PL173699B1 - Czujnik ciśnienia - Google Patents

Abstract

1. Czujnik cisnienia zawierajacy plyte podstawy, do której jest przymocowane obramowanie plyty membrany z kruchego materialu, ograniczajace centralna czesc plyty membrany, odksztalcalna poprzecz- nie do swojej powierzchni pod naciskiem sily przylozonej do górnej powierzchni centralnej czesci plyty membrany i dziala- jacej w kierunku plyty podstawy, zna- mienny tym, ze centralna czesc plyty membrany (18) zawiera co najmniej cztery integralne z nia podpory (36), usytuowane na powierzchni skierowanej ku plycie pod- stawy (12). F i g . 1 ( 5 4 ) Czujnik cisnienia PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest czujnik ciśnienia.

Wynalazek dotyczy odkształcającej się membrany, wykonanej z kruchego materiału, która pod wpływem ciśnienia odkształca się względem płyty podstawy, i która jest ochroniona przed zniszczeniem przy wystąpieniu wysokiego nadciśnienia w stosunku od normalnego zakresu roboczego.

Półprzewodnikowe czujniki ciśnienia, zawierające płytę podstawy i membranę, która odkształca się pod wpływem ciśnienia, są znane w dotychczasowym stanie techniki. W znanych czujnikach odkształcenie jest mierzone w różny sposób, włącznie z pomiarem zmiany pojemności, lub też stosując wskaźniki odkształcenia, montowane na membranie. Stosowanie kruchego materiału, takiego jak krzem, szkło i kwarc w charakterze membran, jest także znane.

Potrzeba ochrony membrany wykonanej z kruchego materiału, poddanej dużemu nadciśnieniu jest oczywista. Ogólnie, talka ochrona była uzyskiwana przez oparcie powierzchni membrany o powierzchnię płyty podstawy, która miała kształt odpowiadający wygiętej membranie. Kiedy ciśnienie przekroczy przewidywany zakres pomiarowy, membrana będzie podtrzymywana przez podstawę. Korzystnie, jeśli znaczna część membrany będzie opierała się na powierzchni podstawy. Stosuje się wgłębienia w podstawie i w membranie, aby zapewnić przy nadciśnieniu podtrzymywanie maksymalnej powierzchni odkształconej membrany.

Z amerykańskiego opisu patentowego nr 4949581 znany jest nadajnik, w którego skład wchodzi wieloczujnikowy zespół. Zintegrowany blok czujnikowy 86 zawiera czujnik różnicy ciśnień 88 i dodatkowy czujnik ciśnieniowy 90, jak również czujnik temperaturowy 92. Każdy czujnik różnicy ciśnień 88, 90 zawiera membranę 108a, 108b. Czujnik różnicy ciśnień 90 mierzy węższy zakres różnicy ciśnień niż czujnik 88 oraz posiada dwukierunkowe ograniczniki nadciśnieniowe 110a, 110b w celu zebezpieczenia przed wyższymi ciśnieniami mierzonymi przez czujnik różnicy ciśnień 88. Dwukierunkowe ograniczniki nadciśnieniowe 110a, 110b, są umieszczone po jednym na każdej stronie membrany 108b.

173 699

Tak więc każda powierzchnia membrany 108b zawiera tylko pojedynczą podporę w celu zapewnienia ochrony przed dużym ciśnieniem przyłożonym na przeciwnej powierzchni.

Inny amerykański opis patentowy nr 4930042 opisuje przyspieszeniomierz pojemnościowy mikroobrobiony z krzemu. Urządzenie to jest trzy-płytkowym kondensatorem, w którym górna płytka 20 i dolna płytka 30 są utworzone ze sztywnych elementów krzemowych, które są połączone z pośrednią ramką krzemową 105 zawierającą masę korekcyjną 110. Masa korekcyjna 110 jest odpowiednio cienką centralną częścią otoczoną przez wgłębienia 162. Podczas pracy zespół jest przyspieszany wzdłuż osi 230 prostopadłej do płaszczyzny masy korekcyjnej oraz górnej i dolnej płytki. Ponieważ zespół jest przyspieszany w jednym kierunku, masa korekcyjna przemieszcza się w przeciwnym kierunku. Tak więc masa korekcyjna 110 w tym opisie patentowym jest odpowiednio cienkim masywnym składnikiem, od którego nie wymaga się, aby odkształcał się poprzecznie do swojej powierzchni, jak w rozwiązaniu według niniejszego wynalazku. Opis ten ujawnia izolacyjne ograniczniki przesuwu 72 umieszczone w różnych miejscach na występach 31, 33 górnej i dolnej płytki dla zapobiegania, aby masa korekcyjna 110 zetknęła się z którymkolwiek z występów. Nie ma natomiast w tym opisie wzmianki o ograniczniku przesuwu 72, który byłby usytuowany na przemieszczającym się składniku, tj. masie korekcyjnej 110.

