NO179651B - Trykkmåler - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse angår en trykkmåler for meget høye trykk og basert på et Bourdonrør-lignende prinsipp, omfattende et i det vesentlige rett, bjelkeformet måle-element som har et langstrakt hulrom beliggende eksentrisk i måle-elementets tverrsnitt, og som er understøttet av en bæredel ved den ene ende.

Når det her er tale om meget høye trykk, kan disse typisk være av størrelsesorden 1000 bar. Videre er det for interessante anvendelser av en slik trykkmåler av betydning at omgivelsestemperaturene kan være temmelig høye, typisk 200°C, samtidig som trykkmåleren bør ha små geometriske dimensjoner.

En trykkmåler består i prinsippet av et fjærelement og et måle- eller sensororgan. Vanlige, kommersielt tilgjenge-lige trykkmålere basert på silisiumteknologi kan benytte silisium-membraner som fjærelement, forsynt med diffunderte piezo-motstander som sensororganer. Slike motstander er imidlertid ikke egnet for høye omgivelsestemperaturer. Kapasitive sensororganer på silisium-membraner vil ikke ha tilstrekkelig stor nedbøyning hvis de skal dimensjoneres for høye trykk. I det hele tatt er de kjente fjærelementer som brukes for måling av moderate trykk, såsom membraner og Bourdon-rør, lite egnet for høye trykk, dersom de skal brukes sammen med et måle- eller sensororgan basert på deteksjon av bevegelse, fordi den absolutte bevegelse er liten når fjærelementet skal være lite.

Foreliggende oppfinnelse utnytter det lenge velkjente Bourdon-rør-prinsipp, som tidligere har vært utnyttet i mange forskjellige utformninger for trykkmåling. Et spesielt eksempel i form av et Bourdon-barometer eller mikrobarometer er beskrevet på side 459 i "Handbok i finmekanik",

K G Bertmarks Forlag Aktiebolag, Sverige. Måle-elementet i dette kjente, noe spesielle barometer, består av et spiral-bøyet, evakuert metallrør, hvis ene ende er festet til en bæredel eller et stativ.

Ved anvendelser som er påtenkt i forbindelse med foreliggende oppfinnelse, spesielt de meget høye trykk og ønsket om små dimensjoner, kreves det imidlertid helt andre løsninger enn i det nettopp nevnte mikrobarometer.

Innen klassisk trykkmåling har det lenge vært kjent at et eksentrisk utboret Bourdon-rør er et velegnet fjærelement for måling av høye trykk. Slike trykkmålere er beskrevet av: J. Wuest: Theorie des Hochdruckmessrohres mit ausmittiger Bohrung; Ingenieurarchiv XIX Band 1951 og J. Gielessen: Elastisches Stabmanometer mit exzentrischer Bohrung fiir Drucke bis 9500 kp/cm2; Zeitschrift fiir angewandte Physik Band 8 Heft 4, 1956.

Disse kjente former for trykkmålere beregnet for høye trykk, får alle det aktuelle trykkmedium innført innvendig. Det hovedsakelig rette, bjelkeformede måle- eller fjærelement med et langstrakt eksentrisk hulrom, vil under trykkpåvirkning få en krumning eller utbøyning som er proporsjonal med det pålagte trykk. Disse kjente former for trykkmålere kan ansees å representere den mest nærliggende tekniske bakgrunn for foreliggende oppfinnelse.

På bakgrunn av den foran omtalte, kjente teknikk, har en trykkmåler som innledningsvis angitt, nye og særegne trekk som primært består i at måle-elementet er sammensatt av to hovedsakelig plateformede deler fremstilt i planarteknikk, fortrinnsvis av silisium eller kvarts, at den ene platedel er utformet med en langstrakt utsparing i den overflate som vender mot en samvirkende overflate på den annen platedel for dannelse av det eksentriske hulrom, at de to platedeler er sammenføyet ved de nevnte overflater på en slik måte at hulrommet er tettsluttende lukket, og at måle-elementet er innrettet til utvendig å utsettes for de meget høye trykk som skal måles.

