SU1717978A1

SU1717978A1 - Датчик давлени и способ его изготовлени

Info

Publication number: SU1717978A1
Application number: SU904805346A
Authority: SU
Inventors: Евгений Михайлович Белозубов
Original assignee: Научно-исследовательский институт физических измерений
Priority date: 1990-03-23
Filing date: 1990-03-23
Publication date: 1992-03-07

Abstract

Изобретение относитс к тензорези- сторным датчикам давлени и способам их изготовлени и позвол ет повысить технологичность , виброустойчивость, теплоустойчивость и уменьшить габариты датчика. Дл этого в датчике давлени , содержащем ва- куумированный корпус 1, мембрану 2 с опорным основанием 3, на поверхности которой нанесен слой диэлектрика 4 с тензо- резисторами 5, соединенными в мостовую схему, и размещенными на опорном основании контактными площадками 6с плоскими выводными проводниками 7, соедин ющи 1/8 ми контактные площадки 6 с контактами 8 колодки, выводные проводники 7 закреплены на контактных площадках 6 при помощи дополнительного диска 9, на прилегающей к мембране стороне которого нанесен диэлектрический слой 10 и выполнены контактные площадки 11, а на противолежащей стороне - выступы 12 и утолщени . Способ изготовлени датчика включает в себ формирование на мембране сло диэлектрика с тензорезисторами и контактными площадками , присоединенние к ним и контактам гермоколодки выводных проводников, а также формирование на периферии дополнительного диска сло диэлектрика с контактными площадками. После размещени выводных проводников на контактных площадках прижимают диск к мембране усилием , приложенным к центру диска до касани диском с мембраны вне выводных проводников , жестко закрепл ют диск на мембране в этих област х размещени утолщений, вакуумируют, герметизируют датчик, нагревают датчик до максимальной рабочей температуры, выдерживают при этой температуре 30 мин и охлаждают его. 2 з.п.ф-лы, 4 ил. 75 12 жшжш дг jsssvggss w е VI |Ю 1 СО Фиг.1

Description

Изобретение относитс к измерительной технике, в частности к тензорезистор- ным датчикам, предназначенным дл использовани в различных област х науки и техники, св занных с измерением давле- ни в услови х воздействи повышенных температур и виброускорений.

Известен датчик давлени , содержащий корпус, упругий элемент в виде жест- козащемленной мембраны с опорным основанием, на которой сформирован диэлектрический слой с тензорезисторами и контактными площадками, контактную колодку , контакты которой размещены на ее периферии перпендикул рно поверхности упругого элемента и частично расположенные на поверхности контактных площадок и диэлектрика упругого элемента плоские выводные проводники, соедин ющие контактные площадки с контактами колодки.

Недостатком конструкции вл етс низка технологичность, св занна с необходимостью использовани драгметаллов дл изготовлени контактных площадок и плоских выводных проводников. Кроме того, низка технологичность объ сн етс сравнительно высокой трудоемкостью операции при- соединени выводных проводников к контактным площадкам и контактной колодке.

Нагревостойкость конструкции невысо- ка вследствие невозможности использовани дл изготовлени контактных площадок и выводных проводников тугоплавких материалов из-за трудности их соединени обычными видами сварки. Недостатком дат- чика давлени вл етс также низка виброустойчивость , св занна с обрывом в процессе эксплуатации датчика плоских выводных проводников вследствие недостаточной прочности как самих проводников, так и места их закреплени .

Известен способ изготовлени датчика давлени , заключающийс в обработке и полировании поверхности мембраны, нанесении на него диэлектрического сло , форми- ровании на нем тензочувствительной схемы с контактными площадками, присоединении контактной колодки к опорному основанию упругого элемента и присоединении выводных проводников к контактным площадкам колодки.

Недостатком способа вл етс невозможность изготовлени датчика давлени с необходимой технологичностью, нагрево- стойкостью и виброустойчивостью.

Наиболее близким к изобретению вл етс датчик давлени , содержащий вакуу- мированный корпус, мембрану с опорным основанием, на поверхности которой нанесен слой диэлектрика с тензорезисторами и

размещенными на опорном основании контактными площадками с плоскими выводными проводниками, соедин ющими контакты гермоколодки с контактными площадками, а гермоколодка выполнена в виде цилиндрической втулки с фланцем, на поверхности которого нанесен диэлектрик, и в нем выполнены окна, в которых расположены торцы контактов, которые соедин ютс с выводными проводниками.