Celem wynalazku jest czujnik ciśnienia.

Czujnik ciśnienia zawierający płytę podstawy, do której jest przymocowane obramowanie płyty membrany z kruchego materiału, ograniczające centralną część płyty membrany, odkształcalną poprzecznie do swojej powierzchni pod naciskiem siły przyłożonej do górnej powierzchni centralnej części płyty membrany i działającej w kierunku płyty podstawy według wynalazku charakteryzuje się tym, że centralna część płyty membrany zawiera co najmniej cztery integralne z nią podpory, usytuowane na powierzchni skierowanej ku płycie podstawy.

Korzystnie na płycie podstawy jest umieszczona tlenkowa warstwa.

Korzystnie płyta podstawy jest płytą krzemową, a cienką tlenkową warstwę stanowi dwutlenek krzemu.

Korzystnie zwrócona w kierunku podpór powierzchnia płyty podstawy jest bardziej obniżona w rejonach odpowiadających środkowym częściom odkształcalnej centralnej części płyty membrany, niż przy krawędziach płyty podstawy sąsiadujących z obramowaniem.

Korzystnie odkształcana centralna część płyty membrany zawiera 16 równomiernie rozmieszczonych podpór.

Niniejszy wynalazek dotyczy czujnika ciśnienia, zawierającego płytę podstawy i membranę, która odkształca się pod wpływem ciśnienia w stosunku do płyty podstawy. Membrana jest wykonana z kruchego materiału i posiada na sobie odpowiednie elementy w celu wskazania wartości ciśnienia wywieranego na membranę.

Ochrona przed nadciśnieniem jest zrealizowana przez liczne krótkie podpory lub wypukłości utworzone na membranie lub, jeśli trzeba, na płycie podstawy, których zadaniem jest podtrzymywanie, w przypadku wystąpienia nadciśnienia, odkształconej membrany w wielu miejscach, w celu ochrony jej przed nadciśnieniem. Przy zastosowaniu wielu krótkich podpór, membrana nie jest usztywniona i zachowuje się, jakby podpór nie było, aż do przyłożenia wysokiego ciśnienia. Ułatwia to również proces produkcji, umożliwiając zwiększenie odległości między membraną a płytą podstawy, gdyż mniej sztywna membrana może pokonywać dłuższą drogę niż membrana, której środkowa część jest sztywna.

W przedstawionym wykonaniu, wytrawiono płytkę krzemu, w celu uzyskania cienkiej części, która tworzy odkształcającą centralną część płyty membrany, przy czym wcześniej płytkę pokryto maską dla pozostawienia licznych podpór, które mają wysokość

173 699 równą początkowej grubości płytki, z której wykonana jest membrana. Wokół podpór pozostawiono obramowanie w celu połączenia z płytą podstawy.

Podczas procesu wytrawiania podpory zostały uformowane w kształcie piramid.

Stwierdzono również, że pokrywając powierzchnię płyty podstawy warstwą dwutlenku krzemu, która nie jest tak krucha, jak czysty krzem, umożliwia się lekkie wbijanie się podpór w cienką warstwę dwutlenku krzemu podczas dociskania podpór do warstwy przy wystąpieniu nadciśnienia. Wykrzywienie lub wygięcie odkształcającej się membrany powoduje, że podpory ustawia się pod lekkim kątem przy zetknięciu się z płytą podstawy. Kiedy ciśnienie wzrasta, następuje lekkie przemieszczenie zewnętrznych końców podpór względem warstwy podpierającej. Warstwa dwutlenku krzemu stanowi izolację elektryczną dla płyty podstawy w stosunku do powierzchni, na której podstawa ma być zamontowana. Warstwa dwutlenku krzemu zwiększa również wytrzymałość czujnika na nadciśnienie, gdyż umożliwia podporom przyjęcie takiej pozycji, przy której naprężenia w membranie są minimalne. Twarda powierzchnia krzemowa płyty podstawy, bez warstwy dwutlenku krzemu, nie pozwala na wbijanie się w nią podpór przy wzroście nadciśnienia.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania jest przedstawiony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia przekrój poprzeczny typowego czujnika używanego do detekcji ciśnienia i wykonanego zgodnie z niniejszym wynalazkiem, fig. 1A jest widokiem powierzchni płyty podstawy z usuniętą warstwą membrany, fig. 2 jest widokiem podpór części membrany z fig. 1 w przekroju względem linii 2-2 na fig. 1, fig. 3 przedstawia przesadnie przemieszczenie podpór od chwili ich zetknięcia z warstwą podstawy do chwili wytworzenia się nadciśnienia, fig. 4 jest powiększonym widokiem pojedynczej podpory, pokazującym szczegóły wytrawionej powierzchni danej podpory w przypadku, gdyby w pobliżu nie było innej podpory, zaś fig. 5 jest przekrojem poprzecznym względem linii 5-5 z fig. 4.

