RU2028588C1

RU2028588C1 - Thin-film pressure transducer

Info

Publication number: RU2028588C1
Authority: RU
Inventors: Е.М. Белозубов
Original assignee: Научно-исследовательский институт физических измерений
Priority date: 1987-12-01
Filing date: 1987-12-01
Publication date: 1995-02-09

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: additional film of the pressure transducer has heat conductivity coefficient being lower than that one of the membrane. The film is located at the surface of the membrane at the side of resistance strain gauges 6. Through windows are made in film 7 at the area of support base. Dielectric 5 has heat conductivity coefficient being higher than that one of the membrane; the dielectric is disposed partially at through windows of the film. Additional dielectric layer 9 may be placed onto the surface dielectric 5 and resistance strain gauges 6. The layer has heat conductivity coefficient being equal to that one of basic dielectric. EFFECT: improved corrosion strength; improved stability of metrological parameters. 2 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к тонкопленочным датчикам давления, предназначенным для измерения давления агрегатов ЖРД в условиях воздействия повышенных нестационарных температур агрессивных измеряемых сред. The invention relates to measuring equipment, in particular to thin-film pressure sensors designed to measure the pressure of the rocket engine components under the influence of elevated unsteady temperatures of aggressive measured media.

Известны тензорезисторные датчики давления с защитным диэлектрическими пленками, нанесенными на мембрану [1]. Known strain gauge pressure sensors with protective dielectric films deposited on the membrane [1].

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту является тонкопленочный датчик давления, содержащий вакуумированный корпус, металлический упругий элемент в виде выполненной за одно целое с опорным основанием жесткозащемленной мембраны с диэлектриком, на поверхности которого расположены тензочувствительные элементы, соединенные в измерительную схему, и дополнительную пленку с коэффициентом теплопроводности упругого элемента и толщиной, выбранной по соотношению
h = (h_з - h_м) h = (h_з-h_м)

, где h_з; h_м - соответственно толщины места заделки и мембраны упругого элемента;
λ; λ_м - соответственно коэффициенты теплопроводности пленки и упругого элемента, причем дополнительная пленка расположена на упругом элементе с противоположной стороны тензосхемы [2].The closest in technical essence and the achieved positive effect is a thin-film pressure sensor containing a vacuum housing, a metal elastic element made in one piece with a support base of a tightly-sealed membrane with a dielectric, on the surface of which there are strain-sensing elements connected to a measuring circuit, and an additional film with the coefficient of thermal conductivity of the elastic element and the thickness selected by the ratio
h = (h _z - h _m ) h = (h _z -h _m )

where h _h ; h _m - respectively, the thickness of the sealing site and the membrane of the elastic element;
λ; λ _m - respectively, the thermal conductivity of the film and the elastic element, and the additional film is located on the elastic element on the opposite side of the strain circuit [2].

Общими признаками предлагаемого технического решения и прототипа является то, что тонкопленочный датчик давления содержит вакуумированный корпус, металлический упругий элемент в виде выполненной за одно целое с опорным основанием жесткозащемленной мембраны с диэлектриком, на поверхности которого расположены тензочувствительные элементы, соединенные в измерительную схему, и дополнительную пленку с коэффициентом теплопроводности, меньшим коэффициента теплопроводности упругого элемента. Common features of the proposed technical solution and prototype is that the thin-film pressure sensor contains a vacuum housing, a metal elastic element made in one piece with the support base of a rigidly-insulated membrane with a dielectric, on the surface of which there are strain-sensitive elements connected to the measuring circuit, and an additional film with a coefficient of thermal conductivity less than the coefficient of thermal conductivity of the elastic element.

