Тензометрический первичный преобразователь давления с компенсацией дрейфа нуля и мембрана для него

Сущность: тензометрический первичный преобразователь давления включает в себя сапфировую монокристаллическую мембрану, имеющую планарную поверхность и противоположную ей профилированную поверхность, к которой прикладывается создаваемое измеряемым давлением усилие, под действием которого мембрана деформируется, а также схему тензорезисторов, сформированную на планарной поверхности мембраны и предназначенную для регистрации прикладываемого усилия на основе изменения сопротивления тензорезисторов при деформации мембраны. Рабочий профиль профилированной поверхности мембраны имеет форму канавки, глубина которой определяется диапазоном измеряемых давлений. Схема тензорезисторов предпочтительно ориентирована по наиболее тензочувствительным кристаллографическим направлениям кристаллической структуры мембраны. Тензометрический первичный преобразователь давления может иметь рычажную конструкцию. Техническим результатом изобретения является компенсация дрейфа нуля. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится, в общем, к измерительной технике и, в частности, к тензометрическим преобразователям давления в электрический сигнал.

Предшествующий уровень техники

Контроль давления в различных гидро- и пневмосистемах имеет чрезвычайно важное значение, в частности, в контексте безопасности (например, для сигнализации об угрожающем увеличении давления в системе). Обычно контроль давления осуществляют с помощью различного рода датчиков давления. Основными элементами датчика давления являются первичный преобразователь давления, преобразующий давление в электрический сигнал, схемы вторичной обработки сигнала, преобразующие электрический сигнал для последующего вывода, устройство вывода и различные по конструкции корпусные детали. Одним из основных отличий одних датчиков давления от других является точность регистрации давления, которая зависит от принципа преобразования давления в электрический сигнал, реализуемого первичным преобразователем давления. К широко известным принципам преобразования давления в электрический сигнал относятся тензометрический, пьезорезистивный, емкостной, индуктивный, резонансный, ионизационный.

В настоящее время основная масса датчиков давления изготавливается на основе тензометрических первичных преобразователей давления, принципом которых является измерение деформации соединенных в схему тензорезисторов, сформированных на диэлектрической плоской подложке, жестко прикрепленной к мембране. Преимущественно схема тензорезисторов представляет собой тензорезисторную мостовую схему.

Принцип действия тензометрических первичных преобразователей давления основан на явлении тензоэффекта в материалах. Под действием давления мембрана деформируется, тензорезисторы вследствие деформации меняют свое сопротивление, что приводит к разбалансу моста. Разбаланс линейно зависит от деформации резисторов и, следовательно, от приложенного давления.

Из книги "Тензореле. Расчет. Конструирование. Применение" B.И.Литвак, Москва: Машиностроение, 1989 известен тензометрический первичный преобразователь 100 давления, в котором (Фиг.1) тензорезисторы 110 сформированы в эпитаксиальной пленке кремния на подложке 120 из сапфира (так называемая структура КНС (кремний-на-сапфире)), припаянной (например, посредством вакуумной пайки) твердым припоем 130 к осесимметричной титановой мембране 140, причем тензорезисторы 110 соединены в мостовую схему.

Сапфировая подложка представляет собой монокристалл, при этом тензорезисторная мостовая схема ориентирована по наиболее тензочувствительным кристаллографическим направлениям структуры подложки, что максимизирует чувствительность первичного преобразователя давления. Монокристаллическое строение тензорезисторов и сапфировой подложки, атомарная связь между ними, высокие диэлектрические свойства и механическая прочность сапфира обеспечивают стабильность, надежность, значительный выходной сигнал. Помимо сапфира для изготовления подложки могут использоваться другие материалы, например кремний.

В рассматриваемом случае в качестве материала мембраны преимущественно используется титан, поскольку он обладает надлежащими механическими свойствами и его коэффициент термического расширения близок к коэффициенту термического расширения сапфира, что минимизирует деформации и напряжения при нагреве. Механические свойства, требующиеся для обеспечения тех или иных характеристик преобразователя давления, придают именно металлической мембране.