Zgodnie z fig. 1, czujnik ciśnienia 10, wykonany według niniejszego wynalazku jest czujnikiem niskiego ciśnienia, na przykład w zakresie 30 psi (207 kPa), ale może wytrzymać nadciśnienie o wartości będącej wielokrotnością tej liczby. Czujnik ciśnienia 10 wykonany jako wskaźnik, posiada otwór w płycie podstawy 12 pod membraną. Czujnik ciśnienia 10 według niniejszego wynalazku może sygnalizować zmiany pojemności. Porównywalne, dotychczasowe czujniki ciśnienia wytrzymują zwykle trzy do ośmiu razy większe ciśnienie od maksymalnej wartości mierzonej, zanim ulegają zniszczeniu. Przedstawiany czujnik wytrzymuje 5 do 10 razy wyższe nadciśnienie niż porównywalna membrana bez podpór.

Czujnik ciśnienia 10 zawiera płytę podstawy 12 lub warstwę z kruchego materiału. Materiałem może być półprzewodnik, np. krzem, który jest preferowanym materiałem, ale może to być również inny kruchy materiał, np. szkło, szafir, kwarc lub podobny. Płyta podstawy 12 podtrzymuje zespół membrany 14, zawierający obramowanie 16, które ogranicza odkształcającą się membranę lub centralną część płyty membrany 18. Odkształcenie centralnej części płyty membrany 18 w funkcji ciśnienia jest określone przez grubość płyty membrany w rejonie 20, sąsiadującym z obramowaniem 16, na bokach centralnej części płyty membrany 18 na fig. 1 i 2, a także przez grubość między podporami 36. Dopuszczalna wielkość odchylenia centralnej części płyty membrany 18 jest bardzo mała i jeśli wy^l^^pi większe odkształcenie, membrana ulegnie zniszczeniu.

Powierzchnia obramowania 16 jest odpowiednio związana z płytą podstawy 12. Na przykład, można użyć spieczonego szkła w rejonie połączenia 24, w celu związania membrany z górną powierzchnią 28 płyty podstawy 12. Podstawa i membrana mogą być połączone z obramowaniem 16 przy użyciu łączenia anodowego lub techniką spawania. Połączenie obramowania 16 membrany z płytą podstawy 12 wytwarza komorę 26 poniżej centralnej części płyty membrany 18 i powyżej górnej powierzchni 28 płyty podstawy 12. Po połączeniu spieczonym szkłem w rejonie 24 membrany z płytą podstawy 28, wytwarza

173 699 się próżnia. Ciśnienie lub siła, które mają być mierzone, są przykładane, jak pokazuje strzałka 22, w stosunku do górnej powierzchni 30 centralnej części płyty membrany 18.

Wywoła to wygięcie centralnej części płyty membrany 18 w kierunku płyty podstawy 12, zaś wielkość odkształcenia centralnej części płyty membrany 18 może być mierzona odpowiednim wskaźnikiem odkształcenia 32 umieszczonym na górnej powierzchni 30 centralnej części płyty membrany 18 w celu wskazania wielkości siły lub ciśnienia, jako funkcji odkształcenia.

W korzystnym wykonaniu, w celu uzyskania podpory dla centralnej części płyty membrany 18, kiedy wygina się ona ku dołowi oraz dla zapobieżenia pęknięciu, połamaniu lub innemu zniszczeniu membrany, wykonywane są liczne podpory 36, będące integralną częścią centralnej części płyty membrany 18 i rozmieszczone na przeciwnej stronie centralnej części płyty membrany 18 niż strona, na którą wywierana jest siła lub ciśnienie. Podpory 36 skierowane są w kierunku górnej powierzchni ' 28 płyty podstawy 12. Jak widać na fig. 2, jest 16 takich podpór, ale ich ilość może być inna. Można użyć, na przykład, cztery, osiem lub dziewięć podpór, podtrzymujących centralną część płyty membrany 18 dla ochrony przed nadciśnieniem, zależnie, między innymi, od wielkości membrany.

