×
10.08.2015
216.013.6c5e

Результат интеллектуальной деятельности: ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ

Вид РИД

Изобретение

Аннотация: Изобретение относится к измерительной технике, в частности к преобразователям давления, и может быть использовано в различных областях науки и техники, связанных с измерением перепада давления среды. Техническим результатом изобретения является повышение надежности и работоспособности высокоточного дифференциального датчика давления во время и после кратковременных многократных перегрузок. Полупроводниковый датчик перепада давления содержит полупроводниковую мембрану из кремния, тензодатчик в виде мостовой схемы из тензорезисторов, первый стопорный элемент и второй стопорный элемент. Первый стопорный элемент выполнен из кремния и содержит стопорный выступ в области напротив канавки полупроводниковой мембраны, стопорное углубление напротив центрального выступа полупроводниковой мембраны, расположенное с зазором от центрального выступа мембраны, а также центральное сквозное отверстие. Стопорный элемент закреплен плоской стороной на стеклянной подложке из материала с одинаковым с кремнием коэффициентом теплового расширения и имеющей центральное сквозное отверстие, совпадающее с отверстием первого стопорного элемента. Второй стопорный элемент выполнен из кремния и содержит второй центральный стопорный выступ, окруженный первой канавкой, а также стопорный выступ, окруженный второй канавкой, расположенный с зазором относительно обратной стороны полупроводниковой мембраны в области напротив канавки полупроводниковой мембраны. 2 ил.
Основные результаты: Датчик давления, содержащий полупроводниковую мембрану, состоящую из центральной активной области на верхней стороне мембраны, окруженной канавкой, образующей центральный выступ и периферийную неактивную область вокруг канавки, тензометрический датчик, выполненный в виде мостовой схемы из тензорезисторов, сформированных на обратной стороне мембраны в областях, соответствующих расположению канавки в противоположных сторонах от центрального выступа, первый стопорный элемент, прикрепленный к мембране в периферийной области на верхнюю сторону мембраны, и второй стопорный элемент, прикрепленный к мембране в периферийной области на обратную сторону, отличающийся тем, что первый стопорный элемент выполнен из кремния и содержит первый стопорный выступ в области напротив канавки полупроводниковой мембраны и располагается с зазором относительно дна канавки мембраны, а также первое стопорное углубление напротив центрального выступа полупроводниковой мембраны, расположенное с зазором от центрального выступа мембраны, первый стопорный элемент имеет центральное сквозное отверстие и закреплен плоской стороной на стеклянной подложке из материала с одинаковым с кремнием коэффициентом теплового расширения и имеющей центральное сквозное отверстие, совпадающее с отверстием первого стопорного элемента, второй стопорный элемент выполнен также из кремния и содержит второй центральный стопорный выступ, окруженный первой канавкой и расположенный с зазором относительно обратной стороны полупроводниковой мембраны в области напротив центрального выступа полупроводниковой мембраны, а также второй стопорный выступ, окруженный второй канавкой, расположенный с зазором относительно обратной стороны полупроводниковой мембраны в области напротив канавки полупроводниковой мембраны.

Область техники

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к преобразователям давления, и может быть использовано в различных областях науки и техники, связанных с измерением перепада давления среды.

Уровень техники

Объектами эксплуатации дифференциального датчика могут быть трубопроводы для подвода и отвода жидкостей для систем и агрегатов судов, например для охлаждающих контуров двигателей разного типа. В трубопроводах при работе насосов и исполнительных механизмов могут возникнуть скачки давления. При этом измеряемые давления меняются от нескольких кПа до МПа. Применяющиеся интегральные преобразователи давления для дифференциальных датчиков имеют достаточно тонкую, не более 50 мкм, мембрану и могут быть разрушены скачками давления, доходящими до единиц МПа.

Наиболее близким техническим решением является структура двойного ограничителя для преобразователя давления (Патент США 6,588,281 «Double stop structure for a pressure transducer), МПК G01L 9/16, дата публикации 8.07.2003). В данном изобретении полупроводниковый датчик для измерения перепада давления через мембрану датчика и действующий при наличии избыточной однонаправленной силы, приложенной к датчику в любом направлении, для ограничения диафрагмы от дальнейшего прогиба во время действия избыточной силы, стремящейся к разрушению диафрагмы, включает плоскую полупроводниковую мембрану, пьезорезистивные сенсоры, первый и второй стопорные элементы. Мембрана включает центральную активную область, на верхней стороне окруженную канавкой заданной ширины и глубины, которая образует центральный выступ на верхней стороне. Центральная область внутри канавки способна прогибаться. Также мембрана содержит периферийную неактивную область, окруженную указанной канавкой, и относительно гладкую нижнюю поверхность.

