Датчик давления

САНИ БРЕТЕ Комитет Российской федерации пе патентам и товарным знакам(4 Щ 30.1293 Ьол. йв 47-48РЙ Белозубов Евгений МихайловичР 4) ДАРпв Длвления(, частности в датчиках давления при измерении пения в различных областях науки и техники Сущность изобретению в дачике давления содержащем корпус, закреплеевй в корпусе чувствитепьнвт элемент в виде полупроводниковой мембраны с тензозпементом, плату с подстроееьве резисторами размещенную с зазором относитепыю мембра. нц и токовыводы, вита размещена над мембраной и закреаюа на ней, причем величина зазора между ватой и мембраной не менее прогиба мембраны под действием максимаыю допустимого изме. ряемого давпениа Кроме того, токовыводы могут Ви) Ю 1 ао 266 ВИ.С 1.(51) плата закреплена при помощи лазерной сварм Зазор между платой и мембраной может быть обеспечен Гбразн еи прокпэд,.аьк жестко закреппееыми на боковой поверхностн конфигурация и размеры платы могут быть иденти ве конфигурации и размерам мембраны Плата может быть юпопнена в виде нескольких идентичва по размерам и конфигурации зпеменва Кроме того, по крайней мере частицею плата может быть располоКонфигурацю поверхности еаты, праежащей к чверхности мембрана при воздействии макимае ного допуаимого измеряемого давпеее и по крайней мере чась паты, припегакхцей к мембране, может быть вьовеенв из пепюппавкого материала, а на гензозлементы может быть наесено изоляционное покрытие. Цель изобретейщ уменьшение габарипех размеров, повыиеще надежности 8 зл,ф-пы,2 ю.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 сущности 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, Надежностьизвестной конструкции также низка из-занизкой стойкости к перегрузочному давлению.Согласно изобретению в датчике давления, содержащем корпус. закрепленную в5 10 15 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 мембрзной обеспечен введенными Г- образными прокладками, равномерно размещенными по периферии утолщенной части мембраны и жестко закрепленными на его боковой поверхности, Конфигурация20 и размеры платы идентичны конфигурациии размерам мембраны. Плата выполнена ваиде нескольких идентичных по размерам иконфигурации элементов, частично расположена перпендикулярно поверхности мем 25 браны. Конфигурация поверхности платы,прилежащей к мембране, совпадает с конфигурацией поверхности мембраны привоздействии максимально допустимого измеряемого давления. Кроме того, часть пла 30 ты, прилегающей к мембране выполнена излегкоплавкого материала, а на тензоэлементы нанесено изоляционное покрытие,Для обеспечения наличия причинноследственной связи между совокупностьюЗ 5 признаков и достигнутым техническим эффектом, рассмотрим более подробно конструкцию датчика, Размещение платы надмембраной, закрепление ее на мембране ивыполнение величины зазора между платой40 и мембраной не менее максимального прогиба мембраны под действием измеряемогодавления в максимальной степени уменьшает габаритные размеры, так как при любом другом взаимном, расположении"5 мембраны и платы увеличатся габаритныеразмеры, особенно в плоскости мембраны.Если величина зазора между платой и мембраной не будет минимальна, то увеличатсягабаритные размеры датчика, если же вели 50 чина зазора будет меньше прогиба мембраны под действием максимальнодопустимого измеряемого давления, то существенно снизится надежность вследствие искажения выходного сигнала при55 упоре мембраны в плату,Кроме того, предлагаемое взаимноерасположение подстроечной платы и мембраны исключает появление скрытых дефектов тенэоэлементов в результате настройкирезисторов подстроечной платы лазернымлучом, что повышает надежность датчика, Расположение таковыводов 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 имембраной 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 габаритнье 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 максимальнодопустимого 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 существенно5 10 15 50 55 окиси кремния,20 25 30 35 40 45 снизить надежность. Выполнение по крайней мере части подстроечной платы прилегающей мембраны из легкоплавкого материала и покрытие тензоэлементов изо. ляционным покрытием позволяетмаксимальной степени повысить надеЖность вследствие возможности максимальной идентичности конфигурации платы и мембраны.На фиг. 1 и 2 показана конфигурация предлагаемого датчика давления, соотнощения между размерами элементов конструкции для наглядности изменены. Датчик давления содержит корпус 1, полупроводниковый чувствительный элемент 2, в виде мембраны 3 с тенэоэлементами и утолщенной периферийной частью, закрепленный в корпусе при помощи допплнительной 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 масимально допустимого измеряемого давления,Токовыводы 7 могут быть расположены перпендикулярно поверхности мембраны.Мембрана и плата б вакуумированы, а плата б 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 б идентичны конфигурации и размерам мембраны. Плата б 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 материала, например из сплава Вуда, а на тензозлементы нанесено изоляционное покрытие, например, в виде плени мо и2005296 Формула изобретения1, ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ, содержащийкорпус, закрепленную в корпусе полупроводниковую мембрану с тензоэлементами 35и утолщенной периферийной частью, платус подстроечными резисторами, размещен-,ную с зазором относительно мембраны, итоковыводы, отличающийся тем, что в немплата с подстроечными резисторами раэ 40мещена с зазором над мембраной и закреплена на ней, причем величина зазоране менее максимального прогиба мембра-ны 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, отличающийсятем, что в нем мембрана и плата вакуумированы, а плата закреплена при помощилазерной сварки,4. Датчик по пп.1 - 3, отличающийсятем, что в нем зазор между платой и мембраной обеспечен введенными Г-образными 55прокладками, равномерно размещеннымипо 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 точ 5 10 15 20 25 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 за 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 СССР1 Ф 1485051, кл. 6 01 1. 9/04.Авторское свидетельство СССРМ. 1642284, кл. 6 01 1 904, 1989,ны и жестко закрепленными на ее боковойповерхности,5. Датчик по пп.1 - 4, отличающийсятем, что в нем конфигурация и размерыплаты идентичны конфигурации и размерам мембраны,6, Датчик по пп.1 - 5, отличающийсятем, что в нем плата выполнена в виде нескольких идентичных по размерам и конфигурации элементов,7, Датчик по пп.1 - 6, отличающийсятем, что в нем по крайней мере частичноплата располржена перпендикулярно к поверхности мембраны.8. Датчик по пп,1 - 7, отличающийсятем, что в нем конфигурация поверхностиплаты, противолежащей мембране, совпадает с конфигурацией поверхности мембраны при воздействии маКсимальнодопустимого измеряемого давления.9. Датчик по пп.1 - 8, отличающийсятем, что в нем по крайней мере часть платы, противолежащей мембране, выполненаиз легкоплавкого материала, а на тензоэлементы нанесено изоляционное покрытие.2005296 Составитель Е.БелозубовТехред М.Моргентал орректор О Густ едактор А.Бе Заказ 343 Тираж Подписно НПО "Поиск" Роспатента13035, Москва, Ж, Раушскэя наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул, Гагарина, 10