Недостатком известного датчика является невозможность его использования для измерения давления некоторых агрессивных и активных составляющих современного ракетного топлива и окислителя, а также продуктов их сгорания. Это связано с тем, что необходимость низкой теплопроводности дополнительной пленки во многом определяет ее структуру. По сравнению с материалом упругого элемента дополнительная пленка получается существенно более пористой и рыхлой. A disadvantage of the known sensor is the inability to use it to measure the pressure of some aggressive and active components of modern rocket fuel and oxidizer, as well as their combustion products. This is due to the fact that the need for low thermal conductivity of the additional film largely determines its structure. Compared with the material of the elastic element, the additional film is significantly more porous and loose.

Проникновение агрессивных компонент топлива или окислителя внутрь сравнительно рыхлой структуры пленки приводит к ее ускоренному разрушению. В частности поэтому затруднено использование известных датчиков давления в многоразовых ракетных двигателях из-за невозможности 100%-ного удаления остатков окислителя или топлива с воспринимающей поверхности датчика без снятия его с изделия. Кроме того, коррозионная стойкость дополнительной пленки, выполненной из материала с малым коэффициентом теплопроводности, недостаточна по причине малой коррозионной стойкости материала дополнительной пленки. The penetration of aggressive components of the fuel or oxidizer into the relatively loose structure of the film leads to its accelerated destruction. In particular, it is therefore difficult to use known pressure sensors in reusable rocket engines due to the impossibility of 100% removal of residual oxidizer or fuel from the sensing surface of the sensor without removing it from the product. In addition, the corrosion resistance of an additional film made of a material with a low coefficient of thermal conductivity is insufficient due to the low corrosion resistance of the material of the additional film.

Целью изобретения является повышение стойкости к воздействию агрессивной измеряемой среды за счет перенесения сравнительно нестойкой пленки за более стойкую мембрану, а также повышение стабильности метрологических характеристик за счет облегчения условий работы тензочувствительных элементов и дополнительной пленки. The aim of the invention is to increase resistance to aggressive measured medium by transferring a relatively unstable film for a more stable membrane, as well as increasing the stability of metrological characteristics by facilitating the working conditions of strain-sensitive elements and an additional film.

Для этого усовершенствуется известный тонкопленочный датчик давления, содержащий вакуумированный корпус, металлический упругий элемент в виде выполненной за одно целое с опорным основанием жесткозащемленной мембраны с диэлектриком, на поверхности которого расположены тензочувствительные элементы, соединенные в измерительную схему, и дополнительную пленку с коэффициентом теплопроводности, меньшим коэффициента теплопроводности упругого элемента. To do this, the known thin-film pressure sensor is improved, which contains a vacuum housing, a metal elastic element in the form of a rigidly-insulated membrane with a dielectric integral with the support base, on the surface of which there are strain-sensitive elements connected to the measuring circuit, and an additional film with a thermal conductivity coefficient lower than the coefficient thermal conductivity of the elastic element.

Отличительными признаками предлагаемого датчика является то, что в нем дополнительная пленка расположена на поверхности упругого элемента со стороны расположения тензочувствительных элементов, причем в пленке на ее периферии в области опорного основания вне расположения тензосхемы выполнены сквозные окна, а диэлектрик выполнен с коэффициентом теплопроводности, большим коэффициента теплопроводности упругого элемента, и частично расположен в окнах, выполненных в пленке. Кроме того, на поверхности диэлектрика и тензочувствительных элементов может быть расположен дополнительный слой диэлектрика, коэффициент теплопроводности которого равен коэффициенту теплопроводности основного диэлектрика. Distinctive features of the proposed sensor is that in it an additional film is located on the surface of the elastic element from the side of the location of the strain-sensing elements, and through the windows are made in the film on its periphery in the region of the support base outside the location of the tensor circuit, and the dielectric is made with a thermal conductivity coefficient greater than the thermal conductivity elastic element, and partially located in the windows made in the film. In addition, an additional dielectric layer may be located on the surface of the dielectric and strain-sensitive elements, the thermal conductivity of which is equal to the thermal conductivity of the main dielectric.

