Датчик давления

(57) Использование: изобрк измерительной технике,Ю 2образователям. и может бйть использовано для измерения давленияжидкоСтей и газов.Цель изобретения - расширение диапазона гиазарян :; измерения. Сущность изобретения; датчик 12, .: .:,. давленйя содержит мембранные модули 4(их число может быть и1):с:иитегральными ток 2-ой междуна- . тензорезисторами и снабжены.они защитогия и метрологи- .:. ными пластинами 9, имеющими выемки, глупроизводства": бины которых равйы"максимальным ики,10-18 апреляпрогибам соответствующих мембран. Дат чик также сна.бжен электройй.ымиблоками5 для каждого мембранного-модуля или одетение относится "ним электронным блоком для работы-со всев частности к пре- ми мембранными модулями поочередно.1781572 Предлагаемое изобретение относится к компонентами электрической схемы, крышпервичного сигнала - давления в электрический сигнал для использования в информационных, контрольных, управляющих и т,д, сложность технологии изготовления, Насистемах, пример, длина, диаметр и масса этого датИзвестен полупроводниковый измеричика составляют 73,5, 24,5 мм и 100 гр 10 цеобразный элемент, дно с выводами и стеклянйыми изолирующими спаями, упрумикродатчика давления является промышленно. выпускаемый у нас в стране преобрагий оловяносвязующий промежуточный"СапфирДГ". Однако этот преобразоваэлемент, отверстие для подачи давления на мембрану через металлическое покрытие и тель крайне сложен, содержит большое коэлектриический изолирующий слой, множе- личество деталей и узлов, имеет большие ство связующих элементов (металлизиро- габариты и массу, Например, его габариты составляют 190 х 223 х 258 мм, масса - 13,6 кг ванйых поверхностей и клеевых соединейий), чувствительный ктемпературеэлемент и тонкопленочные резисторы; У предлагаемого микродатчика аналогичные параметры .составляют ф 20 х 32 мм и массане более 50 грСтоимость преобраИзвестный измеритель давления имеет сложную конструкцию и технологию изго- зователей "Сапфир" составляет 600 рубтовления, вызванные наличием множества 25 иболее,Как и у прототипа, так и у указанных ,Ъ деталей и узлов, их соединениями друг с аналогов диапазон измерения невелик, по тем же причинам - наличием одной мембрадругом с помощью промежуточных элементов. Кроме того. данный измеритель. предны со своим фиксированным диапазоном ставляет не завершенный датчикдавления,30 измерения, выше которого ломается мемба -ишь мембранный модуль, оформленный конструктивно в вышеописанном конструк- рана, а ниже не обеспечивается необходитивном исполнении т,е. представляет со- мые метрологические характеристики, Для измерения обьектов с широко изменяемым диапазоном давлений потребуется некотобой лишь измерительныйпреобразователь, а не датчик. В данном измерителе отсутствует электронный блок усиления сигнала лами измерений, что практически делает вследствие чего величина его выходного сигнала мала. Массогабаритные параметры данное измерение невозможным.и стоимость высоки, диапазон измеренияЦелью изобретения является расширение диапазона измерения с одновременным повышением технологичности изготовления, уменьшения массы габариный диапазон измерения, вне этого товдатчиковдавления,уменьшениястоимо 45 Известен также тензометрический даттензорезисторами и таким же числом электронных. блоков преобразования сопротивчик давления, содержащий диафрагму ления тензорезисторов в электрический сигнал, при этом корпус выполнен в виде сложной формы, корпус, штуцер, дополнительную диафрагму, образующую герме 50 тичную эталонную камеру, плату с полого штуцера, имеющего со стороны одМембранные иодули расположены на плоских площадках основания 1 датчика, которое снабжено подводящими давление сквозными каналами 3, а электронные блоизмерительной технике и может быть использовано в качестве измерительнбго прибора получения и преобразования тель давления, содержащий полупроводниковую мембрану, металлический корпус, металлическое кольцо, изолирующий кольневелик. Ето диапазон измерения невелик, т,к. содержит один мембранный модуль, который имеет свой зафиксированный расчетинтервала измерения работа или метрологические характеристики датчика не гарантируются,ки 5 (их число также может быть п 2 1)собраны на