RU2083965C1 - Pressure transducer with tension-sensitive resistors - Google Patents

Abstract

FIELD: instruments, in particular, small-size electric gauges. SUBSTANCE: device has housing 1, base 2, wiring plate 3 which has groove 4, glass support e 5, transducer 6 which has silicon square plate which linear size c is in range of 5.5-6.0 mm and height h4 is in range of 0.25-0.35 mm. Diameter of glass support element d is equal to diameter of base plate and is in range of 5.0- 5.5 mm, support element height h2 is in range of 3.0-3.3 mm, plate height h1 is in range of 1.5-1.8 mm, diameter of hole for input nipple d0 is in range of 1.4-1.6 mm. EFFECT: simplified design. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при разработке и производстве миниатюрных электромеханических измерителей, предназначенных для преобразования давления газообразных или жидких веществ в электрический сигнал. The invention relates to measuring technique and can be used in the development and production of miniature electromechanical meters designed to convert the pressure of gaseous or liquid substances into an electrical signal.

Изобретение направлено на решение задачи, заключающейся в обеспечении необходимых запасов прочности и жесткости основания с опорным стеклянным элементом, на котором крепится чувствительный измерительный преобразователь давления, что позволяет на этапе серийного изготовления преобразователей снизить процент бракуемых по причине больших напряжений узлов ковар-стекло, могущих разрушиться при выполнении механических операций сверления и шлифования, а в процессе эксплуатации улучшить надежность и точность работы преобразователей в условиях механических и температурных внешних воздействий. The invention is aimed at solving the problem of providing the necessary margin of safety and stiffness of the base with a supporting glass element, on which a sensitive pressure transducer is attached, which allows reducing the percentage of defective at the stage of serial production of transducers due to high voltages of the insidious-glass nodes that can be destroyed when mechanical operations of drilling and grinding, and during operation to improve the reliability and accuracy of the transducers in loviyah mechanical and thermal external influences.

Известен способ повышения надежности и точности тензорезисторных датчиков давления (1), в соответствии с которым стеклянный опорный элемент, выполненный сплошным, закрепляется на основании корпуса над штуцером, на внутренней поверхности основания корпуса выполняется необходимое количество каналов, соединяющих канал штуцера с полостью герметичного корпуса, а на внутренней поверхности основания корпуса соосно со штуцером вокруг стеклянного опорного элемента выполнена кольцевая канавка. A known method of increasing the reliability and accuracy of strain gauge pressure sensors (1), in accordance with which the glass support element, made solid, is fixed on the base of the housing above the fitting, on the inner surface of the base of the housing is the required number of channels connecting the channel of the fitting with the cavity of the sealed housing, and on the inner surface of the base of the housing coaxially with the fitting around the glass support element is made an annular groove.

Недостатком описанного аналога является невозможность использования его в качестве датчика дифференциального или избыточного давления ввиду необходимости герметизации внутренней полости корпуса, отказ датчика при нарушении герметичности. Кроме того, неизвестны соотношения между размерами элементов датчика, при которых достигаются необходимая механическая прочность конструкции и обеспечивается заданная надежность. The disadvantage of the described analogue is the inability to use it as a differential or overpressure sensor due to the need to seal the internal cavity of the housing, the failure of the sensor in case of leakage. In addition, the relationships between the sizes of the sensor elements are not known at which the necessary mechanical strength of the structure is achieved and the specified reliability is ensured.

Известен также полупроводниковый датчик давления (2), содержащий полый корпус, вмещающий в себя установочную плиту с отверстием и крышку, которая устанавливается на эту плиту; входную трубку давления, соединенную с отверстием; полупроводниковую схему внутри корпуса с тонкой мембранной частью, на которой формируются тензодатчики; монтажное основание, имеющее коэффициент температурного расширения тот же, что и у измерительной части датчика; тонкий трубчатый крепежный элемент, соединенный с основанием и подводящим штуцером. A semiconductor pressure sensor (2) is also known, comprising a hollow body accommodating a mounting plate with an opening and a cover that is mounted on this plate; pressure inlet pipe connected to the hole; a semiconductor circuit inside the housing with a thin membrane part on which strain gauges are formed; mounting base having the coefficient of thermal expansion is the same as that of the measuring part of the sensor; a thin tubular fastener connected to the base and the inlet fitting.