Недостатком известной конструкции вл етс низка технологичность, св занна с необходимостью использовани драгметаллов дл изготовлени контактных площадок и плоских выводных проводников . Кроме того, низка технологичность объ сн етс сравнительно высокой трудоемкостью и невысоким выходом годных из- за наличи большого брака при операции присоединени выводных проводников к контактным площадкам и контактам колодки . Нагревостойкость известной конструкции невысока вследствие невозможности использовани дл изготовлени контактных площадок и выводных проводников тугоплавких материалов из-за трудности их соединени обычными видами сварки в результате повреждени диэлектрической планки. Недостатком известного датчика вл етс также низка виброустойчивость, св занна с обрывом в процессе эксплуатации датчика плоских выводных проводников вследствие небольшой механической прочности как самих проводников, так и места соединени выводных проводников с контактными площадками или контактами колодки. Конструкци имеет сравнительно большие габариты, св занные с неоправданным увеличением поперечных размеров, которые определ ют размеры датчиков.

Известен способ изготовлени датчика давлени , заключающийс в формировании на мембране и на фланце колодки сло диэлектрика с тензоэлементами и контактными площадками и присоединении к ним и контактам гермоколодки выводных проводников .

Недостатком известного способа изготовлени вл етс невозможность изготовлени датчика давлени с необходимой технологичностью, нагревостойкостью, виброустойчивостью и приемлемыми габаритами .

Цель изобретени - повышение технологичности , нагревостойкости, виброустойчивости и уменьшение габаритов за счет устранени необходимости применени драгметаллов, снижени трудоемкости, повышени выхода годных после операции присоединени выводных проводников,

возможности использовани дл изготовлени контактных площадок и выводных проводников более тугоплавких материалов, возможности использовани более прочных выводных проводников и увеличени прочности закреплени выводных проводников на контактных площадках и контактах колодки , возможности уменьшени поперечных размеров датчика.

Указанна цель достигаетс тем, что в датчике давлени , содержащем вакуумиро- ванный корпус, мембрану с опорным основанием , на поверхности которой нанесен слой диэлектрика с тензорезисторами, размещенными на опорном основании контактными площадками с плоскими выводными проводниками, соедин ющими контактные площадки с контактами колодки, контактные площадки размещены на одинаковом рассто нии от центра мембраны и одна от другой, а плоские выводные проводники частично расположены между мембраной и дополнительным диском, покрытом по периферии со стороны мембраны диэлектриком с контактными площадками, расположенными зеркально симметрично контактным площадкам мембраны, а на противоположной стороне диска в области размещени выводных проводников выполнены выступы, размеры которых равны размерам части выводных проводников, размещенных между мембраной и диском, и между выступами на одинаковом рассто нии от них выполнены радиально расположенные утолщени , пересекающиес в центре диска, причем границы утолщений выполнены в виде идентичных частей одинаковых окружностей с центрами, расположенными в центре каждого выступа, а на стороне диска, прилегающей к мембране, выполнена выемка глубиной не менее максимального прогиба мембраны, и толщина диска в зоне между выступами и утолщени ми выполнена по соотношению

у л Ag- а b аПр R Е с (п - arccosb/2R)

где

А-3(1 V) К2-1 Ш2К . Я 4К2 К2-1Ь

К

2R а +Ь

R - радиус границы утолщени ; а - ширина выводных проводников; b -длина части выводных проводников, размещенной между мембраной и диском;

fi - коэффициент Пуассона диска; оЬр - предел-пропорциональности диэлектрической пленки при максимальной температуре датчика;

Е - модуль упругости диска;

с - толщина выводных проводников. При способе изготовлени , заключающемс в формировании на мембране сло диэлектрика с тензоэлементами и контактными площадками и присоединении к ним и контактам гермопроходника выводных проводников , формируют на периферии дополнительного диска слой диэлектрика с контактными площадками, после размещени выводных проводников на контактных площадках прижимают диск к мембране усилием, приложенным к центру диска до касани диском мембраны вне выводных проводников, жестко закрепл ют диск на

мембране в этих област х, вакуумируют, герметизируют датчик, нагревают датчик до максимальной рабочей температуры, выдерживают при этой температуре не менее 30 мин и охлаждают его.

На фиг.1 изображен предлагаемый датчик давлени , общий вид; на фиг.2 - вид А на фиг.1; на фиг.З - вид Б на фиг.2; на фиг.4 - диск в недеформируемом состо нии.

