Первичный преобразователь расхода текучих сред



Первичный преобразователь расхода текучих сред
Первичный преобразователь расхода текучих сред
Первичный преобразователь расхода текучих сред
Первичный преобразователь расхода текучих сред

 


Владельцы патента RU 2486476:

Березкин Валерий Алексеевич (RU)
Путилин Виктор Михайлович (RU)

Изобретение относится к области микроэлектронных и микромеханических устройств и может быть использовано в качестве первичного преобразователя (сенсора) количества прошедшей по трубопроводу жидкости или газа в электрические сигналы расходомеров или счетчиков. Первичный преобразователь расхода текучих сред выполнен в виде кристалла кремния, который содержит кремниевую рамку-основание, диэлектрическую мембрану на рамке-основании, нагревательный и чувствительный платиновые резисторы на поверхности мембраны. При этом рамка-основание выполнена из кремния n-типа проводимости, а нагревательный резистор выполнен из кремния р-типа проводимости и расположен под мембраной на ее плоскости. Технический результат - высокая надежность и долговечность, а также обеспечение возможности интеграции сенсора со схемами управления в одном кристалле. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к области микроэлектронных и микромеханических устройств и может быть использовано в качестве первичного преобразователя (сенсора) количества прошедшей по трубопроводу жидкости или газа в электрические сигналы расходомеров или счетчиков.

Известны первичные преобразователи массового расхода газа (сенсоры), выполненные на кремниевой рамке-основании, на которой расположена диэлектрическая мембрана с расположенными на ее поверхности чувствительными платиновыми резисторами, реагирующими на величину расхода газа, и нагревательными резисторами из платины или других резистивных материалов, обеспечивающих тепловой режим активной зоны сенсора [1.2]. Основным недостатком данных сенсоров является невысокая надежность и недостаточная долговечность нагревательных резисторов, используемых в них, т.к. диапазон температур в рабочей зоне сенсора имеет величину 300-650°С, а тонкопленочные резисторы, используемые здесь, быстро деградируют при частых включениях или работе в импульсном режиме вследствие структурного несовершенства напыленных резисторов.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству служит широко известный сенсор, используемый в датчике массового расхода воздуха автомобилей с инжекторным устройством подготовки топлива фирмы «Бош» [3]. Сенсор выполнен в виде кремниевого кристалла, содержащего рамку-основание, на котором расположена тонкая диэлектрическая мембрана, а на мембране расположены платиновые тонкопленочные нагревательный и чувствительные резисторы. Критерием величины расхода газа служит изменение температуры и, соответственно, изменение величины сопротивления чувствительного резистора. Малая теплоемкость газов заставляет располагать нагревательный и чувствительный резисторы на минимально близком расстоянии друг от друга для получения достаточного электрического отклика на малые расходы газа. Минимальное расстояние определяется возможностями технологии и электрофизическими свойствами материалов при заданных максимальных напряжениях. В сенсорах «Бош» это расстояние составляет 5 мкм. Здесь требуется высокая фильтрация газа. Размер частиц токопроводящей пыли должен быть много меньше 5 мкм для недопущения возможных коротких замыканий электрических цепей. При увеличении расстояния между резисторами до желаемых 50-100 мкм увеличивается мощность, потребляемая нагревательным резистором в несколько раз, что резко снижает надежность и долговечность тонкопленочного нагревательного резистора в силу вышеуказанных обстоятельств. Высокие требования к чистоте газа заставляют применять сложные и дорогостоящие фильтры, которые вызывают нежелательное снижение давления в трубопроводе. Интеграция сенсора со схемами управления на одном кристалле при высоком энергопотреблении нагревательным резистором затруднительна т.к. существует противоречие между требованием высокой температуры нагревательного резистора и стандартными температурными условиями для электронных схем управления, располагаемыми на рамке кристалла при достаточно высокой теплопроводности элементов кристалла.

Технической задачей, которую должно решить данное изобретение, является создание устройства, позволяющего повысить надежность и долговечность сенсора и в дополнение к этой задаче создать условия интеграции сенсора и схем управления на одном кристалле, изготавливаемом по стандартным микроэлектронной и микромеханической технологиям.