Podpory 36 są tworzone przez wytrawianie płyty krzemu lub innego materiału, z którego wykonana jest membrana, kiedy centralna część płyty membrany 18 jest wytrawiana do odpowiedniej grubości podczas produkcji, przy zastosowaniu odpowiedniej maski, dzięki czemu uzyskuje się podpory 36 w kształcie piramid, mające, jak pokazano, płaski wierzchołek 38, który ma tę samą wysokość w stosunku do powierzchni 30, jak powierzchnia obramowania 16, które styka się-z płytą podstawy 12. Podpory 36 mogą mieć różne wysokości, jeśli trzeba, dla uzyskania jednakowego na całej powierzchni membrany kontaktu z płytą podstawy 12, biorąc pod uwagę wygięty kształt membrany poddanej naciskowi.

Jak pokazano na fig. 1A, górna powierzchnia 28 płyty podstawy 12 ma zagłębienie w pewnych rejonach w stosunku do płaszczyzny wyznaczonej przez krawędzie płyty podstawy 12, z którymi połączone jest obramowanie 16 membrany. Dla układu z 16 podporami 36 sekcje 28A są rozmieszczone po bokach, między sekcjami 28C, zlokalizowanymi w rogach płyty. Sekcje 28C mają mniejszą głębokość niż inne części. Sekcje 28A są bardziej zagłębione niż sekcje 28C, ale znajdują się bliżej podpór 36 niż centralny rejon 28B (najgłębszy). Różnica w głębokości powierzchni 28 dostosowana jest do różnego stopnia wygięcia membrany, centralna część płyty membrany 18 wygina się bardziej w środku niż w sąsiedztwie obramowania 16, zaś stopnie w powierzchni 28 płyty podstawy 12 zapewniają jednoczesny kontakt podpór 36 zlokalizowanych w rogach i w zewnętrznych rzędach z sekcjami powierzchni 28C i 28A oraz podpór zlokalizowanych w sąsiedztwie środka centralnej części płyty membrany 18 z rejonem 28B. Ten sam efekt można uzyskać przy płaskiej powierzchni płyty podstawy 12 i różnych wysokościach podpór 36, przy czym krótsze podpory 36 powinny być w pobliżu środka centralnej części płyty membrany 18.

Kiedy podczas wyginania centralnej części płyty membrany 18, wierzchołki 38 podpór 36 zetkną się z odpowiednimi sekcjami 27A, 28B, 28C powierzchni 28 płyty podstawy 12 dalsze odkształcanie się membrany przy wzrastającym ciśnieniu zostanie powstrzymane. Nadciśnienie przyłożone wzdłuż linii 22 może wielokrotnie przewyższać roboczy zakres wartości, nie powodując zniszczenia centralnej części płyty membrany 18.

Stwierdzono również, że kiedy płyta podstawy 12 wykonana jest z krzemu, pożądane jest położenie izolowanej elektrycznie warstwy na jej powierzchni i, jak pokazano na fig. 1 i 3 przerywaną linią, na powierzchni krzemowej płyty podstawy 12 jest utworzona z dwutlenku krzemu warstwa 40 (o grubości około trzech mikrometrów). Stwierdzono jednak, że kiedy centralna część płyty membrany 18 wygina się w kierunku płyty podstawy 12 podpory 36 dotykają płyty podstawy 12 krawędzią tak, że krawędź 42

173 699 płaskiego wierzchołka 38 może dotknąć pierwsza górnej powierzchni 28 płyty podstawy 12, zanim płaska powierzchnia 38 podpory 36 dotknie warstwy 40 na całej szerokości powierzchni 38. Kiedy centralna część płyty membrany 18 wygina się dalej pod wpływem rosnącego ciśnienia, podpory 36 mają tendencję do obracania się, jak pokazano strzałką 44, aż do całkowitego osadzenia powierzchni wierzchołka 38. Jeśli centralna część płyty membrany 18 poruszy się nieco po początkowym kontakcie, krawędź 42 podpory 36 wbije się w warstwę 40 dwutlenku krzemu i wytworzy niewielki kanał lub zagłębienie. Gdyby użyto nieobrobionej krzemem powierzchni poślizg byłby mniejszy i membrana mogłaby ulec zniszczeniu w wyniku powstających naprężeń.