Oppfinnelsen har således utnyttet det omtalte kjente måleprinsipp ved å sette sammen det eksentriske Bourdon-rør på en ny måte, dvs. ved bruk av mikromekanisk fremstillings-teknikk, nemlig planarteknikk som er vel utviklet bl.a. for silisium som hovedmateriale. De to plateformede deler settes sammen til et bjelkelignende måle-element, fortrinnsvis ved hjelp av anodisk bonding, som gir en sterk og sigefri forbindelse, slik at måle- eller fjærelementet som helhet vil virke som en hel, integrert bjelke bestående av ett materialstykke, idet materialet fortrinnsvis er silisium. Det eksentriske hulrom kan enten være fylt av gass ved atmosfæretrykk, eller det kan være evakuert.

Utførelsesformer av trykkmåleren ifølge oppfinnelsen skal som eksempler beskrives nærmere nedenfor, under henvis-ning til tegningene, idet også ytterligere særegne trekk og fordeler ved trykkmåleren vil fremgå av den følgende beskriv-else.

Fig. 1 viser i forenklet lengdesnitt et første eksempel på

en trykkmåler med et måle-element og et referanse-element understøttet på en bæredel eller underlagsbrikke, som her kan bestå av pyrexglass,

fig. 2A/2B viser i prinsippet en trykkmåler som på fig.

1, men med det aktive målé-element (fig. 2A) adskilt mekanisk og elektrisk fra referanseelementet (fig. 2B), og

fig. 3 viser noe forstørret en foretrukket tverrsnittsform av måle-elementet, slik det f.eks. inngår i utfør-elsene på fig. l og fig. 2A.

Den trykkmåler som er vist eksempelvis og skjematisk i lengdesnitt på fig. 1, omfatter et bjelkelignende måle-element 10A som har en fri (høyre) ende, mens den motsatte ende er forankret til en bæredel eller underlagsbrikke 15, gjennom et mellomstykke 18. Dette mellomstykke 18 kan eventuelt ansees å være en integrert del av underlagsbrikken 15. Målebjelken 10A omfatter et lukket, langstrakt hulrom 12, som er dannet på en spesiell måte, slik det skal beskrives nedenfor.

Som en fortsettelse av måle-elementet 10A og beliggende nærmest symmetrisk til dette i forhold til mellomstykket 18, er det anordnet et bjelkeformet referanseelement 10B. De to elementer 10A og 10B kan ha en integrert oppbygning basert i prinsippet på to plateformede deler 13 og 14/19. Disse er i henhold til oppfinnelsen fremstilt i planarteknikk, fortrinnsvis av silisium som nevnt ovenfor, eller eventuelt kvarts. Også andre materialer med lignende egenskaper og egnet for fremstilling i planarteknikk, kan tenkes anvendt.

Planarteknikk i denne sammenheng innebærer bl.a. etsing av en langstrakt utsparing 16 i platedelen 14, for dannelse av hulrommet 12 ved sammenføyning av platedelen 14 og refe-ranseelementets platedel 19, med den felles overliggende platedel 13, slik som illustrert på fig. 1. Samvirkende overflater, som vist ved henholdsvis 13A og 14A på de to platedeler, blir sammenføyet fortrinnsvis ved anodisk bonding, slik at hulrommet 12 blir tettsluttende og trykktett lukket. I en normalt påfølgende operasjon blir det samlede bjelkeformede måle-element 10A med referanseelement 10B bondet til bæredelen 15, som i denne utførelse kan være av glass, f.eks. Pyrex 7740.

Hulrommet 12 vil representere et referansetrykk, såsom atmosfærisk trykk, eller en vakumreferanse, og når omgivel-sestrykket på utsiden av måle-elementet belaster dette, vil det virke en sentrisk kraft aksielt på måle-elementet 10 når hulrommet 12 er eksentrisk plassert i dette, slik at det oppstår et bøyemoment i måle-elementet, med det resultatet at en utbøyning av dette vil finne sted. Det sammensatte måle-element eller fjærelement vil derfor krumme seg når omgivel-sestrykket øker. Krumningen vil øke proporsjonalt med trykk-differansen mellom trykket utenfor måle-elementet og trykket i hulrommet 12. Dersom dette hulrom er evakuert, vil således krumningen av måle-elementet være proporsjonal med det absolutte omgivelsestrykk.