В предложенном изобретении задача решается благодаря тому, что в кремниевом кристалле сенсора с электронным типом проводимости, содержащем рамку-основание с диэлектрической мембраной, на которой выполнен платиновый чувствительный резистор, нагревательный резистор выполнен на обратной стороне мембраны из кремния с дырочным типом проводимости, причем или он полностью располагается на мембране, или на мембране располагается активная часть резистора, а концы его выходят на рамку-основание, образуя изолирующие р-n-переходы.

Данная конструкция позволяет как угодно близко располагать нагревательный резистор относительно чувствительного. Чувствительный резистор может располагаться даже над нагревательным резистором, если разность потенциалов между резисторами не ограничена пробивным напряжением мембраны. В данном случае выполняются условия интеграции сенсора и схем управления в одном кристалле. Кремниевый нагревательный резистор не ограничен сроком службы, обеспечивает надежную работу сенсора в течение всего срока службы и превращается из слабейшего прежде звена устройства в самое надежное.

На фиг.1 приведен разрез кристалла сенсора. На рамке-основании (1) выполнена диэлектрическая мембрана (2) с платиновыми нагревательным (3) и чувствительным (4) резистором. Из чертежа видно, что расстояние L между резисторами не может быть сколь угодно малым т.к. оба резистора находятся на поверхности мембраны, а электрические потенциалы их различны. На фиг.2 представлен разрез кристалла сенсора с платиновым чувствительным и кремниевым нагревательным резисторами. На фиг.3 и фиг.4 приведены топологии кристаллов сенсора с кремниевым нагревательным, причем на фиг.3 нагревательный резистор расположен полностью на мембране, а на фиг.4 концы резистора лежат на рамке-основании. На кремниевой рамке-основании n-типа проводимости (1) выполнена диэлектрическая мембрана(2), на которой расположен платиновый чувствительный резистор (3), а нагревательный кремниевый (р-типа проводимости) резистор (4) выполнен на обратной стороне мембраны (2). К нагревательному резистору (4) выполнены контактные окна (5) и, наконец, выполнены контактные площадки (6). В случае, когда выводы (концы) кремниевого резистора с контактными окнами (5) лежат на рамке(1), занимая место контактных площадок (6), может образоваться паразитный р-n-р транзистор между концами резистора (р-эмиттер, р-коллектор) и рамкой (n-база). Для предотвращения возникновения паразитного транзисторного эффекта концы нагревательного резистора расположены на рамке-основании на расстоянии не менее 50 диффузионных длин неосновных носителей в материале рамки-основания.

Для изготовления сенсоров используются стандартные кремниевые пластины, например КЭФ 4,5 (100), диаметром 100 мм и стандартные технологические операции: двухсторонняя фотолитография для создания знаков совмещения на обеих сторонах пластины, анизотропное глубинное травление кремния для освобождения мембраны и нагревательного резистора, термическое окисление, пиролиз и низкотемпературные процессы нанесения слоев SiO2 и Si3N4 для создания мембраны и защитной маски с обратной стороны пластины, процесс диффузии бора из боросиликатного стекла или ионную имплантацию для выполнения кремниевого резистора, магнетронное напыление платины для чувствительного резистора и золота для контактных площадок плазмохимические процессы очистки поверхностей и процессы отжига в инертных средах.

Сенсор работает в термоанемометрическом режиме [4]. Тепловой режим платинового чувствительного резистора задает нагревательный кремниевый резистор. Он работает в непрерывном или импульсном режиме. Чувствительный резистор включен в мостовую схему, сигнал с которой через усилитель поступает на микропроцессор, осуществляющий аналого-цифровое преобразование сигналов, математическую обработку по заданному алгоритму, позволяющему выполнять наладку и калибровку устройства.

Новая конструкция сенсора обеспечивает высокую надежность и долговечность, а также создает хорошие условия для интеграции сенсора со схемами управления в одном кристалле при использовании стандартных технологических приемов изготовления.

ЛИТЕРАТУРА

1. Патент Германии № 4219454.

2. Патент РФ №2276775.

3. Патент Германии №3638138.

4. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества, изд. 4, Машиностроение, Л, 1989 г.

1. Первичный преобразователь расхода текучих сред, выполненный в виде кристалла кремния, содержащего кремниевую рамку-основание, диэлектрическую мембрану на рамке-основании, нагревательный и чувствительный платиновый резисторы на поверхности мембраны, отличающийся тем, что рамка-основание выполнена из кремния n-типа проводимости, нагревательный резистор выполнен из кремния р-типа проводимости и расположен нагревательный резистор под мембраной на ее плоскости.