На фиг.1 изображен тонкопленочный датчик, общий вид; на фиг.2 - упругий элемент с покрытиями, разрез; на фиг.3 - упругий элемент без дополнительного диэлектрика, вид сверху; на фиг.4,5 и 6 - топология слоев дополнительной пленки, диэлектрика и дополнительного диэлектрика соответственно. Figure 1 shows a thin-film sensor, General view; figure 2 - elastic element with coatings, section; figure 3 - elastic element without additional dielectric, top view; in Fig.4.5 and 6 - the topology of the layers of the additional film, dielectric and additional dielectric, respectively.

Датчик давления содержит вакуумированный корпус 1, упругий элемент 2 в виде выполненной за одно целое с опорным основанием 3 жесткозащемленной мембраны 4 с диэлектриком 5, на поверхности которого расположены тензорезисторы 6 (R1 - R4), изготовленные по тонкопленочной технологии из сплава П65ХС и соединенные в мостовую измерительную схему. Дополнительная пленка 7 выполнена из боросиликатного стекла с коэффициентом теплопроводности λ=0,11 В/м^оС, меньшим коэффициентом теплопроводности (λ_м = 38 В/м^оС) упругого элемента, расположена на поверхности упругого элемента со стороны расположения тензочувствительной схемы, т.е. между диэлектриком и упругим элементом. Причем в пленке на ее периферии в области опорного основания вне расположения тензосхемы выполнены сквозные окна 8. Диэлектрик выполнен методом тонкопленочной технологии на основе композиции Al₂O₃ + BeO с коэффициентом теплопроводности λ= 230 B/м^оС, большим коэффициента теплопроводности пленки, и частично расположен в выемках, выполненных в пленке. Дополнительный слой диэлектрика 9 расположен на поверхности диэлектрика и тензорезисторов, не закрывая только контактных площадок 10. Дополнительный слой диэлектрика выполнен из того же материала, что и основной диэлектрик и имеет равный ему коэффициент теплопроводности. Толщины дополнительной пленки основного и дополнительного диэлектрика находятся в пределах 1-1,5 мкм.The pressure sensor contains a vacuum housing 1, an elastic element 2 in the form of a rigidly-enclosed membrane 4 with a dielectric 5 integral with the support base 3, on the surface of which there are strain gages 6 (R1 - R4) made of thin-film technology from P65XC alloy and connected to a bridge measuring circuit. The additional film 7 is made of borosilicate glass with a thermal conductivity coefficient λ = 0.11 V / m ^o C, a lower thermal conductivity coefficient (λ _m = 38 V / m ^o C) of the elastic element, located on the surface of the elastic element from the location of the strain-sensitive circuit, t .e. between a dielectric and an elastic element. Moreover, through the windows 8 are made in the film at its periphery in the region of the support base outside the tensor circuit 8. The dielectric is made by the thin-film technology based on the Al ₂ O ₃ + BeO composition with a thermal conductivity λ = 230 V / m ^° C, greater than the film's thermal conductivity, and partially located in recesses made in the film. An additional dielectric layer 9 is located on the surface of the dielectric and strain gauges, not covering only the contact pads 10. The additional dielectric layer is made of the same material as the main dielectric and has an equal thermal conductivity coefficient to it. The thicknesses of the additional film of the main and additional dielectric are in the range of 1-1.5 microns.

На фиг.2, 3 для наглядности масштаб изображения дополнительной пленки, диэлектрика, тензорезисторов, контактных площадок и дополнительного диэлектрика несколько увеличен по сравнению с другими элементами конструкции. Кроме того, на фиг.3 условно не показан дополнительный диэлектрик, загораживающий тензорезисторы. In figure 2, 3 for clarity, the image scale of the additional film, dielectric, strain gauges, pads and additional dielectric is slightly increased compared to other structural elements. In addition, figure 3 conditionally does not show an additional dielectric blocking the strain gauges.

Датчик давления работает следующим образом. The pressure sensor operates as follows.