Nedbøyningen eller krumningen av måle-elementet 10B kan måles på forskjellige måter. I det her beskrevne utførelses-eksempel måles krumningen i form av en kapasitansmåling. Som det fremgår av fig. 1 er det på oversiden av bæredelen 15 anbragt kondensatorelementer 15A resp. 15B for samvirke med undersiden av henholdsvis måle-elementet 10A og referanseelementet 10B. Når disse elementer består av det elektrisk ledende materiale som silisium, trenger det ikke å ha noe særskilt kondensatorelement eller -belegg for samvirke med kondensatorelementene på oversiden av bæredelen 15. Ved trykkmåling sammenlignes forandringer i kapasitans for kondensatoren 15A/14 med kapasitansen for referansekondensatoren 15B/19, som er tildannet på analog måte med den førstnevnte kondensator.

De to platedeler 13 og 14/19 består således fortrinnsvis av samme materiale, nemlig silisium, mens bæredelen 15 her forutsettes å bestå av et elektrisk isolerende materiale, nemlig glass. Denne konstruksjon med en bæredel av glass, vil kunne ha ulempen av ikke å kunne være tilstrekkelig mekanisk stabil når det stilles store krav til langtidsstabi-litet i anvendelser hvor det forekommer høye temperaturer. Det foretrekkes derfor at bæredelen består av samme materiale som måle-elementet, eventuelt også referanseelementet, særlig silisium. Isåfall må det sørges for elektrisk isolasjon mellom måle-elementet resp. referanseelementet og tilhørende bæredel. En slik utførelse skal omtales nærmere under hen-visning til fig. 2A og 2B.

Selve måle-elementet 10A, eventuelt referanseelementet 10B, kan også i prinsippet være sammensatt av platedeler bestående av forskjellige materialer, men dette vil kunne føre til uønskede deformasjoner under innvirkning av omgivel-sestrykket. Rent bøyningsmessig kan imidlertid et bjelkeformet måle-element sammensatt av to forskjellige materialer, tilnærmet ekvivaleres med en annen bjelke bestående av bare ett eneste materiale.

En praktisk utførelse av en trykkmåler som i prinsippet illustrert på fig. 1, kan ha ytre dimensjoner av størrelse 17,5 mm x 3,5 mm x 1,5 mm. Disse dimensjoner kan være mindre dersom sensororganene for avføling av måle-elementets bøyning under trykkpåvirkning er basert på andre virkninger enn den her beskrevne, kapasitive måling. Et måle-element med de eksempelvis angitte dimensjoner kan være konstruert'for omgivelsestrykk på maksimalt 1000 bar eller høyere, såsom opp til 2500 bar. Nedre trykkgrense for tilstrekkelig nøyaktig måling kan være fra 100-500 bar. De aktuelle trykkområder for målingen vil selvsagt kunne variere betydelig, avhengig av den påtenkte anvendelse, med tilsvarende avpasning av relative dimensjoner og andre konstruksjonsparametre for trykkmåleren.

I utførelsen på fig. 2A og 2B er bæredelen 25A for måle-elementet 2OA (fig. 2A) og tilsvarende bæredelen 25B for ref eranseelementet 20B (fig. 2B), forutsatt laget av et elektrisk ledende materiale i likhet med materialet i henholdsvis måle-elementet og referanseelementet. Nærmere bestemt er det også her foretrukket å anvende silisium.

Løsningen på fig. 2A og 2B forutsetter således en mekanisk adskillelse av den trykkaktive sensordel (fig. 2A) og den passive referansedel (fig. 2B). Denne utformning løser de kombinerte elektriske/mekaniske problemer i sammen-hengen, og har videre den fordel at utførelsen blir forholds-vis enkel. Mer detaljert viser fig. 2A et måle-element 2OA som er montert på bæredelen 25A med et isolerende mellomlags-element 28A ved den ene ende av det bjelkeformede måle-element 2OA, som rager fritt ut mot sin motsatte ende. Elementet er sammensatt av to plateformede deler 23 og 24, hvor den sistnevnte del har en utsparing 26, som begrenset av platedelen 23 fører til dannelse av det langstrakte, eksentriske hulrom 22. For sammenføyning av de to platedeler 23 og 24 kan det med fordel benyttes tynne sammenføyningsfuger av pyrex-glass for anodisk bonding. Denne bonding eller fuge er vist ved 21A på fig. 2A. Tykkelsen av fugen 21A er sterkt overdrevet på denne skjematiske tegningsfigur.