боковой поверхности основания, б ил. куНедостатками данного датчика являются: сложность конструкции (многочис 5 ленные детали и узлы) и высокие массогабаритные параметры, стоимость и соответственно, Диапазон измерения сравнительно невелик, Наиболее близким аналогом - прототипом предлагаемого 15 зоватекь гидростатического давления 35 рое количество датчиков с разными предести и повышения надежности датчика,Зта цель достигается тем, что устройство снабжено дополнительными мембранными модулями с интегральныминого торца элемент для захвата ключом, а со стороны другого торца - элемент для крепления к измеряемому объекту, причем внутри штуцера посредством герметической заделки помещено основание, на котором размещены мембранные модули, электронные блоки и гермовводы, при этом мембранные модули расположены на площадках, выполненных на основании, а мембраны сообщены с измеряемой средой посредством каналов, выполненных в основании. Кроме того, в устройстве мембранные модули снабжены защитными пластинами с зазорами, равными максимальному прогибу мембраныы.На фиг, 1-3 дан предлагаемый датчик в различных проекциях; на фиг. 4-6 - модификация устройства в проекциях.Датчик давления содержит основание 1 с выводами 2 с одной торцовой стороны и фигурным отверстием 3 (например Г-образным, как показано на фиг. 2 или Т-образным, как показано на фиг, 4) со стороны противоположного торца основания, мембранный модуль 4, закрепленный над отверстием 3, электронный блок 5, также закрепленный на боковых поверхностях основания 1, корпус 6, закрепленный к основанию, Между основанием 1 и корпусом 6 образована область (полость) эталонного давления 7, где, собственно, расположены мембранный модуль 4. и электронный блок 5, Мембранный модуль 4 представляет собой пластинку из моно- кристалла кремния с интегральной измерительной схемой на поверхности, а электронный блок - печатную плату из. полиимидной пленки или микросборку на ситалловой подложке с выполненными на них электрическими компонентами - резисторами, диодами, операционными усилителями и т.д. Мембранный модуль 4 закреплен к поверхности 1 ж и.1 з основания 1 с помощью связующего состава 8. Для компенсации температурных погрешностей измерения необходимо выбрать материалы основания 1 и связующего состава 8 с близкими температурными коэффициентами линейного расширения к аналогичному коэффициенту кремниевой мембраны. Электронный блок 5 может быть закреплен к основанию с помощью известных.способов закрепления. К основанию 1 закреплены несколько мембранных модулей 4 с различными толщинами мембран для измерения широкого диапазона давлений, При этом они снабжены защитными пластинами 9, а зазор и между мембраной и защитной пластиной 9 должен быть расчитан на определенную величину прогиба для данного10 20 25 30 ночных или навесных резисторов, активных 35 50 55 40 45 мембранного модуля. Конструкция фигурных отверстий 3 продиктована несколькими соображениями, Во-первых, для предохра. нения мембраны от поломки при прямом попадании острого предмета в отяерстие; во-вторых, зависит от требуемого количества закрепляемых мембран, Боковая поверхность основания 1 со стороны отверстия для подачи давления выполнена в виде многогранной фигуры для закрепления нескольких мембран, На внешних поверхностях обоих торцов основания 1 по их периметру и ближе. к краям выполнены углубления кольцевые канавки) 10, образующие тонкие кольцевые стенки 11 и 12 в торцах основания и корпуса для дальнейшей приварки их друг к другу лазерным или электронным лучом или другим известным способом для образования герметичной полости 7. Боковые поверхности 1 а, 1 б, 1 в и 1 г основания,ориентированные перпендикулярно к торцовым поверхностям 1 д и 1 е, предназначены для закрепления плат электронного блока. Число поверхностей 1 а, 1 б, 1 в и 1 г центральной части основания может быть и3, т,е, центральная часть может представлять собой многогранник или цилиндрическую поверхность при и -) со, Электронный блок выполнен на базе плеэлементов - операционных усилителей и диодных матриц, Ниже поверхностей 1 а, 1 б, 1 в и 1 г сформированы поверхности 1 ж и 1 з для закрепления мембран. Число поверхностей также может быть и3, Корпус 6 выполнен в