Należy również zauważyć na fig. 1, 2 i 4, że u podstawy każdej podpory 36, w wyniku oddziaływania materiałów trawiących i masek podpór, powstają złożone konfiguracje powierzchni 48. Trawienie pozostawia stożkowe powierzchnie 48 odchodzące od rogów i małe ostrogi 48A, odchodzące pod niewielkimi kątami na boki od stożkowych powierzchni lub żeber w miejscach oddalonych od podpór tak, że stożkowe powierzchnie podstaw podpór przecinają się w rejonach oznaczonych jako 50. Przerywana linia 52 na fig. 1 jest faktycznie projektowanym kształtem podstawy podpory 36 o grubości fragmentów centralnej części płyty membrany 18 między podporami 36 takiej, jak pokazano w miejscach 20. Stożkowe powierzchnie są przedstawione na fig. 2 tylko bardzo schematycznie, ale można zauważyć, że stożki rozmieszczone są pod kątem do głównych boków podpór 36. Figura 5 przedstawia przekrój poprzeczny w rejonie stożkowej powierzchni. Kształt powierzchni między podporami 36 może być różny i nie ma to wpływu na działanie czujnika.

Warstwa 40 dwutlenku krzemu pozwala, aby podpory 36 wbiły się w nią nieco, redukując w ten sposób podatność membrany na złamanie. Zabezpieczające przed nadciśnieniem podpory 36 są proste do wykonania, podobnie jak inne elementy czujników, zatem koszty wytwarzania czujników nie są duże.

Podpory 36 są przedstawione jako integralna część membrany, ale mogą zamiast tego wystawać z płyty podstawy 12 i podpierać membranę przy nadciśnieniu.

Rejony zagłębień w powierzchni 28 płyty podstawy 12 mogą różnić się kształtem, wielkością i rozmieszczeniem zależnie od liczby podpór 36 w celu uzyskania jednoczesnego kontaktu wszystkich podpór 36 z powierzchnią 28 płyty podstawy 12. W przypadku membrany z czterema podporami 36, w płycie podstawy 12 może być jedna płaska powierzchnia, obniżona nieco w stosunku do krawędzi, inne liczby podpór 36 wymagają innych głębokości wygiętej membrany, w celu zapewnienia odpowiedniego podparcia przy nadciśnieniu.

Nad membraną powinna zostać umieszczona odpowiednia obudowa lub płytka ograniczająca ciśnienie oddziaływujące na membranę. Taka obudowa nie jest pokazana, gdyż jest ona dobrze znana.

Taka sama, w zasadzie, konstrukcja może być wyiki^yrzy^l^^ina przy mierzeniu wielkości odkształceń membrany poprzez pomiar zmian pojemności. Stosuje się wtedy przewodzącą warstwę na oddalonej od membrany płycie, która tworzy okładkę kondensatora, izolowaną od membrany. Do warstwy przewodzącej i membrany dołącza się odpowiednie wyprowadzenie.

Chociaż niniejszy wynalazek został opisany w stosunku do korzystnych wykonań, specjaliści w danej dziedzinie łatwo wykażą, że można zmienić formę i szczegóły bez odchodzenia od ducha i litery wynalazku.

173 699

28C	m 4	28A	□	Γ“ί 28C
Π	Π		r-~'		i Ί
— J					/*—i
			v\
28Α		288	38A' I \ t \		28A
				\λ
»—*	m		ri		V Ί
28C
l »		28A	U		,£}
/			V	/	28C
* t			1	-Z—

/ 'ή

38Α 38Α

173 699

173 699

Jig 3

173 699

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 4,00 zł

Claims (5)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Czujnik ciśnienia zawierający płytę podstawy, do której jest przymocowane obramowanie płyty membrany z krUchego materiału, ograniczające centralną część płyty membrany, odkształcalną poprzecznie do swojej powierzchni pod naciskiem siły przyłożonej do górnej powierzchni centralnej części płyty membrany i działającej w kierunku płyty podstawy, znamienny tym, że centralna część płyty membrany (18) zawiera co najmniej cztery integralne z nią podpory (36), usytuowane na powierzchni skierowanej ku płycie podstawy (12).
2. 2. Czujnik według zastrz. 1, znamienny tym, że na płycie podstawy (12) jest umieszczona tlenkowa warstwa (40).
3. 3. Czujnik według zastrz. 2, znamienny tym, że płyta podstawy (12) jest płytą krzemową, a cienką tlenkową warstwę (40) stanowi dwutlenek krzemu.
4. 4. Czujnik według zastrz. 1, znamienny tym, że zwrócona w kierunku podpór (36) powierzchnia (28) płyty podstawy (12) jest bardziej obniżona w rejonach (28b) odpowiadających środkowym częściom odkształcalnej centralnej części płyty membrany (18), niż przy krawędziach płyty podstawy (12) sąsiadujących z obramowaniem (16).
5. 5. Czujnik według zastrz. 1, znamienny tym, że odkształcalna centralna część płyty membrany (18) zawiera 16 równomiernie rozmieszczonych podpór (36).