2. Первичный преобразователь текучих сред по п.1, отличающийся тем, что концы нагревательного резистора, расположенного на рамке-основании на расстоянии не менее 50 диффузионных длин неосновных носителей в материале рамки основания.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области измерения объема (массы жидкости), в частности к определению массы нефтепродукта, хранимого в больших эластичных контейнерах, и может быть использовано на автозаправочных станциях, резервуарных парках складов и нефтебаз, использующих для хранения нефтепродуктов эластичные резервуары.

Изобретение относится к области расходометрии и может быть использовано для определения расхода слабых (порядка десятков - сотен миллилитров в секунду) потоков жидкости.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в процессе измерения параметров потоков жидкостей или газов. .

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к тепловым расходомерам для измерения расхода газа в диапазоне 0-100 мг/с. .

Изобретение относится к приборостроению, а именно к датчикам контроля уровня жидкости, и может быть использовано в системах и приборах для контроля уровня топлива, при хранении, заправке, а также в процессе работы двигателей на криогенном топливе при жестких механических воздействиях.

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к устройствам для измерения параметров потока газа в открытых и закрытых каналах. .

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для определения скорости однофазного потока жидкости в стационарных и переходных режимах. .

Изобретение относится к области расходометрии

Изобретение относится к области приборостроения и предназначено для измерения тепловой энергии, подаваемой жидким теплоносителем от котлоагрегатов к отопительным системам и системам горячего водоснабжения зданий коммунального назначения, жилого фонда, школ, детских садов и иных сооружений промышленности. Заявлен термостатно-тахометрический теплосчетчик, имеющий трубопровод, термостат, счетное устройство, соединительные трубки, вентили. В термостате устанавливается полка с отверстиями, уменьшающими поток теплоносителя, поступающий на счетное устройство. Технический результат: уменьшение размера теплосчетчика и увеличение точности его измерения. 2 ил.

Изобретение касается датчика (102) и блока (602) управления для взаимодействия с датчиком. Датчик (102) служит для измерения скорости жидкости (308), протекающей через канал (306). В датчике (102) используется принцип измерения температур, проявляющий устойчивость в отношении отклонений по количеству энергии, диссипируемой нагревательным элементом (106). Приемник (110) датчика выполнен с возможностью приема электромагнитного излучения, генерируемого управляющим передатчиком (622), содержащимся в блоке (602) управления для взаимодействия с датчиком (102). Электромагнитное излучение используется для энергоснабжения нагревательного элемента (106), выполненного с возможностью нагрева жидкости. На основе измерительного сигнала, генерируемого преобразовательной схемой, содержащейся в датчике (102), управляющий привод (624) управляет скоростью жидкости. С этой целью передатчик (116) датчика выполнен с возможностью передачи измерительного сигнала на управляющий приемник (634). Технический результат - обеспечение возможности измерения скорости флюида и получение измерительного сигнала, устойчивого к отклонениям в отношении количества энергии, диссипируемой нагревательным элементом. 5 н. и 8 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано при выполнении анемометрических измерений. Заявлен анемометрический зонд с проволочкой или с n (n≥1) проволочками, параллельными между собой, для измерения вблизи стенки, содержащий для каждой проволочки два стержня (4, 6) крепления проволочки. Конец каждого стержня содержит плоскую зону (43) позиционирования и крепления проволочки и прямой участок проволочки (2), закрепленный пайкой на указанных плоских зонах (43) позиционирования и крепления проволочки. Технический результат - повышение точности данных. 3 н. и 16 з.п. ф-лы, 21 ил.

