преобразователь давления

Формула изобретения

Преобразователь давления, содержащий расположенные в корпусе разделительную мембрану и чувствительный элемент в виде кремниевой мембраны, на поверхности которой сформированы полупроводниковые тензорезисторы, соединенные в измерительный мост, при этом чувствительный элемент установлен на стеклянной шайбе, закрепленной на втулке, и соединен с выводами контактной платы, отличающийся тем, что в нем разделительная мембрана выполнена в виде двойной полимерной эластичной пленки, состоящей из слоя силиконового геля и слоя полипараксилилена, нанесенного непосредственно на гель, при этом слой силиконового геля нанесен на чувствительный элемент со стороны подвода измеряемой среды.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении давления агрессивных жидких и газообразных сред.

Известны датчики давления, использованные для измерения давления в агрессивных жидких и газообразных средах, основанные на преобразовании измеряемой физической величины давления в аналоговый пропорциональный электрический сигнал за счет прогиба упругой мембраны из монокристаллического кремния под воздействием давления.

Известен датчик давления, содержащий корпус, основание, закрепленную в корпусе металлическую мембрану и расположенную за ней полупроводниковую мембрану с тензорезисторами, соединенными в измерительный мост, установленный в корпусе резьбовой прижимной элемент, поджимающий основание к металлической мембране, при этом в основании выполнено центральное отверстие, а на его торце со стороны металлической мембраны кольцевая проточка [1]

Недостатком известного датчика давления является сложность в обеспечении надежного прилегания металлической и кремниевой мембран, связанная с неточностями изготовления деталей. Это приводит к появлению гистерезиса и нелинейности градуировочной характеристики.

Другой известный датчик давления [2] содержит корпус с встроенным в него чувствительным элементом, электронной схемой и термометрическим зондом, причем чувствительный элемент, представляющий собой упругую мембрану из монокристаллического кремния с размещенными на ней пьезорезисторами, зафиксирован в стеклянном проходном изоляторе. Чувствительный элемент отделен от среды, давление которой измеряется, гофрированной мембраной из нержавеющей стали, впаянной своими концами в корпус датчика. Объем межу чувствительным элементом и гофрированной мембраной заполнен силиконовым маслом, действующим в качестве передаточной среды для измеряемого давления. Известной конструкции датчика давления присущи такие недостатки, как сложность создания датчика с металлической мембраной со стабильными свойствами на все время его эксплуатации, поскольку металлическая мембрана подвергается воздействию высокой температуры в процессе ее закрепления к корпусу путем сварки или пайки, в результате чего происходит нарушение упругих свойств материала, из которого выполнена мембрана; относительно высокая трудоемкость процедуры заполнения объема между мембранами силиконовым маслом, для чего использована система с двумя шариковыми или игольчатыми клапанами, что также существенно удорожает конструкцию датчика.

Известен датчик давления, который выбран в качестве прототипа. Он содержит чувствительный элемент в виде кремниевой мембраны и разделительную мембрану, расположенные в корпусе. На поверхности кремниевой мембраны сформированы полупроводниковые тензорезисторы, соединенные в измерительный мост, при этом чувствительный элемент установлен на стеклянной шайбе, закрепленный на втулке, и соединен с выводами контактной платы. Чувствительный элемент отделен от среды, давление которой измеряется, металлической гофрированной мембраной, приваренной по ее торцу к корпусу [3]

Известный датчик давления выполнен по классической схеме датчиков давления, предназначенных для измерения давления жидких и газообразных сред, поэтому ему присущи те же недостатки, что и предыдущему аналогу, а именно, сложность создания датчика с металлической мембраной со стабильными свойствами на все время его эксплуатации; и относительно высокая трудоемкость процедуры заполнения объема между мембранами силиконовым маслом.

Задача изобретения заключается в создании преобразователя давления, позволяющего повысить стабильность и надежность его работы с одновременным уменьшением габаритных размеров и стоимости изделия в целом при работе с агрессивными жидкими и газообразными средами.

Поставленная задача достигается тем, что в преобразователе давления, содержащем расположенные в корпусе разделительную мембрану и чувствительный элемент в виде кремниевой мембраны, на поверхности которой сформированы полупроводниковые тензорезисторы, соединенные в измерительный мост, при этом чувствительный элемент установлен на стеклянной шайбе, закрепленной на втулке, и соединен с выводами контактной платы, разделительная мембрана выполнена в виде двойной полимерной эластичной пленки, состоящей из слоя силиконового геля и слоя полипараксилилена, нанесенного непосредственно на гель, при этом слой силиконового геля нанесен на чувствительный элемент со стороны подвода измеряемой среды.