Недостатком известного устройства является отсутствие соотношений, позволяющих выбрать конфигурацию и конструктивные параметры основания, разделительного элемента, а также частей подвода давления, обеспечивающих необходимые значения коэффициентов механической жесткости и прочности. Кроме того, датчик состоит из большого числа отдельных деталей, которые крепятся в единую конструкцию методом пайки, что может снижать его надежность и точность работы в условиях механических и температурных воздействий. A disadvantage of the known device is the lack of ratios that allow you to choose the configuration and structural parameters of the base, the separation element, as well as parts of the pressure supply, providing the necessary values of the coefficients of mechanical stiffness and strength. In addition, the sensor consists of a large number of individual parts that are fastened to a single structure by soldering, which can reduce its reliability and accuracy under mechanical and temperature conditions.

Наиболее близким аналогом изобретения является полупроводниковый преобразователь (3) разности высоких статических давлений, содержащий полый корпус, в котором размещен измерительный преобразователь, выполненный в виде квадратной кремниевой пластины с выемкой, образующей мембрану, на планарной стороне которой сформированы тензорезисторы, при этом кремниевая пластина жестко прикреплена к торцу цилиндрического стеклянного опорного элемента со сквозным центральным отверстием, жестко соединенного с монтажной площадкой основания, выполненного за одно целое с входным штуцером из материала, коэффициент температурного расширения которого близок к коэффициенту температурного расширения стекла. Конструктивные размеры мембраны и стеклянного опорного элемента выбираются так, чтобы кривая, показывающая взаимосвязь между ошибкой, вызываемой воздействием статического давления, и толщиной стеклянного опорного элемента проходила через нуль. The closest analogue of the invention is a semiconductor transducer (3) of the difference of high static pressures, containing a hollow housing in which the measuring transducer is made in the form of a square silicon wafer with a recess forming a membrane, on the planar side of which strain gages are formed, while the silicon wafer is rigidly attached to the end face of the cylindrical glass support element with a through central hole rigidly connected to the mounting platform of the base, nennogo integrally to the inlet of a material whose coefficient of thermal expansion close to the coefficient of thermal expansion of glass. The structural dimensions of the membrane and the glass support element are selected so that a curve showing the relationship between the error caused by static pressure and the thickness of the glass support element passes through zero.

Недостатком известного устройства является отсутствие в его конструкции элемента, позволяющего компенсировать воздействие больших температурных перепадов, имеющих место при сварке элементом преобразователя, обеспечив при этом необходимые запасы механической прочности и жесткости. A disadvantage of the known device is the lack in its design of an element that allows you to compensate for the effects of large temperature extremes that occur when welding with a transducer element, while ensuring the necessary reserves of mechanical strength and rigidity.

Указанный недостаток обусловлен тем, что конструктивные параметры кремниевого кристалла и стеклянного опорного элемента подбираются из условий отсутствия методической ошибки измерения, вызванной воздействием статического давления. При этом учитываются внутренние напряжения в стеклянном опорном элементе, вызванные перепадами температур, возникающими в процессе изготовления преобразователя давления методами диффузионной сварки и электростатического соединения, которые составляют 500-600^oC, а также в процессе эксплуатации преобразователя на объектах, где перепады могут достигать ±60^oC.This drawback is due to the fact that the design parameters of the silicon crystal and the glass support element are selected from the conditions of the absence of a methodological measurement error caused by the influence of static pressure. This takes into account the internal stresses in the glass support element caused by temperature differences that occur during the manufacture of the pressure transducer by diffusion welding and electrostatic bonding methods, which are 500-600 ^o C, as well as during the operation of the transducer in facilities where the differences can reach ± 60 ^o C.

