Датчик давления

Датчик давления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Союз Соиетских

Социалистических

Ресаубиин

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

III>853442

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-by (22) Заявлеио 0107.77 (21) 2501977/18-10 с присоединением заявки Йо (23) Приоритет

Опубликовано 0 щ 81 бюллетень HP 2 9

Дата опубликования описания 070881

С51)м. Кл.з

G 01 L 9/04

Государственный комитет

СССР но делам изобретений и откр ыти и (5Ç) MK 5З1.787 (088.8) (72) Автор изобретения

В.Ф.Корзо (71) Заявитель

Московский авиационный технологический институт им. К.Э.Циолковского 54) ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к устройству датчика давления, служащего для регистрации абсолютной величины и перепадов давления в жидких и газообразных агрессивных средах, имеющих высокую температуру.

Известны датчики давления, чувствителЬный элемент которых выполнен в виде диска, изготовленного из диэлектрического материала, и содержит на внешней поверхности пленочную тензочувствительную схему. Тензочувствительный элемент крепится 15 в корпусе датчика специальной гайкой и герметизируется за счет листовых прокладок. Корпус, чувствительный элемент, прижимная гайка и прокладка конструкции датчика выполнены .из ма- 20 териалов, имеющих различный коэффициент термического расширения. При высоких температурах окружающей среды такие датчики перестают быть рабо

1 тоспособными, их точность и стабильность резко падают при температурах выше 100-150о С. Датчики оказываются нестойкими к воздействию агрессивной среды и высоких доз радиационного излучения 11. 30

Близкую к предлагаемому техническому решению конструкцию имеет датчик давления, состоящий из мембраны, диэлектрической подложки и тензочувствительной кремниевой схемы, полученной методом термического испарения в ваКууме. В этом случ чае воспринимающим элементом служит тензочувствительный слой кремния.

Однако прибор не пригоден для работы при высоких температурах, так как.полупроводниковая часть датчика оказывается чувствительной к изменению температуры и воздействию радиации и деградирует при температуре окружающей среды выше 125оС 2

Применение тугоплавких материалов в датчиках без дополнительной защиты оказывается малоэффективным при рабочих температурах прибора выше

300оС.

Целью изобретения является повышение радиационной стойкости при измерении высокотемпературных средк указанная цель достигается тем. что в датчике,,содеожашем вакчумированный корпус, металлическую мЕм брану покрытую диэлектриком, тензочувствительную схему, металлическая мембрана покрыта двухслойным

853442

5 !

О

20 дйэлектриком, причем слой, ближний % к мембране, покрыт бескислородным материалом, а второй слой выполнен из ралиаиионно- и термостойкого материала.

Для работы в условиях высоких температур, больших доз радиацион» ного излучения и агрессивных средах может быть использован датчик, устройство которого и принципиальная конструкция изображены- на фиг.1.

Мембрана датчика давления 1 посредством вакуумно плотного припоя или герметичного шва 2 соединена с металлической или металлокерамической крышкой 3. Коммутация осуществляется через гтеклянныф-, или керамический цоколь 4, в котором установлены выводы-керны из никеля, вольфрама или молибдена 5, являющиеся ножками схемы. Керны закреплены в стеклянном штенгеле, через который предварительно откачивают рабочий объем датчика давления б. Выводы 7 для термокомпенсации датчика выполнены йз многожильного никелевого или медного остеклованного микропровода с-никелевыми лепестками на концах для контактирования с металлическими площадками схемы. Выводы тензорезисторов 8 выполнены аналогично.

Пленочная конструкция тензореэистивного элемента состоит из тензочувствительного слоя 9. нане- сенного на слой изоляции. Для обеспечения стабильной работы датчика на Мембрану нанесен двухслойный диэлектрик, состоящий из нижнего слоя 10,. например пленки S t>N4 толшиной 0,15-0,3 мкм, и слоя 11 верхнего диэлектрика, например S i +, А I 0 или оксинитрида. Контактные площадки выполнены иэ никеля с хромовым подслоем, толщина площадок

0,5-1 мкм. Поверхность металлической мембраны отполирована по 14 кл., а мембрана изготовлена из жаропрочного сплава, например 52НХТЮ, 87-6, ЭП-578. Тензочувствительный слой толщиной 0,2 мкм выполнен из кермета PC-4800, К-50БС или TiAl<0> с удельным сопротивлением ниже 1 кОм/

/квадрат.

Для устранения механических остаточных напряжений в пленочных компонентах схемы проводят формующий отжиг прибора. Отжиг двухслойного диэлектрика осуществляют в атмосфере азота и аргона (1:1) при температуре 550 Ñ в течение 15 мин.

