CS256798B1 - Polovodičový snímač tlaku - Google Patents

Abstract

Podetata navrženého řešení spočívá v tom, že funkční křemíková membrána je překrytá ochrannou folií ve tvaru kruhové membrány, která je pevně spojena s povrchem funkční křemíkové membrány přímo nebo pomooí tmelu. Tmelem je vyplněn prostor mezi funkční křemíkovou membránou a ochrannou folií po celé ploše nebo po obvodě funkční křemíkové membrány v místě jejího qpevnění na základnu. Okraj ochranné folie je zatmelen mezi vybrání tělesa a základnu.

Description

Vynález se týká polovodičového snímače tlaku určeného především pro přímá měření tlaků v lékařství, průmyslu a laboratoří ch, zejména v prostředí se zvýšeným mechanickým znečištěním.

V současné době se polovodičové snímače tlaku a vetknutou kruhovou křemíkovou membránou vyrábí » hlediska přenosu tlaku ve dvou základních provedení ch. Tlak může být přiváděn buá přímo na zadní střená fUnkční křemíkové membrány S aktivními prvky, nebo na křemíkovou membránu ze strany aktivních prvků, t.j. odporů a kontaktů pomocí olejové náplně přes pružnou kovovou oddělovací membránu. Obě provedení mají nevýhodu v tom, že při měření tlaků v prostředí se zvýšeným mechanickým znečištěním ae usazují nečistoty na povrchu membrány, což značně snižuje jejich funkční použitelnost a životnost. Čištění funkčních ploch těchto membrán není možné z důvodu vysokého rizika Zničení funkční křemíkové membrány.

Při měření tlaků nebo posuvu hornin pro důlní nebo geologické účely, včetně modelových měření, dochází často vlivem ostrohremmých zrníček horniny k narušování povrchů funkční křemíkové membrány tlakového čidla. Rovněž často dochází k dokonalé adhezi měřeného kontaktního materiálu s funkční křemíkovou membránou tak, že pO měření je Zcela znemožněno vyjmutí a oddělení čidla bez zničení funkční membrány. Tím se tlakové čidlo po jedné aplikaci zcela znehodnotí. ' ‘

V průmyslu jsou polovodičové snímače tlaku využívány např. při měřeni tlaků v potrubích nebo tlakových nádobách, přičemž jsou převážně upevňovány přímo do stěny potrubí nebo tlakové nádoby tak, aby rovina membrány byla totožná s vnitřní plochou potrubí nebo tlakové nádoby. V lékařství je využíváno polovodičových snímačů tlaků pří měření mozkOmíěních tlaků přímou cestou nebo při měření tlaků respiračních plynů. V těchto případech bývá zpravidla 256798

- 2 využíváno kovových membrán zhotovených z kvalitních, pružných, vysoce legovaných nerez ocelí, které jsou v přímém kontaktu a měřeným prostředím, např. technickým plynem, proudící kapalinou, v případě lékařství s epidúrální blánou nebo proudícími výdechovými plyny. Měřený tlak deformující membránu je měřen pomocí tenzometrických nebo kapacitních e induktivních převodníků, umístěných za kovovou membránu. J3e~li o prostředí s dostatečnou čistotou bez působení mechanického charakteru, ncpř. koloidní částečky, působení vysoce vizkozních kapalin, jsou používány křemíkové membrány s difuznínri tenzometry, které jsou v přímém kontaktu s měřeným prostředím. Pro případ měření.mozkomíšních tlaků je přímý mechanický kontakt křemíkové membrány a epidúrální blány vyloučen z bezpečnostních důvodů. Proto jsou v technické praxi používány i propojovací redukce s trubičkami a hydraulickým přenosem tlaku.

V lékařská praxi je používáno specielních katetrů vyplněných vhodným roztokem nebo katetrů uzavřených membránou.

Nevýhodou dosud používaných polovodičových snímačů s kovovou přestupní membránou je větSí tepelná dilatace olejové náplně, tuhnutí oleje pří záporných teplotách a přídavná hystereze kovové oddělovací membrány, které se výrazně uplatňuje při měření tlaků poď 100 kPa. Snímače tohoto typu jsou málo odolné proti pádům a vibracím. Technologie výroby je velmi složitá a lze jen obtížně docílit rozměrové miniaturizace i hmotnostní minimalizace. Přímý přenos tlaku na křemíkovou membránu má malou odolnost proti náhodné destrukci a tato čidla snadno podléhají působení přímých mechanických vlivů. Tím je snížena spolehlivost i bezpečnost měření,

Což je často nepřípustné, zvláště při měření v lékařství. Oddělení pomocí redukcí, trubiček, katetrů s různými médii nebo oddělovacích membrán s olejovou náplní vždy zhoršuje základní vlastnosti snímačů, měření je zatíženo častými artefakty a reprbdukovatelnóst výsledků bývá často problematická.