При изменении давления измеряемой среды происходит прогиб рабочей части мембраны, приводящий к деформации пленки, диэлектрика и тензочувствительной схемы. При деформации тензорезисторов меняется их электрическое сопротивление, в результате чего появляется разбаланс моста, составленного из этих резисторов, который фиксируется внешним измерительным устройством. При изменении температуры измеряемой среды (например, термоудара - скачкообразном изменении температур, наиболее характерном режиме работы агрегатов ЖРД) происходит восприятие температуры измеряемой среды как рабочей частью, так и цилиндрической частью упругого элемента. При этом в связи с тем, что термические сопротивления рабочей части и цилиндрической части упругого элемента примерно равны за счет нанесения на рабочую поверхность мембраны дополнительной пленки с выбранными характеристиками, неравномерность температурного поля на рабочей части мембраны в зоне установки тензорезисторов незначительна, а следовательно, незначительна аддитивная температурная погрешность. В случае воздействия агрессивной измеряемой среды, например "ацетила", дополнительная пленка не подвергается воздействию этой среды, так как она защищена мембраной. Кроме того, в связи с тем, что дополнительная пленка находится в вакуумированном корпусе, повышается стабильность ее теплофизических характеристик (коэффициент теплопроводности и др.). Так как в пленке на ее периферии в области опорного основания вне расположения тензосхемы выполнены сквозные выемки, а диэлектрик выполнен с коэффициентом теплопроводности, большим коэффициента теплопроводности пленки, и частично расположен в выемках, выполненных в пленке, то по диэлектрику осуществляется обмен тепловой энергии между тензорезисторами и цилиндрической частью. Это приводит с одной стороны к дополнительному выравниванию температурного поля на мембране с температурой в цилиндрической части, а с другой стороны облегчает теплоотдачу мощности, выделяемой тензорезисторами в корпус датчика. Действительно, так как теплопроводность дополнительной пленки низка, а внутренняя полость датчика вакуумирована, то теплоотдача по диэлектрику, обладающему небольшим термическим сопро- тивлением, становится единственным путем канализации теплоты. When the pressure of the measured medium changes, the deflection of the working part of the membrane occurs, leading to deformation of the film, dielectric, and strain-sensitive circuit. When strain gages are deformed, their electrical resistance changes, resulting in an imbalance of the bridge composed of these resistors, which is fixed by an external measuring device. When the temperature of the medium being measured (for example, thermal shock - an abrupt change in temperature, the most characteristic mode of operation of the LRE units), the temperature of the medium is perceived by both the working part and the cylindrical part of the elastic element. Moreover, due to the fact that the thermal resistances of the working part and the cylindrical part of the elastic element are approximately equal due to the application of an additional film with the selected characteristics on the membrane working surface, the temperature field unevenness on the membrane working part in the installation zone of the strain gages is insignificant, and therefore, the additive temperature error. In the case of exposure to an aggressive measured medium, such as "acetyl", the additional film is not exposed to this medium, since it is protected by a membrane. In addition, due to the fact that the additional film is in the evacuated casing, the stability of its thermophysical characteristics (thermal conductivity, etc.) increases. Since through the recesses are made in the film at its periphery in the region of the support base outside the strain-gauge circuit, and the dielectric is made with a thermal conductivity coefficient greater than the film's thermal conductivity and partially located in the recesses made in the film, the heat energy is exchanged between the strain gauges and the dielectric cylindrical part. This leads, on the one hand, to an additional equalization of the temperature field on the membrane with the temperature in the cylindrical part, and on the other hand, it facilitates the heat transfer of the power released by the strain gauges into the sensor housing. Indeed, since the thermal conductivity of the additional film is low, and the internal cavity of the sensor is evacuated, heat transfer through an insulator with a small thermal resistance becomes the only way to heat drainage.

Лучшая теплоотдача мощности, выделяемой тензорезисторами, позволяет использовать предлагаемый датчик при более высоких эксплуатационных температурах или эксплуатировать его при тех же температурах, но обеспечивать большую стабильность метрологических характеристик. The best heat dissipation of the power released by the strain gauges, allows you to use the proposed sensor at higher operating temperatures or to operate it at the same temperatures, but to provide greater stability of metrological characteristics.