виде штуцера (с резьбой или в виде "елочной" конструкции), в полость которого вставляется основание в сборе, На торцовых поверхностях корпуса, как и на торцах основания, выполнены канавки, но уже непосредственно у внутренних диаметров, образующие стенки 13 и 14, по которым корпус приваривается к основанию. Со стороны гермовводов в корпусе выполнен элемент крепления для захвата ключом, в частности, в форме гайки под ключ, В датчикедавления выполнено отверстие 16 для вакуумирования полости 7, При необходимости создания микродатчика относительного давления отверстие не заваривается, В торце 1 д выполнены отверстия, в которые вставлены выводы 2 микродатчика и прикреплены к основанию с помощью стекла (или герметика),образуя, таким образом, гермовводы, В торце 1 е выполнено фигурное отверстие 3 для подачи давления измеряемой среды на мембрану,, Таким образом в конструкции устройства осуществлена высокая степень интеграции механических и электрических компонентов, Например, основание 1 выполняет функции несущей конструкции мембраны и электронного блока, каналаДКя"подачи давления, г ермовводов - разъема и крц ш к и (торец и гермовводами), корпус 6 выполняет функции крышки для предохранения электронного блока и мембранного модуля. крышки для создания полости для электронного блока и мембраны, штуцера для закрепления микродатчика к измеряемому объекту и крепежного элемента,Датчик давления работает следующим образом. Предварительно он закрепляется на измеряемый объект, т.е, корпус 6 датчика ввинчивается в измеряемый объект, Гермовводы 2 подключаются к источнику питания" м вторичной аппаратуре, например к индикатору (на чертежах не показаны). При подаче измеряемой среды (т.е, давления) она по фигурному отверстию 3 попадает на мембранный модуль 4, Мембрана деформируется, врезультате чего в ней появляются механические напряжения, которые приводят к разбалансу измерительной схемы, В результатеэтого разбаланса на выходе мембранного модуля появляется выходной сигнал в виде напряжения или тока, пропорциональный измеряемому давлению. Этот электрический сигнал усиливается электронным блоком 5 и через гермовводы 2 подается на вторичную аппаратуру.Подаваемое давление одновременно попадает на все мембранные модули, при этом измеряемый диапазон совпадает с расчетным диапазоном одной из мембран работают то все мембранные модули), При этом она дает максимальный выходной сигнал. Далее, при повышении давления мембрана с мйнимальной толщиной упирается в загцитную пластину и отключается от измери ельной схемы, при этом включается в измерительную схему следующая. более толстая мембрана и т,д.5 Таким образом, благодаря выполнениюмембранного модуля и электронного блока микроэлектронной технологией и совмещению их на едином основании, снабженным гермовводами и фигурным входным отвер стием, а также совмещению функции корпуса и штуцера создается возможность изготовления малогабаритного, легкого, дешевого и надежного датчйка давления жидкостей и газов с широким диапазоном 15 измерения.По сравнению с прототипом предлагаемое устройство имеет габариты на порядок меньше, массу надва порядка меньше(в 450 раз) и в 20-25 раз меньшую стоимость, 20Формула изобретения Датчик давления, содержащий мембраннцй модуль с интегральными тензорезистор.ами, электронный блок 25 преобразования сопротивления тензорезисторов в электрический сигнал, основание, корпус и гермовводы, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью расширения диапазона измерения, он снабжен дополнитель ными мембранными модулями синтегральными тензорезисторами и таким же числом электронных блоков преобразования, при этом мембранные модули, электронные блоки и гермовводы размещены на 35 основании, причем мембранные модули закреплены на плоских площадках, выполненных в основании, которое снабжено подводящими сквозными каналами и снабжены защитнцми пластинами с выемками, 40 глубина которых ровна максимальному прогибу мембраны.1781572 Составитель э.ЕгиазарянРедактор В.Трубченко Техред М,МоргенталКорректо зориз анно.иедатесьский.комбинат "патент", г, ужгород, ул.уагарина, тО Произ аказ 4269 . Тираж . . .: Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, МоскваЖ, Раушская наб., 4/5