Helt tilsvarende viser fig. 2B et referanseelement 20B som med et meil omleggs element 28B er anbragt på bæredelen 25B. To plateformede deler 27 og 29 er sammenf øyet med en tynn fuge 2IB av pyrex-glass, for dannelse av en integrert bjelke som skal tjene som referanse i forhold til måle-elementet 2OA på fig. 2A. Selv om enhetene på henholdsvis fig. 2A og 2B er adskilt mekanisk og elektrisk, vil de i en komplett trykkmåler være montert nær inntil hverandre for samvirke som forklart.

Fig. 3 viser skjematisk en foretrukket tverrsnittsform av et måle-element, som f.eks. måle-elementene 10A og 2OA på fig. 1 resp. fig. 2A. Bjelketverrsnittet på fig. 3 er sammensatt av en platedel 33 og en annen platedel 34 som har en utsparing 36 for sammen med platedelen 33 å danne et hulrom 32. De samvirkende eller sammenføyde overflater på de to platedeler er betegnet henholdsvis 33A og 34A. Sammenføy-ningsplanet er spesielt markert ved 40, som fortrinnsvis tilnærmet svarer til nøytralsonen eller -aksen for måle-elementet ved bøyning under trykkpåvirkning som omtalt ovenfor. Dette har bl.a. den fordel at selve sammenføyningen ikke blir utsatt for de største spenninger under utbøyning av måle-elementet 30. Beliggenheten av nøytralsonen ved bøyning vil avhenge av de relative dimensjoner, særlig tykkelsen av de respektive platedeler 33 og 34 samt tverrsnittsformen av utsparingen 36.

Som det fremgår av fig. 3, foretrekkes et stort sett rektangulært tverrsnitt av såvel de plateformede deler 33 og 34 som av det resulterende, bjelkelignende måle-element 30, idet tykkelsen 33T resp. 34T av platedelene fortrinnsvis er liten i forhold til deres bredde 34B. Med slike relative geometriske dimensjoner vil strukturen være velegnet for fremstilling ved planarteknikk. Dette gjelder også hulrommet 32, som likeledes har et fortrinnsvis rektangulært og noe flattrykket tverrsnitt, med orientering tilsvarende tverrsnittsformen av måle-elementet 30 som helhet.

Trykket i det lukkede hulrom 32 kan, som tidligere nevnt, være lik atmosfæretrykket (1 bar), eller 0 bar (evaku-ering) , dersom det ønskes måling i absolutt trykk. Fordi den resulterende kraft som et omgiveIsestrykk utøver på bjelketverrsnittet ikke faller sammen med tverrsnittets nøytralakse eller -sone 40, vil det, som tidligere beskrevet, oppstå et bøyemoment som deformerer målebjelken 30. I denne forbindelse er det grunn til å ta hensyn til at den deformasjon som bøyemomentet påfører bjelkestrukturen, vil virke til å øke bøyemomentet.

Det kan tenkes en rekke modifikasjoner i forhold til de viste og beskrevne utførelsesformer, uten å komme utenfor den prinsipielle ramme for oppfinnelsen. Dette gjelder bl.a. tverrsnittsformen av de beskrevne, eksentriske hulrom, som istedenfor å ha en enhetlig rektangulær form, kan bestå av ett eller flere eksempelvis sirkulære hull, idet måle-elementets bjelketverrsnitt forøvrig allikevel kan være rektangulært. Selve tildannelsen av utsparinger for de viste hulrom 12, 22 og 32, vil normalt i planarteknikk skje ved etsning, men det er klart at også andre bearbeidingsmetoder vil kunne anvendes, f.eks. mekanisk fresing.

