Датчик давления

Союз Советских Социалистических Республик(22) Заявлеио 010777 (21) 2501977/18-10с присоединением заявки Йо(51)м. кл.з 6 01 . 9/04 Государствеииый комитет СССР ио делам изобретеиий и открытий(71) Заявитель Московский авиационный технологический институт им. К.Э,Циолковского54) ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к устройству датчика давления, служащего для регистрации абсолютной величины и перепадов давления в жидких и газообразных агрессивных средах, имеющих высокую температуру. Известны датчики давления, чувствителЬный элемент которых выполнен в виде диска, изготовленного из диэлектрического материала, и содержит на внешней поверхности пленочную тензочувствительную схему. Тензочувствительный элемент крепится 1 в корпусе датчика специальной гайкой и герметизируется за счет листовых прокладок, Корпус, чувствительный элемент, прижимная гайка и прокладка конструкции датчика выполнены из ма териалов, имеющих различный коэффициент термического расширения. При высоких температурах окружающей среды такие датчики перестают быть рабо"1тоспособными, их точность и стабильность резко падают при температурах вьаае 100-150 оС. Датчики оказываются нестойкими к воздействиюагрессивной среды и высоких доз ра"диационного излучения 1). 30 Близкую к предлагаемому техническому решению конструкцию имеет датчик давления, состоящий из мембраны, диэлектрической подложки и тензочувствительной кремниевой схемы, полученной методом термического испарения в ваКууме. В этом случ чае воспринимающим элементом служит тензочувствительный слой кремния, Однако прибор не пригоден для работы при высоких температурах, так как.полупроводниковая часть датчи" ка оказывается чувствительной к изменению температуры и воздействию радиации и деградирует при температуре окружающей среды выше 125 оС 2Применение тугоплавких материалов в датчиках без дополнительной защиты оказывается малоэффективным при рабочих температурах прибора выше300 оС.Целью изобретения является повышение оадиационной стойкости при измерении высокотемператуоных средкУказанная цель достигается тем, что в датчикесодеожашем вакчумированный корпус, металлическую мЕмч бранут покрытую диэлектриком, тензочувствительную схему, металлическая мембрана покрыта двухслойнымдйэлектриком, причем слой ближний ,к мембране, покрыт бескислороднымматериалом а второй слой выполнениз радиационно- и термостойкого ма.териала. Для работы в условиях высоких температур, больших доз радиацион ного излучения и агрессивных средах может быть использован датчик, устройство которого и принципиальная конструкция изображены на Фиг.1.Мембрана датчика давления 1 посредством вакуумно плотного припоя или герметичного шва 2 соединена с металлической или металло- керамической крышкой 3. Коммутация осуществляется через гтеклянны 3- или керамический цоколь 4, в котором установлены выводы-керны из никеля, вольфрама или молибдена 5, являющиеся ножками схемы. Керны закреплены в стеклянном штенгеле, через который предварительно откачивают рабочий объем датчика давления б. Выводы 7 для термокомпенсации датчика выполнены йз многожильного никелевого или медного остеклованного микропровода с никелевыми лепестками на концах для контактирования с металлическими площадками схемы. Выводы тензорезисторов 8 выполнены аналогично.Пленочная конструкция тензореэистивного элемента состоит из тензочувствительного слоя 9. нане- сенного на слой изоляции. Для обеспечения стабильной работы датчика на Мембрану нанесен двухслойный диэлектрик, состоящий из нижнего слоя 10,. например пленки 51 М 4 толшиной 0,15-0,3 мкм, и слоя 11 верхнего диэлектрика, например 50, А 0 или оксинитрида, Контактные площадки выполнены из никеля с хромовым подслоем, толщина площадок 0,5-1 мкм, Поверхность металлической мембраны отполирована по 14 кл а мембрана изготовлена из жаропрочного сплава, например 52 НХТЮ, ВТ-б, ЭП. Тензочувствительный слой толщиной 0,2 мкм выполнен из кермета РС, К"50 БС или Т 4 А 10 Ь с удельным сопротивлением ниже 1 кОм/ /квадрат.Для устранения механических остаточных напряжений в пленочных компонентах схемы проводят Формующий отжиг прибора. Отжиг двухслойного диэлектрика осуществляют в атмосфере азота и аргона (,1:1) при температуре 550 фС в течение 15 мин. Отжиг готовой схевм с, контактньпа площадками проводят в вакууме 10 Па в течение 45 мин при температуре 450 оС. Герметизацию приборов осуществляют пайкой высокотемпературным припоем (ПСРи др.), кольцевой аргонно-дуговой сваркой крышки с5 О 15 20 мембраной, или сваркой расщепленным электродом с заключительной откачкой рабочего объема через штевгель в крышке.