С целью дальнейшего улучшения теплообмена тензорезисторов с цилиндрической частью упругого элемента на поверхность диэлектрика и тензочувствительных элементов нанесен дополнительный слой диэлектрика, коэффициент теплопроводности которого равен коэффициенту теплопроводности основного диэлектрика. В этом случае термическое сопротивление между тензорезисторами и цилиндрической частью уменьшается в два раза (при толщине дополнительного диэлектрика, равной толщине основного диэлектрика). In order to further improve the heat transfer of strain gauges with a cylindrical part of the elastic element, an additional dielectric layer is applied to the surface of the dielectric and strain-sensitive elements, the thermal conductivity of which is equal to the thermal conductivity of the main dielectric. In this case, the thermal resistance between the strain gauges and the cylindrical part is reduced by half (when the thickness of the additional dielectric is equal to the thickness of the main dielectric).

У тонкопленочного датчика давления типа Вт 237, изготовленного в соответствии с прототипом, стойкость к воздействию среды "ацетил" составляет не более двух циклов по 120 ч, а стойкость датчика давления, выполненного в соответствии с изобретением, составляет 8-10 циклов по 120 ч каждый. Таким образом, технико-экономическим преимуществом изобретения является повышение стойкости к воздействию агрессивной измеряемой среды за счет защиты сравнительно нестойкой дополнительной пленки более стойкой мембраной. Другим преимуществом изобретения является повышение стабильности характеристик датчика за счет повышения стабильности теплофизических характеристик дополнительной пленки, расположенной внутри герметичного вакуумированного корпуса, предотвращающего непосредственное воздействие измеряемой среды на дополнительную пленку. В этом случае резко замедляются процессы внутренней коррозии и разрушения дополнительной пленки за счет отсутствия непосредственного контакта с агрессивной средой. A thin-film pressure sensor such as W 237, made in accordance with the prototype, the resistance to the action of the acetyl medium is no more than two cycles of 120 hours, and the resistance of the pressure sensor made in accordance with the invention is 8-10 cycles of 120 hours each . Thus, the technical and economic advantage of the invention is to increase resistance to aggressive measured medium by protecting a relatively unstable additional film with a more stable membrane. Another advantage of the invention is to increase the stability of the characteristics of the sensor by increasing the stability of the thermophysical characteristics of the additional film located inside the sealed evacuated casing, preventing the direct influence of the measured medium on the additional film. In this case, the processes of internal corrosion and the destruction of the additional film are sharply slowed down due to the lack of direct contact with the aggressive medium.

Кроме того, стабильность характеристик обеспечивается из-за лучшей теплоотдачи мощности, выделяемой тензорезисторами за счет применения диэлектрика с коэффициентом теплопроводности, большим коэффициента теплопроводности упругого элемента. In addition, the stability of the characteristics is ensured due to the better heat transfer of the power released by the strain gauges due to the use of a dielectric with a thermal conductivity greater than the thermal conductivity of the elastic element.

Claims

1. THIN-FILM PRESSURE SENSOR, containing a vacuum housing, a metal elastic element in the form made in one piece with a support base of a tightly-sealed membrane with a dielectric, on the surface of which are strain-sensitive elements, and an additional film with a thermal conductivity coefficient less than the thermal conductivity of the elastic element, characterized in that, in order to increase resistance to the influence of the measured medium and the stability of metrological characteristics, an additional film is placed It is worn on the surface of the elastic element from the side of the strain-sensitive elements, and through it, through windows are made in it in the region of the support base, and the dielectric is made with a thermal conductivity coefficient greater than the thermal conductivity of the elastic element and partially located in the through windows of the film.

2. The sensor according to claim 1, characterized in that an additional dielectric layer is located on the surface of the dielectric and strain-sensitive elements, the thermal conductivity of which is equal to the thermal conductivity of the main dielectric.