Pro řadu závažných aplikací lze převážnou část výše uvedených nedostatků odstranit polovodičovým snímačem tlaku podle vynálezu,

- jehož podstata spočívá v tom, že funkční křemíková membrána je překryta ochrannou fólií ve tvaru kruhové membrány, která je pevně spojena s povrchem funkční křemíkové membrány přímo, nebo pomoci tmelu. Tmelem je vyplněn prostor mezi fUnkční křemíkovou membránou a ochrannou fólií po celé ploše nebo pó obvodě funkční křemíkové membrány v místě jejího upevněnína základnu. Okraj ochranné fólie může být zatmělen mezi vybrání tělesa a Základnu.

- 3 Ochranná fólie může být tvořena nepř. vrstvou korozi odolného kovu, např. chrómu, titanu, niklu, zlata, nerez oceli nebo vrstvou syntetického materiálu, teflonu, PVC, silikonu, umakrylu, polystyrénu, polyethylenu a pod. Způsob upevněni ochranné membrány může umožnit buň její výměnu, nebo stálé neměnné připevnění. Možnost výměny ochranné membrány může být úspěšně řešena pomocí snímatelných adhesních ochranných fólií s plošným nebo Obvodovým připevněním. Stálé ochranné fólie mohou být vytvořeny např. napraδ ováním, elektrochemickým vylučováním, nanesením a vytvrzením lakové vrstvy nebo tmelením.

Přednostní polovodičového snímače tlaku s ochrannou fólií podle vynálezu je zvýšení mechanické odolnosti, funkční bezpečnosJ ti a možnosti příméhď mechanického kontaktu i se značně znečištěným nebo agresivním měřeným prostředím, přičemž je docíleno velmi dobrých elektrických vlastností těchto snímačů, přesnosti fUnkcí a kvalitního dynamického přenosu. Dále je dosaženo vysoké korozní odolnosti, dobré linearity, tepelné i časové stability, odolnosti proti chvění a rázům, hmotnostní á rozměrové minimalizace, využívající předností progresivní modifikované technologie výroby integrovaných obvodů.

Při lékařských aplikacích, např. při kontaktním měření tlaku epldUrální blány v mozkomíšním prostoru, je dosaženo zvýšení provozní mechanické bezpečnosti snímače tlaku ták, že např. při případné destrukci křemíkové membrány při zavádění snímače nedojde k vysypání křemíkových zbytků z membrány do mozkomíšního prostoru.

Při používání polovodičového snímače tlaku s ochrannou fólií , podle vynálezu pro geologická měření materiálů s ostrohrennými zrny dojde k rozložení bodových tlaků, např. křemenných zrn, na plošný tlak, čímž se uchrání funkční křemíková membrána proti mechanickému poškození a zničení.

Při použití polovodičových snímačů tláku se snímatelnou ochrannou fólií podle vynálezu tvořenou nápř. několiksmikronovou vrstvou vytvrzeného umákryloyého laku, na kontaktní měření objemových změn cementových směsí, umožní ochranná fólie po měření následné oddělení cementové směsi od křehké funkční křemíkové membrány bez jejího poškození nebo destrukce a opětné funkční použití tohoto snímače tlaku.

- 4 Na připojených výkresech je znázorněno příkladné provedení polovodičového snímače tlaku s ochrannou fólií podle vynálezu.

*

Na obr. 1 je v řezu znázorněno provedení snímače tlaku s ochrannou fólií ve tvaru kruhové membrány, připevněné po celé ploše křemíkové membrány. Na obr. 2 je znázorněno v řežu provedení snímače Háku s ochrannou fólií ve tváru kruhové membrány, připevněné po obvodě křemíkové membrány v místě jejího upevnění na základnu.

Na obr. 1 je znázorněn v řezu polovodičový snímač tlaku podle vynálezu s ochrannou fólií 4 ve tvaru kruhové membrány připevněné k funkční křemíkové membráně χ po celé ploše pomocí tmelu χ. FUnkční křemíková membrána 3 opatřené difuzními tenzometrickými odpory 8 je upevněna na základnu 2, která je vložena do tělese 1· Difúzní tenzometrické odpory 8 jsou propojeny do Wheatstoneova odporového můstku pomocí zlatých vodičů 6, drátových vodičů 7, vodivého tmelu 9 a pomocného plošného spoje 12. Okraj 10 ochranné fólie 4 je zatmelen mezi vybrání 11 tělesa 1 a základnu 2.