Новым является использование в качестве разделительной мембраны двойной эластичной полимерной пленки, выполненной в виде слоя силиконового геля и слоя полипараксилилена, непосредственно нанесенного на слой геля.

Применение указанной разделительной мембраны позволяет обеспечить надежную защиту чувствительного элемента от воздействия измеряемого давления коррозионно активных жидких или газообразных сред за счет того, что нанесенный слой силиконового геля после полимеризации превращается в водомаслобензостойкую пленку с практически постоянными упругими свойствами в диапазоне рабочих температур и в течение всего срока службы, причем поверхность силиконового геля сохраняет хорошие адгезионные свойства. Наносимый на поверхность геля слой полипараксилилена обладает высокими и стабильными упругими свойствами при сохранении уникальной стойкости к воздействию самых различных агрессивных жидких и газообразных сред, включая воздействие биологических сред (крови, лимфы, ткани и других). Причем наружная поверхность слоя полипара-ксилилена практически не обладает адгезией и, следовательно, может хорошо выполнять функции внешней поверхности разделительной мембраны.

Применение предлагаемой разделительной мембраны полностью решает проблему компенсации температурного коэффициента объемного расширения пленки силиконового геля, так как эластичность и упругие свойства наружного слоя полипараксилилена исключают возникновение механических напряжений на поверхности чувствительного элемента, а значит исключает появление дополнительной погрешности в диапазоне рабочих температур и в течение всего срока службы.

Полученный результат в части исключения дополнительной погрешности принципиально не может быть достигнут в указанном прототипе, так как полиорганический силоксан заключен в замкнутый объем между мембранами и корпусом датчика.

Кроме того, предложенная конструкция преобразователя давления не требует применения разделительной металлической мембраны и элементов для ее крепления, что позволит уменьшить габаритные размеры и существенно сократить трудоемкость сборки и обеспечить высокую повторяемость основных характеристик преобразователей давления в условиях серийного производства.

Изобретение поясняется чертежом, на котором преобразователь давления содержит чувствительный элемент 1, стеклянную шайбу 2, втулку 3, контактную плату 4, корпус 5, выводы 6, слой герметика 7, разделительную мембрану, образованную слоем силиконового геля 8 и слоем полипара-ксилилена 9.

Чувствительный элемент 1 представляет собой кремниевый кристалл, на поверхности которого сформированы полупроводниковые тензорезисторы, соединенные в измерительный мост. На обратной стороне кристалла, обращенной к стеклянной шайбе 2, сформирована упругая мембрана. Чувствительный элемент 1 установлен на стеклянной шайбе 2, которая закреплена на втулке 3, при этом чувствительный элемент 1 соединен с контактной платой 4, имеющей выводы 6.

Чувствительный элемент 1 со стеклянной шайбой 2, контактной платой 4 и втулкой 3 установлены в корпусе 5, заполненном слоем герметика 7. На чувствительный элемент 1 нанесены слой силиконового геля 8 и слой полипараксилилена 9, образующие разделительную мембрану.

Слой силиконового геля 8 наносится на поверхность контактной платы 4 с чувствительным элементом 1, обеспечивая полное покрытие всей поверхности контактной платы 4 с последующей полимеризацией.

Преобразователь давления в сборке, в том числе с нанесенным слоем силиконового геля 8, помещается в установку с вакуумной камерой. При температуре +25^o10^oC и давлении 10^-2oC10^-3 мм. рт.ст. в вакуумной камере наносится слой полипара-ксилилена 9 толщиной порядка 0,2 мкм, обеспечивающего требуемые упругие свойства при сохранении стойкости к воздействию агрессивных жидких и газообразных сред.

Преобразователь давления работает следующим образом.

Измеряемое избыточное относительное давление P_изм агрессивных жидких или газообразных сред подается на преобразователь давления со стороны разделительной мембраны, образованной слоем силиконового геля 8 и слоем полипараксилилена 9, и через оба этих полимерных слоя 8 и 9 давление P_изм передается без искаженной и потерь на упругую мембрану чувствительного элемента 1, вызывая соответствующее изменение сопротивления тензорезисторов, которое внешней схемой (на чертеже не показана) преобразовывается в аналоговый электрический сигнал, пропорциональный приложенному давлению P_изм, а относительное атмосферное давление P_изм при этом подается через втулку 3 на чувствительный элемент 1 со стороны упругой мембраны.

Таким образом, использование слоя силиконового геля 8 и слоя полипараксилилена 9 позволило сформировать разделительную мембрану с постоянными упругими свойствами, обеспечивающую надежную защиту чувствительного элемента 1 от воздействия измеряемого давления коррозионно-активных жидких или газообразных сред.