белозубов

Техред М.Моргентал Корректор O,Ãóñòè

Редактор А.Бер

Заказ 3431

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

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

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