Датчик давлени содержит вакуумированный корпус 1 и мембрану 2 с опорным основанием 3. На поверхности мембраны нанесен сло диэлектрика 4 с транзисторами 5, соединенными в мостовую схему, и размещенными на опорном основании контактными площадками 6 с плоскими выводными проводниками 7, соедин ющими контактные площадки с контактами 8 гермо- колодки. Контактные площадки размещены на одинаковом рассто нии от центра мембраны и одна от другой. Плоские выводные проводники частично расположены между мембраной и дополнительным диском 9, покрытым в периферий со стороны мембраны диэлектриком 10, с контактными площадками 11, расположенными зеркально симметрично контактным площадкам мембраны. На противоположной стороне диска в области размещени выводных проводников выполнены выступы 12, размеры которых

равны размерам части выводных проводников , размещенных между мембраной и диском . Между выступами на одинаковом рассто нии от них выполнены радиально расположенные утолщени 13, пересекающиес в центре диска. Границы 14 утолщений выполнены в виде идентичных частей окружностей с центрами, расположенными в центре 15 каждого выступа. На диске со стороны мембраны выполнена выемка. Толщина диска в зоне между выступами и утолщени ми выполнена по соотношению. При ,25 мм, MM; ,2 мм, /г 0,3, ,2 мм, Опр 90 МПа, ,1 107 МПа толщина диска в зоне между выступами и утолщени ми равна 0,1 мм.

Упругий элемент изготовлен из сплава 70НХБМЮ. Диэлектрическа пленка из композиции SiO толщиной 1 мкм, тонкопленочные тензорезисторы выполнены в виде композиции вольфрам-рений. Контактные площадки выполнены в виде композиций молибден-никель толщиной 0,1 мкм. Выводные проводники выполнены в виде фольги из сплава 70НХБМЮ. Контакты гермопроходников выполнены из молибденового сплава.

Способ реализуетс следующим образом .

Методами тонкопленочной технологии формируют на мембране слой диэлектрика с тензоэлементами и контактными площадками . Аналогичными методами формируют на дополнительном диске слой диэлектрика с контактными площадками. Размещают выводные проводники на контактных площадках . Прикладывают к центру диска усилие, направленное в сторону мембраны, прижима тем самым утолщени к мембране до соприкосновени диска в област х расположени утолщений. Вакуумируют и герметизируют датчик, нагревают датчик до максимальной рабочей температуры, выдерживают при этой температуре не менее 30 мин и охлаждают его до полного воспри ти датчиком температуры нормальных климатических условий.

Датчик давлени работает следующим образом.

При воздействии на мембрану измер емого давлени в ней возникают радиальные и тангенциальные деформации. В результате воздействи деформаций сопротивлени тензорезисторов измен ютс пропорционально деформаци м. Изменение сопротивлений тензорезисторов преобразуетс мостовой схемой в электрический сигнал, который подаетс через выводные проводники на контакты гермопроходника. При воздействии повышенной температуры вследствие применени тугоплавких материалов дл изготовлени контактных площадок и выводных проводников диффузи материалов контактных площадок и выводных проводников существенно меньше, чем у прототипа, вследствие чего датчик может эксплуатироватьс при более высоких температурах . При воздействии повышенных виброускорений вследствие большой прочности присоединени выводных проводников к контактным площадкам мембраны и большей прочности самих выводных проводников (вследствие возможности применени более прочных материалов) виброустойчивость выше, чем у прототипа. Контактные площадки размещены на одинаковом рассто нии от центра мембраны и одна от другой дл обеспечени одина0 ковости. приложенных усилий и вследствие этого одинакового качества соединений выводных проводников, а следовательно, повышени технологичности, нагревостой- кости, виброустойчивости и уменьшени га5 баритов. Плоские выводные проводники частично расположены между мембраной и дополнительным диском дл обеспечени возможности замены контактной сварки выводных проводников, с контактными

0 площадками диффузионной сваркой. Дополнительный диск покрыт со стороны мембраны диэлектриком дл обеспечени необходимого сопротивлени изол ции. На диэлектрике дополнительного диска разме5 щены зеркально симметрично контактным площадкам мембраны дополнительные контактные площадки дл повышени качества соединени выводных проводников, так как диффузионное соединение выводных про0 водников осуществл етс в этом случае по их обеим поверхност м, что повышает технологичность , нагревостойкость, виброустойчивость и позвол ет уменьшить габариты. Выполнение на противополож5 ной стороне диска в области размещени выводных проводников выступов позвол ет сохранить необходимую площадь контактировани контактных площадок и выводных проводников. В случае отсутстви этих вы0 ступов в результате деформации диска при воздействии на него прижимающего усили в месте сопр жени выводных проводников с диском наблюдаетс прогиб диска. В результате площадь соприкосновени умень5 шаетс , что ухудшает характеристики контактировани . Размеры выступов равны размерам части выводных проводников, размещенных между мембраной и диском. В случае, если размеры выступов меньше