Прибор работает следующим образом.При изменении давления окружающей среды Р происходит прогиб упругой части мембраны, а затем деФормация диэлектрика и тензочувствительной части схемы. При деформации меняется электрическое сопротивление тензорезисторов и происходит разбаланс моста, составленного из этих резисторов, который фиксируется внешним измерительным устройством. Диэлектрик должен обеспечивать хорошую изоляцию, обладать высокой термостойкостью и хорошей адгезией к металлу, не содержать внутренних напряжений в рабочем диапазоне температур датчика и выдерживать большие дозы радиационного облучения,25 ЗО 35 40 45 0 53 0 65 Диэлектрическая пара подобранатак, что в процессе облучения прибора и накопления радиационных дефектов в диэлектриках происходитих взаимная компенсация и отжигпри рабочей температуре прибора.Термические КоэфФициенты расшире-.ния диэлектриков согласованы ссоответствующими коэффициентамиметалла мембраны и тензосхемы.В предлагаемом датчике слой нижнего диэлектрика, например нитридакремния, обращенный к металлу, обладает высоким коэффициентом термического расширения, а слой верхнего диэлектрика, .например тугоплавкого окисла, на котором располагается схема, обладает низким коэффициентом термического расширения,высокой радиационной стойкостьюи хорошей адгезией.В зависимости от рода работыи диапазона измеряемых давлений используют два типа конструкций мембраны и диэлектрического слоя датчика (Фиг.2),Для измерения низких давленийиспользуют цельнотянутую конструкцищполученную прессованием или холоднойштамповкой листовой стали (1), Дляизмерения больших давлений (до606 атм) используют массйвнуюконструкцию (2 ), полученную механической обработкой заготовки. Дляповышения тензочувствительностиатчика диэлектрик наносят послойно1) или селективно (2), а периметрнижнего воспринимающего слоя диэлектрика должен совпадать с периметромрабочей части мембраны (фиг.2)В процессе длительного радиационного облучения датчика происходитпреимущественная деградация диэлектрика, свойства резисторов и проводников изменяются значительно слабее.Для повышения радиационной стойкости датчика подобрана диэлектрическая пара, обладающая свойством термической компенсации дефектов, возникающих в структуре решетки при облучении материалов, Принцип компейсации, используемый в предлагаемом датчике, заключается в "самозахлопывании" кислородных и азотных вакансий, образующихся при радиационном облучении диэлектриков, содержащих окислы или нитриды. При высоких рабочих температурах датчика ослабляются немостиковые межатомные связи и ионы кислорода и азота мигрируют навстречу друг другу, заполняя области вакансий. Рекомендуется использовать следующие пары диэлектриков 81 М или А 1 О,или оксинитрид. Нижний слой диэлектрика, обращенный к металлу мембраны,не должен быть кислородсодержащим. 20Использование пленочных высокотемпературных материалов для изготовления тензочувствительной части схемы, а также вакуумной конструкции датчИка расширяет рабочий диапазон р 5 температур датчика до -50 в : +500 оС, диапазон измеряемых давлений до 0,01-600 атм, повышает порог 1 эадиационной стойкости до 10 н/см(быстрые нейтроны), 10 Ф н/см(тепловые нейтроны ); 10 э/см (быстрыеэлектроны) и до 1 Ф Р (гамма-иэлуче-,пние )формула изобретенияДатчик давления, содержащий вакуумированный корпус, металлическикую мембрану, покрытую диэлектриком,и тензочувствительную схему, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, с цельюповьааения радиационной стойкости приизмерении давления высокотемпературных сред, металлическая мембранапокрыта двухслойным диэлектриком,причем слой, ближний к мембране, выполнен из бескислородного термостойкого материала,а второй слой выполнен из радиационно- и термостайкого материала,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Патент Японии М 31397,кл. 111 С 23, 1971.2. Авторское свидетельство СССРР 249700, кл. 6 01 . 9/04, 1968853442 Составитель В.Козловор О.Филиппова Техред М,Табакович Корректор М,БарР одписн 5 иал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная,4 Заказ 5622/15 ВНИИПИ Госуд по делам и 113035, Моски