Техническим результатом от использования изобретения является увеличение запасов механической прочности и жесткости соединения основание - разделительный элемент измерительный преобразователь миниатюрного тензорезистивного преобразователя давления, а также уменьшение внутренних напряжений в разделительном элементе и основании, возникающих в процессе сборки изделия, за счет рационального выбора конфигурации и конструктивных параметров элементов. The technical result from the use of the invention is to increase the reserves of mechanical strength and rigidity of the connection base - dividing element measuring transducer miniature strain gauge pressure transducer, as well as reducing internal stresses in the dividing element and base arising during the assembly of the product, due to the rational choice of configuration and structural parameters of the elements .

Это достигается тем, что в основании под монтажной площадкой выполнена кольцевая канавка, имеющая в сечении форму квадрата, при этом геометрические размеры канавки, определяющие конструктивные размеры монтажной площадки основания и стеклянного опорного элемента, выбираются из условия d_к/d_пл=0,6-0,8, где d_к диаметр канавки, d_пл - диаметр монтажной площадки, а также тем, что кремниевая пластина измерительного преобразователя выполнена со стороной квадрата C=5,5-6 мм и толщиной h₄=0,25-0,35 мм, при этом диаметр стеклянного опорного элемента d=5,0-5,5 мм, его толщина h₂=3,0-3,5 мм, диаметр монтажной площадки основания равен диаметру опорного элемента, толщина основания в зоне опорной площадки h₁=1,5-1,8 мм, а диаметр d₀ отверстия входного штуцера равен 1,4-1,6 мм.This is achieved by the fact that an annular groove having a square shape in cross section is made in the base under the mounting pad, while the geometric dimensions of the groove, which determine the structural dimensions of the mounting pad of the base and the glass support element, are selected from the condition d _to / d _PL = 0.6- 0.8, where d _{k is the} diameter of the groove, d _pl is the diameter of the mounting pad, and also the fact that the silicon wafer of the measuring transducer is made with a square side C = 5.5-6 mm and a thickness h ₄ = 0.25-0.35 mm, while the diameter of the glass support element d = 5.0-5.5 mm, its thickness h ₂ = 3.0-3.5 mm, the diameter of the mounting platform of the base is equal to the diameter of the supporting element, the thickness of the base in the area of the supporting platform is h ₁ = 1.5-1.8 mm, and the diameter d _{0 of the} opening of the inlet fitting is 1 4-1.6 mm.

Устройство изображено на чертеже. The device shown in the drawing.

Тензорезисторный преобразователь давления содержит полый корпус 1, соединенный с основанием 2, под монтажной площадкой 3 которого выполнена 4, имеющая квадратное сечение. К монтажной площадке основания диффузионным методом приварен стеклянный опорный элемент 5, к которому электростатически прикреплен кремниевый измерительный преобразователь 6. The strain gauge pressure transducer comprises a hollow body 1 connected to the base 2, under the mounting platform 3 of which 4 is made having a square cross-section. A glass support element 5 is welded to the mounting base of the base by a diffusion method, to which a silicon measuring transducer 6 is electrostatically attached.

Кольцевая канавка 4, выполненная под монтажной площадкой 3 основания, имеющая ширину h_к= 1,0 мм и глубину t=1,0 мм, определяет конструктивные размеры монтажной площадки основания и стеклянного опорного элемента.An annular groove 4, made under the mounting platform 3 of the base, having a width h _k = 1.0 mm and a depth t = 1.0 mm, determines the structural dimensions of the mounting platform of the base and the glass support element.