0 размеров части выводных проводников, размещенных между мембраной и диском, в местах соприкосновени диска с выводными проводниками наблюдаютс прогибы диска , а следовательно, уменьшаетс площадь

5 соприкосновени контактных площадок и выводных проводников, характеристики датчика ухудшаютс . В случае, если размеры выступов больше размеров части выводных проводников, неоправданно увеличиваютс размеры пластины, а следовательно, и датчика в целом. Расположение утолщений между выступами на одинаковом рассто нии от них также преследует своей целью обеспечение равномерного усили на выводные проводники. Причем дл обеспечени возможности создани равномерных усилий приложением прижимающей силы только в одной точке ее приложени (а именно , в центре диска) выступы должны быть радиально расположенными и пересекающимис в центре диска. Выполнение границы утолщений в виде идентичных частей одинаковых окружностей с центрами, расположенными в центре выступа, позвол ет обеспечить идентичность усилий, воздействующих на выводные проводники . Кроме того, такое выполнение границы позвол ет увеличить зону закреплени диска к мембране. Выполнение выемки на стороне диска, прилегающей к мембране, глубиной не менее максимального прогиба мембраны позвол ет обеспечить свободный прогиб мембраны при воздействии максимального измер емого давлени .

Рассматрива часть диска, заключенную между выступами и утолщением, как мембрану с жестким центром можно записать величину прогиба выступа

Коэффициент К определим исход из отношени , площади части диска, заключенного между выступом и утолщением, в случае полностью замкнутой окружно- сти утолщени и в случае фактического состо ни . В случае полностью замкнутой окружности площадь части будет равна S - R2

В случае фактического состо ни с 2 г-2сГ р2 5Ф2л Я К

Отношение площадей равно

3 1л jtft2 Зф

In - la п-а Рассматрива более подробно фиг.2, b

2R

можно записать

COSG Отсюда

a arccos7JJ3 Тогда отношение площадей будет равно

JL

Зф

п

п - arccos b/2R

too Ki AQe-R2

E -fr

где - прогиб выступа;

Ki - коэффициент, учитывающий незамкнутость утолщени ;

-3(1 )гкЗ-1 1п2К2 . . QЯ - 4К . ;

Го

R - радиус границы утолщени ;

, a +b .

a - ширина выводного проводника;

b - длина части выводного проводника, размещенного между мембраной и диском.

В нашем случае прогиб выступа равен толщине токоподвода:

OJo С.i

Преобразу соотношение дл прогиба выступа, получим

h

Ук1Щ

Е

30

т.е.

КТ

Л

-arccos b/2R

Дл обеспечени диффузионной сварки выводных проводников с контактными площадками давление должно устанавливатьс в зависимости от предела пропорциональности диэлектрических пленок мембраны и дополнительного диска. Это св зано с тем, что при превышении напр жений в диэлектрической пленке величины предела пропорциональности в ней по вл ютс

остаточные напр жени , которые с течением времени ухудшают диэлектрические характеристики пленки (сопротивление .изол ции и т.д.).

Дл обеспечени необходимого давлеим к каждому диффузионному соединению необходимо приложить усилие, равное произведению площади на предел текучести, т.е.

1г А0- 5 -ffn p R2 Е c(jr-arccosb/2R)

Формирование на периферии дополнительного диска сло диэлектрика контактными площадками необходимо дл изол ции выводных проводников и дл улучшени диффузионного соединени . Прижатие диска к мембране усилием, приложенным к центру диска, до соприкосновени диска в област х расположени утолщений с мембраной позвол ет существенно повысить технологичность , так как в отличие от прототипа при предлагаемом способе отсутствует необходимость точного задани усили , так как необходимое усилие автоматически выполн етс в момент сопротивлени диска с мембраной. Вакуумирование и герметизаци датчика необходима дл обеспечени технических характеристик датчика и одновременно создают предпосылки дл качественного соединени выводных проводников с контактными площадками.

Нагревание датчика до максимальной рабочей температуры создает предпосылки дл диффузионного соединени выводных проводников с контактными площадками. Экспериментально установлено, что при проведении качественно диффузионной сварки достаточно времени выдержки при повышенной температуре не менее 30 мин.