Den anodiske bonding som utgjør et viktig trekk ifølge oppfinnelsen er i og for seg en velkjent sammenføynings-prosess, og kan enten være elektrostatisk bonding (field assisted glass bonding) eller "smelte"-bonding (fusion bonding), også omtalt som direkte bonding.

På tegningsfigurene 1-3 er det ikke vist noen elektronisk målekrets for dannelse av elektriske signaler svarende til kapasitansforandringene i de beskrevne kondensa-torer, men mulige oppbygninger av slike kretser vil være nærliggende for fagmannen. Avlesning av kondensatorenes kapasitans, som vil være av størrelsesorden noen picofarad, kan spesielt skje ved oppkobling i en brokonfigurasjon, idet avlesningselektronikken bør anbringes i umiddelbar nærhet av kondensatoren for å unngå store spredekapasitanser. Dette betyr at måleelektronikken må anbringes inne i trykkmediet med trykktette gjennomføringer.

Claims (8)

1. Trykkmåler for meget høye trykk og basert på et Bourdon-rør-lignende prinsipp, omfattende et i det vesentlige rett, bjelkeformet måle-element (10A,20A,30) som har et langstrakt hulrom (12,22,32) beliggende eksentrisk i måle-elementets tverrsnitt, og som er understøttet av en bæredel (15,25A) ved den ene ende, karakterisert ved at måle-elementet er sammensatt av to hovedsakelig plateformede deler (13,14,23,24,33,34) fremstilt i planarteknikk, fortrinnsvis av silisium eller kvarts, at den ene platedel (14,24,34) er utformet med en langstrakt utsparing (16,26,3 6) i den overflate (14A,34A) som vender mot en samvirkende overflate (13A,33A) på den annen platedel (13,23,33), for dannelse av det eksentriske hulrom (12,22,32) , - at de to platedeler (13,14,23,24,33,34) er sammenføyet ved de nevnte overflater (13A,14A,33A,34A) på en slik måte at hulrommet (12,22,32) er tettsluttende lukket, og at måle-elementet (10A,20A,30) er innrettet til utvendig å utsettes for de meget høye trykk som skal måles.

2. Trykkmåler ifølge krav 1, karakterisert ved de to plateformede deler (13,14,23,24,33,34) har stort sett rektangulært tverrsnitt, fortrinnsvis med betydelig større bredde (34B) enn tykkelse (33T resp. 34T).

3. Trykkmåler ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at tykkelsen (33T,34T) av de respektive plateformede deler (33,34) og dimensjonene av utsparingen (36) er slik at måle-elementets (30) nøytralsone (40) ved bøyning under trykkpåvirkning, i det minste tilnærmet faller sammen med de sammenføyde overflater (33A,34A).

4. Trykkmåler ifølge krav 1, 2 eller 3, karakterisert ved at de to platedeler (13,14,23,24,33,34) er sammenføyet ved anodisk bonding og fortrinnsvis består av det samme materiale, såsom silisium.

5. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1-4, karakterisert ved at hulrommet (32) har et rektangulært tverrsnitt som fortrinnsvis er noe flattrykket og er orientert med sin bredde-dimensjon overensstemmende med bredden (34B) av de plateformede deler (33,34).

6. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1-5, karakterisert ved at bæredelen (15,25A) for måle-elementet (10A,20A) består av samme materiale som måle-elementet, såsom silisium.

7. Trykkmåler ifølge et av kravene 1-6, karakterisert ved at det for avføling av måle-elementets bøyning under trykkpåvirkning er anordnet kapasitive sensororganer (14,15A), fortrinnsvis anbragt på mot hverandre vendende flater på henholdsvis måle-elementet (10A) og bæredelen (15).

8. Trykkmåler ifølge et av kravene 1-7, karakterisert ved at det i tillegg til måle-elementet (10A,20A) er anordnet et referanse-element (10B,20B) med i prinsippet samme oppbygning som måle-elementet, men uten hulrom og fortrinnsvis med sin egen bæredel (25B) som er adskilt i det minste elektrisk (28B) fra måle-elementet (10A) og dettes bæredel (25A), særlig i til-felle av at bæredelene består av silisium eller et annet elektrisk ledende materiale.