Иногда вместо кремниевых тензорезисторов используют металлические, например медные, никелевые, железные.

Как следует из Фиг.1 и 2а, мембрана 140 имеет планарную поверхность 210, к которой припаяна подложка, и противоположную ей профилированную поверхность 220, к которой прикладывается усилие, создаваемое измеряемым давлением, которое, в частности, может соответствовать разрежению. На Фиг.1 и 2а профилированная поверхность мембраны 140 изображена как имеющая рабочий профиль в виде осесимметричной канавки.

Рабочий профиль профилированной поверхности мембраны, к которой прикладывается усилие, в частности, определяет ее механические свойства, требующиеся для обеспечения заранее заданных метрологических характеристик. Например, в случае мембраны 140 по Фиг.1 и 2а с рабочим профилем в виде канавки глубина Н канавки определяется диапазоном измеряемых давлений и потребными метрологическими характеристиками.

Тензометрические первичные преобразователи давления могут иметь рычажную конструкцию. В частности, со ссылкой на Фиг.3 проиллюстрирован пример работы тензометрического первичного преобразователя давления мембранно-рычажного типа в составе датчика давления. Тензометрический первичный преобразователь 4 давления мембранно-рычажного типа размещен внутри основания 9 в замкнутой полости 11, заполненной кремний-органической жидкостью, и отделен от измеряемой среды металлическими гофрированными мембранами 8. Мембраны 8 приварены по наружному контуру к основанию 9 и соединены между собой центральным штоком 6, который связан с концом рычага преобразователя 4 с помощью тяги 5. Фланцы 10 уплотнены прокладками 3. Плюсовой фланец с открытой мембраной служит для монтажа преобразователя непосредственно на технологической емкости. Воздействие измеряемого давления вызывает прогиб мембран 8, изгиб мембраны тензопреобразователя 4 и изменение сопротивления тензорезисторов. Электрический сигнал от тензопреобразователя передается из измерительного блока в электронное устройство 1 по проводам через гермоввод 2.

Одним из основных недостатков известных тензометрических первичных преобразователей давления, в частности первичных преобразователей давления на основе КНС, является проблема дрейфа нуля. При длительных нагрузках происходит пластическая деформация мембраны и припоя, обладающего низкими упругими свойствами, которая приводит к старению припоя. В результате при разгрузке имеются остаточные деформации (явление гистерезиса), что проиллюстрировано на Фиг.4. В частности, измерения показывают, что остаточный прогиб титановой мембраны может превышать 10 мкм. Согласно вышесказанному, сапфировая подложка имеет близкую к идеальной монокристаллическую структуру, вследствие чего ее пластическая деформация фактически невозможна. В результате, вследствие вышеупомянутых остаточных деформаций сапфировая подложка при отсутствии нагрузки, тем не менее, будет находиться в напряженно-деформированном состоянии, в котором сопротивление тензорезисторов будет отличаться от значения, номинально соответствующего отсутствию нагрузки. Это приводит к снижению точности регистрации давления.

Таким образом, существует потребность в тензометрических первичных преобразователях давления, обеспечивающих компенсацию вышеописанного дрейфа нуля.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание тензометрического первичного преобразователя давления с компенсацией дрейфа нуля.

Для решения этой задачи в соответствии с изобретением предложены тензометрический первичный преобразователь давления и соответствующая ему мембрана тензометрического первичного преобразователя давления. Соответствующий изобретению тензометрический первичный преобразователь давления включает в себя сапфировую монокристаллическую мембрану, имеющую планарную поверхность и противоположную ей профилированную поверхность, к которой прикладывается усилие, создаваемое измеряемым давлением, под действием которого мембрана деформируется, а также схему тензорезисторов, сформированную на пленарной поверхности мембраны и предназначенную для регистрации прикладываемого усилия на основе изменения сопротивления тензорезисторов при деформации мембраны.