Оптимальные геометрические размеры элементов устройства рассчитываются, исходя из требуемых коэффициентов запаса механической прочности в критических точках соединения элементов датчика. Расчеты показывают, что, например, для кремниевого измерительного преобразователя со стороной квадрата C=6,0 мм и толщиной h₄=0,3 мм необходимые значения коэффициентов достигаются при диаметре стеклянного опорного элемента d=5,0 мм, его толщине h₂=3,5 мм, диаметре монтажной площадки основания d=5,0 мм, ее толщине h₁=1,5 мм, диаметре подводящего отверстия d_o=1,6 мм.The optimal geometric dimensions of the elements of the device are calculated based on the required safety factors of mechanical strength at critical points of connection of the sensor elements. Calculations show that, for example, for a silicon measuring transducer with a square side C = 6.0 mm and a thickness h ₄ = 0.3 mm, the necessary coefficients are achieved with the diameter of the glass support element d = 5.0 mm, its thickness h ₂ = 3.5 mm, the diameter of the mounting platform of the base d = 5.0 mm, its thickness h ₁ = 1.5 mm, the diameter of the inlet d _o = 1.6 mm

Claims (2)

1. Тензорезисторный преобразователь давления, содержащий полый корпус, в котором размещен полупроводниковый измерительный преобразователь, выполненный в виде квадратной кремниевой пластины с выемкой, образующей мембрану, на планарной стороне которой смонтированы тензорезисторы, при этом кремниевая пластина жестко прикреплена к торцу цилиндрического стеклянного опорного элемента со сквозным центральным отверстием, жестко соединенного с монтажной площадкой основания, выполненного за одно целое с входным штуцером из материала, коэффициент температурного расширения которого близок к коэффициенту температурного расширения стекла, отличающийся тем, что в нем в основании под монтажной площадкой выполнена кольцевая канавка, имеющая в сечении форму квадрата, при этом геометрические размеры канавки, определяющие конструктивные размеры монтажной площадки основания и стеклянного опорного элемента, выбираются из условия
d_к/d_п л 0,6 0,8,
где d_к диаметр канавки;
d_п л диаметр монтажной площадки.1. A strain gauge pressure transducer comprising a hollow housing in which a semiconductor measuring transducer is arranged, made in the form of a square silicon wafer with a recess forming a membrane, on the planar side of which strain gages are mounted, while the silicon wafer is rigidly attached to the end face of the cylindrical glass supporting element with a through a central hole rigidly connected to the mounting platform of the base, made in one piece with the inlet fitting of material, coefficient the thermal expansion coefficient of which is close to the coefficient of thermal expansion of the glass, characterized in that an annular groove having a square cross section is made in it in the base under the mounting pad, while the geometric dimensions of the groove, which determine the structural dimensions of the mounting pad of the base and the glass support element, are selected from the condition
d _c / d _{p l} 0.6 0.8,
where d _{to the} diameter of the groove;
d _{p l} diameter of the mounting pad. 2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что в нем кремниевая пластина измерительного преобразователя выполнена со стороной квадрата c 5,5 6 мм и толщиной h₄ 0,25 0,35 мм, при этом диаметр стеклянного опорного элемента d 5,0 5,5 мм, его толщина h₂ 3,0 3,5 мм, диаметр монтажной площадки основания равен диаметру опорного элемента, толщина основания в зоне опорной площадки h₁ 1,5 1,8 мм, а диаметр d_о отверстия входного штуцера равен 1,4 1,6 мм.2. The transducer according to claim 1, characterized in that the silicon wafer of the measuring transducer is made with a square side c 5.5 6 mm and a thickness h ₄ 0.25 0.35 mm, while the diameter of the glass support element d 5.0 5.5 mm, its thickness h ₂ 3.0 3.5 mm, the diameter of the mounting base of the base is equal to the diameter of the supporting element, the thickness of the base in the area of the supporting platform is h ₁ 1.5 1.8 mm, and the diameter d _{of the} inlet of the inlet fitting is 1.4 1.6 mm.