Пьезорезистивные сенсоры сформированы на нижней стороне мембраны и в областях на нижней поверхности соответствуют канавке на противоположных сторонах центрального выступа верхней стороны мембраны.

Первый стопорный элемент, прикрепленный к мембране в переферийной области на верхнюю поверхность, включает первое и второе щелевые отверстия, связанные с активной областью, проходящие в основном вдоль длины активной области и соответствующие областям в противоположных сторонах относительно центрального выступа

Также первый стопорный элемент содержит стопорное углубление, расположенное между первым и вторым щелевыми отверстиями, лежащее над центральным выступом. Стопорное углубление отделено от центрального выступа для того, чтобы мембрана могла прогибаться под действием силы и чтобы центральный выступ мог упираться в поверхность стопорного углубления при приложении избыточной силы. Первое и второе щелевые отверстия позволяют прикладывать другую силу к активной области мембраны в противоположном к стопорному направлению.

Второй стопорный элемент, прикрепленный к мембране на нижней поверхности, включает первое и второе щелевые отверстия, связанные с активной областью, проходящие в основном вдоль длины активной области и соответствующие областям в противоположных сторонах относительно центрального выступа.

Также первый стопорный элемент содержит стопорное углубление, расположенное между первым и вторым щелевыми отверстиями, лежащее над центральным выступом на верхней стороне. Стопорное углубление отделено от нижней поверхности активной области для того, чтобы мембрана могла прогибаться под действием силы и нижняя поверхность могла упираться в поверхность стопорного углубления при приложении избыточной силы. Первое и второе щелевые отверстия позволяют прикладывать другую силу к активной области мембраны в противоположном к стопорному направлению.

Недостатком данного решения является возможность разрушения мембраны при значительных перегрузках (более чем в 20 раз от верхнего предела измерения). При перегрузках центральный выступ мембраны упирается в поверхность стопорного углубления первого стопорного элемента или нижней поверхностью в поверхность стопорного углубления второго стопорного элемента. Но при дальнейшем увеличении давления мембрана испытывает большие перегрузки в местах расположения ямки, окружающей центральный выступ, и упругих деформаций, происходят пластичные, сдвиговые деформации и затем разрушение мембраны.

Раскрытие изобретения

Задачей предлагаемого технического решения является обеспечение надежности и работоспособности высокоточного дифференциального датчика давления во время и после кратковременных многократных перегрузок за счет использования микромеханических ограничителей хода мембраны, а также обеспечение возможности измерения величин перегрузки.

Поставленная задача решается тем, что полупроводниковый датчик перепада давления содержит полупроводниковую мембрану, состоящую из центральной активной области на верхней стороне мембраны, окруженной канавкой, образующей центральный выступ и периферийную неактивную область вокруг канавки. Также датчик содержит тензометрический датчик в виде мостовой схемы из тензорезисторов, расположенных на обратной стороне мембраны в областях, соответствующих расположению канавки в противоположных сторонах от центрального выступа, первый стопорный элемент, прикрепленный к мембране в периферийной области на верхнюю сторону, и второй стопорный элемент, прикрепленный к мембране в периферийной области на обратную сторону. Первый стопорный элемент из кремния содержит стопорный выступ в области напротив канавки полупроводниковой мембраны и располагается с зазором относительно дна канавки мембраны, а также стопорное углубление напротив центрального выступа полупроводниковой мембраны, расположенное с зазором от центрального выступа мембраны. Также первый стопорный элемент имеет центральное сквозное отверстие и закреплен плоской стороной на стеклянной подложке из материала с одинаковым с кремнием коэффициентом теплового расширения и имеющей центральное сквозное отверстие, совпадающее с отверстием первого стопорного элемента. Второй стопорный элемент из кремния содержит центральный стопорный выступ, окруженный первой канавкой и расположенный с зазором относительно обратной стороны полупроводниковой мембраны в области напротив центрального выступа полупроводниковой мембраны, а также стопорный выступ, окруженный второй канавкой, расположенный с зазором относительно обратной стороны полупроводниковой мембраны в области напротив канавки полупроводниковой мембраны.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображена конструкция датчика дифференциального давления со стопорными элементами и стеклянной подложной.