Na obr. 2 je znázorněn v řezu polovodičový snímač tlaku podle vynálezu s Ochrannou fólií 4 ve tvaru kruhové membrány připevněné po obvodě funkční křemíkové membrány χ v místě jejího upevnění na základnu 2 pomocí tmelu χ. Funkční křemíková membrána 3 opatřená difuzními tenzometrickými Odpory 8 je připevněna na základ nu 2, která je vložena do tělesa 1. Difúzní tenzometrické odpory 8 jsou propojeny do Wheatstoneova odporového můstku pomocí zlatých vodičů 6, drátových vodičů 7 vodivého tmelu χ a pomocného plošného spoje 12.

Polovodičový snímač tlaku podle vynálezu sestává ze základny 2 zhotovené např. ze skla, křemíku nebo korundové keramiky, na kterou je připevněna křemíková membrána χ, která je opatřena difuzními tenzometrickými odpory 8, které jsou propojeny do Wheatstoneova odporového můstku pomocí zlatých vodičů 6, drátových vodičů 7, vodivého tmelu 9 a pomocného plošného spoje 12. Zlaté vodiče 6 a drátové vodiče 7 jsou navzájem propojeny pomocí vodivého tmelu χ na vnitřní stěně základny 2. Wheatstoneoův odporový můstek je napájen ze zdroje konstantního proudu nebo napětí a výstupní napětí je úměrné působícímu tlaku, který deformuje funkční křemíkovou membránu 3. Ochranná fólie 4 je spojena s funkční křemíkovou membránou j přímou adhesí nebo pomocí tmelu χ. Tím je dosaženo vysoké mechanické odolnosti polovodičového snímače tlaku jak při prů256798

- 5 nyslových, tak i lékařských aplikacích, např. při kontaktu s epidurální blánou mozku nebo při styku s médiem, které má mírné abrasivní účinky, např. koloidní roztoky. Ochranná fólie 4 splňuje funkci oddělovací membrány bez nutnosti použití oddělovacího média. Ochranná fólie £ ve tvaru kruhové membrány je pomocí tmelu g připevněna buá po celé ploše_řnebo po obvodu funkční křemíková membrány g, čímž je docíleno dobrých dynamických vlastností, vysoká mechanická odolnosti snímače a bezpečnosti měření. V případě, že ochranná fólie 4 ve tvaru kruhové membrány je pomocí tmelu g připevněna jein po obvodě funkční křemíkové membrány g v místě jejího upevnění ně základnu 2, je docíleno lepší stability teplotní i časové, přenos tlaku je pak přímý, kontaktní a je výrazně omezen případný vliv tmelu g na funkční křemíkovou membránu g. Pro obvodové tmelení kovové ochranná fólie je vhodná její mechanická tvarování vymezující Obvodový prostor pro její pří tmelení, přičemž zvýěení obvodu fólie ve tvaru mezikruží má mít větěí průměr než je průměr otvoru v základně určující funkční průměr pevného vetknutí křemíkové membrány. Tím se zachytí případný přídavný tlak ochranné fólie na funkční plochu křemíkové membrány.

PŘEDMĚT VIRÍLEZU

Claims (2)

1. PŘEDMĚT VIRÍLEZU ·· »

   Polovodičový snímač tlaku sestávající ze záklAdgy_> tělese a funkční křemíkové membrány s difuzními tenzometrickými Odpory propojenými do Wheatstoneova odporového můstku pomocí zlatých vodičů, drátových vodičů, vodivě propojených s pomocným plošným spojem, vyznačený tím, že funkční křemíková membrána /3/ je překryta ochrannou fólií /4/ ve tvaru kruhové membrány, která je pevně spojena s povrchem funkční křemíkové membrány /3/ přímo nebo tmelu /5/, přičemž tmelem /5/ je vyplněn prostor mezi funkční křemíkovou membránou /3/ a ochrannou fólií /4/ po celé ploše nebo pe obvodě funkční křemíkové membrány /3/ v místě jejího upevněni na základnu /2/ a okraj /10/ ochranná fólie /4/ je zatmelen mezi vybrání /11/ tělesa /1/ a základnu /2/.«
2. 2 výkresy