Тензорезисторные датчики, выполненные в соответствии с предлагаемым решением , работоспособны при 500°С, а тензорезисторные датчики, изготовленные в соответствии с прототипом, работоспособны при температурах не более 400°С. Виброустойчивость предлагаемой конструкции достигает 90000 м/с2, тогда как виброустойчивость датчика по прототипу не превышает 70000 м/с2.

Выход годных после операции соединени выводных проводников при выполнении датчика в соответствии с предлагаемым решением составл ет 90%, а при выполнении в соответствии с прототипом не превышает 75%. Кроме того, в решении по прототипу необходимо применение дл выполнени контактных площадок и выводных проводников драгоценных металлов, а в предлагаемом решении такой необходимости нет. Изобретение позвол ет также уменьшить трудоемкость выполнени сборки датчика вследствие сравнительно простой возможности автоматизации в случае применени весьма несложных фиксаторов разложени за счет элементарных лысок.

При выполнении датчика в соответствии с предлагаемым решением становитс возможным изготовление тензорезистор- ных датчиков с посадочной резьбой М12, тогда как датчики (те же пределы измерени ) в соответствии с прототипом выполн ютс с посадочной резьбой М18.

Таким образом, технико-экономическими преимуществами изобретени по сравнению с прототипом вл ютс увеличение нагревостойкости более чем в 1,25 раза и увеличение виброустойчивости в 1,28 раза, повышение технологичности и уменьшени габаритных размеров в 1,3 раза за счет устра0 нени необходимости применени драгметаллов , снижени трудоемкости, повышени выхода годных после операции присоединени выводных проводников, возможности использовани дл изготовлени контактных

5 площадок и выводных проводников тугоплавких материалов, возможности использовани более прочных выводных проводников и увеличени прочности закреплени выводных проводников на контактных площадках и

Claims

0 контактах колодки, возможности уменьшени поперечных размеров датчика. Формула изобретени 1. Датчик давлени , содержащий вакуу- мированный корпус, мембрану с опорным

5 основанием, на поверхности которой нанесен слой диэлектрика с тензорезисторами, соединенными в мостовую схему, и размещенными на опорном основании контактными площадками с плоскими выводными

0 проводниками, соедин ющими контактные площадки с контактами гермоколодки, о т- личающийс тем, что, с целью повышени технологичности, нагревостойкости, виброустойчивости и уменьшени габари5 тов, контактные площадки размещены на одинаковом рассто нии от центра мембраны одна от другой, а плоские выводные проводники частично расположены между мембраной и дополнительным диском,

0 покрытым по периферии со стороны мембраны диэлектриком с- контактными площадками , расположенными зеркально симметрично контактным площадкам мембраны , а на противоположной стороне диска

5 в области размещени выводных проводников выполнены выступы, размеры которых равны размерам части выводных проводников , размещенных между мембраной и диском , и между выступами на одинаковом

0 рассто нии от них выполнены радиально расположенные утолщени , пересекающиес в центре диска, причем границы утолщений выполнены в виде идентичных частей одинаковых окружностей с центрами, рас5 положенными в центре каждого выступа, а на стороне диска, прилегающей к мембране , выполнена выемка глубиной не менее максимального прогиба мембраны, и толщина диска в зоне между выступами и утолщени ми выполнена по соотношению

/JT Ад- а b Стпр R2 h F Е с (л - arccosb/2R)

где

д-3(1 -У)гК2-1 : ln2K ,.

Л9Я 4К2К2 1Ь

к

2R а +Ь

R - радиус границы утолщени ; ,. - - - а - ширина выводных проводников; Ь длина части выводных проводников, 15 размещенной между мембраной и диском; fi - коэффициент Пуассона диска; ohp - предел пропорциональности диэлектрической пленки при максимальной температуре датчика;20

Е - модуль упругости диска;

Вид А

/3

10

- - , 15 20

с - толщина выводных проводников.
2. Способ изготовлени датчика давлени , заключающийс в формировании на мембране сло диэлектрика с тензорезисто- рами и контактными площадками и присоединении к ним и контактам гермоколодки выводных проводников, вакуумировании и герметизации, отличающийс тем, что, с целью повышени технологичности и на- гревостойкости, формируют на периферии дополнительного диска слой диэлектрика с контактными площадками, после размещени выводных проводников на контактных площадках прижимаю г диск к мембране до касани диском мембраны вне выводных проводников, жестко закрепл ют диск на мембране в этих област х, вакуумируют, герметизируют датчик, нагревают датчик до максимальной рабочей температуры, выдерживают при этой температуре не менее 30 мин и охлаждают его.

/

// 9

Вид Б

Фиг.З

Жг

ftv. 4