Соответствующая изобретению мембрана тензометрического первичного преобразователя давления, имеющая планарную поверхность и противоположную ей профилированную поверхность, целиком изготовлена из сапфира и имеет монокристаллическую поверхность.

Схема тензорезисторов, которая предпочтительно представляет собой мостовую схему, сформированную в эпитаксиальной пленке кремния на планарной поверхности мембраны, предпочтительно ориентирована по наиболее тензочувствительным кристаллографическим направлениям кристаллической структуры мембраны.

Также предпочтительно рабочий профиль профилированной поверхности мембраны определяется механическими свойствами мембраны, требующимися для обеспечения заранее заданных метрологических характеристик.

Соответствующий настоящему изобретению тензометрический первичный преобразователь давления может иметь рычажную конструкцию.

Перечень фигур

Вышеуказанные и иные признаки и преимущества настоящего изобретения раскрыты в нижеследующем описании предпочтительных вариантов его осуществления, приводимых со ссылками на фигуры, на которых

Фиг.1 - схематическое изображение тензометрического первичного преобразователя давления, соответствующего предшествующему уровню техники.

Фиг.2а - вид в разрезе тензометрического первичного преобразователя давления, соответствующего предшествующему уровню техники.

Фиг.2б - вид в разрезе тензометрического первичного преобразователя давления, соответствующего настоящему изобретению.

Фиг.2в - вид в разрезе тензометрического первичного преобразователя давления с металлическими компонентами, соответствующего настоящему изобретению.

Фиг.3 - пример работы тензометрического первичного преобразователя давления мембранно-рычажного типа в составе датчика давления.

Фиг.4 - графическая иллюстрация остаточных деформаций.

Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

Как было отмечено ранее, настоящее изобретение ориентировано на решение проблемы дрейфа нуля в тензометрических первичных преобразователях давления.

В настоящем изобретении для тензометрического первичного преобразователя давления предлагается использование мембраны, целиком изготовленной из сапфира и имеющей монокристаллическую структуру. При этом два компонента по Фиг.1, а именно подложка и мембрана, по существу объединены в одно целое {си. Фиг.2б). В этом случае схема тензорезисторов 110 размещается на верхней планарной поверхности 210 мембраны, соответствующей настоящему изобретению, а нижняя поверхность 220 рассматриваемой мембраны имеет рабочий профиль, определяющий ее механические свойства, требующиеся для обеспечения заранее заданных метрологических характеристик. В рассматриваемом случае усилие, создаваемое измеряемым давлением, прикладывается к профилированной поверхности 220 сапфировой мембраны.

В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения сапфировая мембрана осесимметрична, тензорезисторы, осажденные, например, посредством эпитаксии, ориентированы по наиболее тензочувствительным кристаллографическим направлениям ее кристаллической структуры и объединены в мостовую схему, а рабочий профиль нижней поверхности мембраны имеет вид осесимметричной канавки (см. Фиг.2б), глубина Н которой определяется диапазоном измеряемых давлений и потребными метрологическими характеристиками. Чем больше глубина Н, тем тоньше оказывается слой сапфира под схемой тензорезисторов, и, следовательно, для деформирования планарной поверхности требуется меньшее усилие, что обуславливает применение подобных тензометрических первичных преобразователей давления для диапазона относительно малых давлений.

Следует отметить, что полное исключение металлических компонентов из конструкции соответствующего настоящему изобретению тензометрического первичного преобразователя давления не подразумевается. В частности, на Фиг.2в показано крепление сапфировой мембраны к металлическому основанию, предпочтительно титановому, в целях придания механической точности тензометрическому первичному преобразователю давления. Крепление мембраны к основанию может быть выполнено, например, посредством пайки, как это показано на Фиг.2в. Выбор титана в качестве предпочтительного материала для основания обусловлен, согласно вышесказанному, его механическими свойствами, а также хорошей согласованностью ряда его ключевых в рассматриваемом контексте свойств с соответствующими свойствами сапфира.