Изобретение относится к области микросенсоров, а именно к микроэлектромеханическим системам (МЭМС) для измерения потоков жидкостей и газов - МЭМС-термоанемометрам. Анемометрический датчик содержит чувствительный элемент, выполненный в виде двух и более открытых контролируемому потоку упругих лепестков. Сам чувствительный элемент с электрическими контактами к нему выполнен из пьезоэлектрического материала и выполняет функцию датчика колебаний. Также упругие лепестки имеют разные длины. К чувствительному элементу каждого лепестка соответствующей определенной длины подводится отдельный контакт. Каждой длине соответствует свой динамический диапазон измерения потока и в зависимости от силы потока функционируют определенные лепестки: более длинные регистрируют малые потоки, более короткие - большие за счет разных частот собственных колебаний. Техническим результатом является создание простого в изготовлении анемометрического датчика с низким расходом энергии и малыми размерами, способного определять наличие потока. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано для учета тепловой энергии. Способ измерения тепловой энергии реализуется на измерении текущих значений температуры и переноса их значений на показатели расхода теплоносителя посредством деления потока на две составляющие и распределения теплоносителя в два выходных канала - Tmin канал начала отсчета и Tmax информационный канал, согласованные со шкалой термометра. Устройство, реализующее способ, содержит блок разделения каналов, два счетчика расхода теплоносителя и выходной коллектор, соединяющий два потока в один. Устройство состоит из корпуса 1 с входным 2 и двумя выходными каналами 3 - Tmin (Сч13) и 4 - Tmax (Сч14), термометра 5, установленного на оси 7 механизма распределения теплоносителя 6, который перекрывает одновременно оба канала (заслонки 8 и 10) в корпусе стабилизаторов потока 12 по формуле обратно пропорционального перекрытия. Теплоноситель распределяется в два выходных канала пропорционально измеренной температуре, а счетчики в этих каналах фиксируют объем прошедшего теплоносителя за определенный период времени. Устройство позволяет по показаниям счетчиков рассчитать среднюю температуру пройденного теплоносителя, суммарный объем прошедшего теплоносителя и объем потребленной тепловой энергии. Технический результат - повышение точности определения потребленной тепловой энергии. 2 н. и 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области теплоэнергетики, а именно к задаче энергосбережения в системах потребления пара и может быть использовано для контроля рационального использования пара в теплообменниках путем определения эффективности конденсатоотводчика. Способ мониторинга состояния конденсатоотводчика включает измерение температуры греющего пара, давления греющего пара, температуры стенки конденсатопровода и давления в конденсатопроводе, дополнительно определяют массовый расход греющего пара и диаметр конденсатопровода, затем по величине массового расхода греющего пара сначала вычисляют коэффициент теплоотдачи от пролетного пара к стенке конденсатопровода, а потом вычисляют коэффициент теплоотдачи от конденсата к стенке конденсатопровода, после этого исходя из данных о давлении в конденсатопроводе вычисляют соответствующую этому давлению температуру насыщения, далее, используя отношение величины коэффициента теплоотдачи от конденсата к стенке конденсатопровода к величине коэффициента теплоотдачи от пролетного пара к стенке конденсатопровода и данные о температуре греющего пара, поступающего в теплообменник, температуре насыщения, соответствующей давлению в конденсатопроводе, и температуре стенки конденсатопровода, вычисляют эффективность конденсатоотводчика по уравнениям теплового баланса. 2 н. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к газовым счетчикам. Газовый счетчик содержит корпус счетчика с впускным отверстием для газа с относящимся к нему присоединительным штуцером для подводящего газопровода и выпускным отверстием для газа с относящимся к нему присоединительным штуцером для отводящего газопровода. Корпус (2) счетчика представляет собой корпус мембранного газового счетчика, в котором на выпускном отверстии (11) для газа расположено имеющее корпус (13) с встроенным микротермическим расходомерным сенсором (20) измерительное устройство (12). Корпус (13) измерительного устройства (12) герметично соединен с присоединительным штуцером (10) со стороны выпускного отверстия для газа или с корпусом (2) счетчика в зоне выпускного отверстия (11) для газа. Технический результат - обеспечение предельно точного измерения расхода газа совместно с обеспечением возможности подключения такого счетчика без доработок в здании геометрии мест подключения на стороне сети. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к устройствам для измерения потоков жидкостей и газов с использованием микроэлектромеханических датчиков. Измеритель потока содержит тело обтекания, датчик потока и средства управления и съема информации. Тело обтекания выполнено с переменным сечением в форме, обеспечивающей ламинарность потока, и выполнено с возможностью задания его положения относительно измеряемого потока, а один или несколько датчиков потока установлены на поверхности тела обтекания заподлицо с ней. Технический результат - увеличение пределов и точности измерения потоков. 7 з.п. ф-лы, 1 ил.
Наверх