Отжиг готовой скак с, контактньпа площадками проводят в вакууме 10 Па в течение 45 мин при температуре

450оС. Герметизацию приборов осуществляют пайкой высокотемпературным припоем (ПСР-72 и др.), кольцевой аргонно-дуговой сваркой крышки с

$0

И

6S мембраной, или сваркой расщепленным электродом -с заключительной откачкой рабочего объема через штевгель в крышке.

Прибор работает следующим образом.

При изменении давления окружающей среды P происходит прогиб упругой части мембраны, а затем де-формация диэлектрика и тензочувствительной части схемы. При деформации меняется электрическое сопротивление тензорезисторов и происходит разбаланс моста, составленного из этих резисторов, который фиксируется внешним измерительным устройством. Диэлектрик должен обеспечивать хорошую изоляцию, обладать высокой термостойкостью и хорошей адгезией к металлу, не содержать внутренних напряжений в рабочем диапазоне температур датчика и выдерживать большие дозы радиационного облучения.

Диэлектрическая пара подобрана так, что в процессе облучения прибора и накопления радиационных дефектов в диэлектриках происходит их взаимная компенсация и отжиг при рабочей температуре прибора.

Термические Коэффициенты расширения диэлектриков согласованы с соответствующими коэффициентами металла мембраны и тензосхемы.

В предлагаемом датчике слой нижнего диэлектрика, например нитрида

1 кремния, обращенный к металлу, обладает высоким коэффициентом термического расширения, а слой верхнего диэлектрика, .например тугоплавкого окисла, на котором располагается схема, обладает низким коэффициентом термического расширения, высокой радиационной стойкостью и хорошей адгезией.

В зависимости от рода работы и диапазона измеряемых давлений используют два типа конструкций мембра ны и диэлектрического слоя датчика (фиг.2).

Для измерения низких давлений используют лельнотянутую конструкцищ полученную прессованием или холодной штамповкой листовой стали (1). Для измерения больших давлений (ло

608 атм) используют массйвную конструкцию (2 ), полученную механической обработкой заготовки. Для повышения тензочувствительности атчика диэлектрик наносят послойно

1) или селективно (2), а периметр нижнего воспринимающего слоя диэлектрика должен совпадать с периметром рабочей части мембраны (фиг.2)

В процессе длительного радиационного облучения датчика происходит преимущественная деградация диэлектрика, свойства резисторов и проводников изменяются значительно слабее.

853442 Для повышения радиационной стойкости датчика подобрана диэлектрическая пара, обладающая свойством термической компенсации дефектов, возникающих в структуре решетки при облучении материалов, Принцип компейсации, используемый в предлагаемом датчике, заключается в "самозахлопывании" кислородных и азотных вакансий, образующихся при радиационном облучении диэлектриков, содержащих окислы или нитриды. При высоких рабочих температурах датчика ослабляются немостиковые межатомные связи и ионы кислорода- и азота мигрируют навстречу друг другу, заполняя области вакансий. Рекомендуется использовать следующие пары диэлект6и8i) Ny S10) HJIH A 1 0, или OKCHHHтрид. Нижний слой диэлектрика, обращенный к металлу мембраны,не должен быть кислородсодержащим. 20

Использование пленочных высокотемпературных материалов для изготовления тензочувствительной части схемы, а также вакуумной конструкции датчнка расширяет рабочий диапазон 25 температур датчика до -50: +500 C диапазон измеряемых давлений до

0,01-600 атм, повышает порог радиационной стойкости до 10 н/см (быстрые нейтроны), 10<< н/см (тепло* вые нейтроны ); 10 э/см (быстрые электроны) и до 1v Р (гамма-иэлуче-, и ние ) ° формула изобретения

Датчик давления, содержащий вакуумированный корпус, металлически кую мембрану, покрытую диэлектриком, и тензочувствительную схему, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения радиационной стойкости при измерении давления высокотемпературных сред, металлическая мембрана покрыта двухслойным диэлектриком, причем слой, ближний к мембране, выполнен из бескислородного термостойкого материала,а второй слой выполнен из радиационно- и термостай- . кого материала, Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент Японии 9 31397 кл. 111 23, 1971.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 249700, кл. G 01 L 9/04, 1968 (прототип).

853442

Составитель В.Козлов

Техред N.Tàáàêoâè÷ Корректор И.лароши

Редактор О.Филиппова

Заказ 5622/15 Тираж 907 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная,4