Аналогично вышеописанному случаю по Фиг.3, соответствующий настоящему изобретению тензометрический первичный преобразователь давления может иметь рычажную конструкцию, при этом его функционирование полностью аналогично функционированию первичного преобразователя давления 4 по Фиг.3.

Результатом является исключение вышеописанного паразитного влияния пластической деформации мембраны и обусловленного ею старения припоя, приводящего к дрейфу нуля, поскольку, в соответствии с вышесказанным, сапфировая мембрана обладает по существу идеальной монокристаллической структурой, вследствие чего ее пластическая деформация фактически исключается, а возможное наличие металлических компонентов и припоя, как в случае по Фиг.2в, фактически не оказывает воздействия на тензорезисторы, поскольку они достаточно удалены от планарной поверхности, и обусловленное измеряемым давлением усилие, обуславливающее деформацию сапфировой мембраны, прикладывается в основном к ее профилированной поверхности.

Изобретение было раскрыто выше со ссылкой на конкретные варианты его осуществления. Для специалистов в данной области техники могут быть очевидны и иные варианты осуществления изобретения, не меняющие его сущности, как она раскрыта в настоящем описании. Соответственно, изобретение следует считать ограниченным по объему только нижеследующей формулой изобретения.

1. Тензометрический первичный преобразователь давления, включающий в себя мембрану, имеющую планарную поверхность и противоположную ей профилированную поверхность, к которой прикладывается усилие, создаваемое измеряемым давлением, под действием которого мембрана деформируется, схему тензорезисторов, сформированную на планарной поверхности мембраны и предназначенную для регистрации прикладываемого усилия на основе изменения сопротивления тензорезисторов при деформации мембраны, при этом мембрана целиком изготовлена из сапфира и имеет монокристаллическую структуру, а рабочий профиль профилированной поверхности мембраны имеет форму канавки и определяется метрологическими характеристиками.

2. Тензометрический первичный преобразователь давления по п.1, в котором схема тензорезисторов ориентирована по наиболее тензочувствительным кристаллографическим направлениям кристаллической структуры мембраны.

3. Тензометрический первичный преобразователь давления по п.1, в котором мембрана является осесимметричной.

4. Тензометрический первичный преобразователь давления по п.3, в котором глубина канавки определяется диапазоном измеряемых давлений.

5. Тензометрический первичный преобразователь давления по п.1, в котором схема тензорезисторов сформирована в эпитаксиальной пленке кремния на планарной поверхности мембраны.

6. Тензометрический первичный преобразователь давления по п.1, в котором схема тензорезисторов представляет собой мостовую схему.

7. Тензометрический первичный преобразователь давления по п.1, который имеет рычажную конструкцию.

8. Тензометрический первичный преобразователь давления по п.1, в котором мембрана прикреплена к металлическому основанию, обеспечивающему механическую прочность конструкции тензометрического первичного преобразователя давления.

9. Тензометрический первичный преобразователь давления по п.8, в котором крепление мембраны к металлическому основанию выполнено посредством пайки.

10. Тензометрический первичный преобразователь давления по п.8, в котором металлическое основание изготовлено из металла, обеспечивающего необходимые механические свойства.

11. Тензометрический первичный преобразователь давления по п.10, в котором металлом, обеспечивающим необходимые механические свойства, является титан.

12. Мембрана тензометрического первичного преобразователя давления, которая имеет планарную поверхность, предназначенную для формирования на ней схемы тензорезисторов, и противоположную ей профилированную поверхность, к которой прикладывается усилие, создаваемое измеряемым давлением, под действием которого мембрана деформируется, при этом мембрана целиком изготовлена из сапфира и имеет монокристаллическую структуру, а рабочий профиль профилированной поверхности мембраны имеет форму канавки и определяется потребными метрологическими характеристиками.

13. Мембрана по п.12, которая является осесимметричной.

14. Мембрана по п.13, в которой глубина канавки определяется диапазоном измеряемых давлений.