Осуществление изобретения

Полупроводниковый датчик дифференциального (фиг. 1.) давления состоит из кремниевой мембраны 1 с центральным выступом 2, окруженным канавкой, полученной анизотропным травлением. Канавка и жесткий центр образуют активную область мембраны, способную прогибаться под действием приложенного давления. Периферийная область вокруг канавки образует неактивную область мембраны. На плоской поверхности мембраны в областях расположения канавки сформированы тензорезисторы, объединенные в тензорезистивный измерительный мост и меняющие свое сопротивления в зависимости от приложенного давления.

К мембране в периферийно неактивной области с двух сторон крепятся два стопорных элемента 3 и 4.

Со стороны центрального выступа 2 к мембране крепится первый стопорный элемент 4, соответствующий по размеру кремниевой мембране. Стопорный элемент обладает конгруэнтной поверхностью и профилем, соответствующими профилю центрального выступа и канавки кремниевой мембраны.

Таким образом, первый стопорный элемент содержит стопорный выступ 7 и углубление под центральным выступом 2 кремниевой мембраны, расположенные с зазором относительно поверхности мембраны, предназначенный для рабочего хода мембраны. Причем зазор между выступом 7 и канавкой мембраны меньше, чем зазор между выступом 2 и углублением стопорного элемента из-за меньшего прогиба периферийной части активной части мембраны, чем ее центральной части. Для подвода давления к мембране первый стопорный элемент содержит центральное сквозное отверстие 6, по размеру меньшее, чем центральный выступ 2.

Плоской стороной стопорный элемент 4 крепится на стеклянную подложку 5 для сопряжения с металлическими конструктивными элементами датчика давления. В подложке сделано центральное сквозное отверстие 6 для подвода давления.

Второй стопорный элемент крепится с планарной стороны кремниевой мембраны в неактивной области. Он содержит центральный выступ 8 со сквозным отверстием 9 для подачи давления на планарную сторону мембраны. Также как и первый стопорный элемент, второй стопорный элемент содержит выступ 7, расположенный напротив канавки кремниевой мембраны. Центральный выступ 8 и выступ 7 расположены с зазором относительно планарной поверхности мембраны, причем зазоры между выступом 7 и 8 и планарной частью мембраны меньше, чем зазор между центральным выступом 8 и центральным выступом 2, что позволяет прогибаться мембране.

При подаче давления мембрана датчика отклоняется в ту или иную сторону в зависимости от того, с какой стороны на мембрану действует избыточное давление. При деформации мембраны, пропорционально значению избыточного давления, меняются сопротивления тензорезисторов 10, которые формируют измерительный мост. При подаче на него питающего напряжения с него снимается выходной сигнал.

При перегрузочных давлениях, отклоняясь в ту или иную сторону, мембрана ложится на центральные выступы 8 упорных элементов 3 или 4 и прекращает свой прогиб.

Тем самым изгибные напряжения мембраны не выходят за рамки, при которых происходит разрушение мембраны.

После прекращения воздействия перегрузки датчик дифференциального давления продолжает работать в основном режиме.

В результате предложенная конструкция датчика дифференциального давления, при возникновении и развитии процесса перегрузки, позволяет сохранить измерительную мембрану от разрушения при многократных перегрузках (примерно в 200-500 раз от верхнего предела измерения давления).

Датчик давления, содержащий полупроводниковую мембрану, состоящую из центральной активной области на верхней стороне мембраны, окруженной канавкой, образующей центральный выступ и периферийную неактивную область вокруг канавки, тензометрический датчик, выполненный в виде мостовой схемы из тензорезисторов, сформированных на обратной стороне мембраны в областях, соответствующих расположению канавки в противоположных сторонах от центрального выступа, первый стопорный элемент, прикрепленный к мембране в периферийной области на верхнюю сторону мембраны, и второй стопорный элемент, прикрепленный к мембране в периферийной области на обратную сторону, отличающийся тем, что первый стопорный элемент выполнен из кремния и содержит первый стопорный выступ в области напротив канавки полупроводниковой мембраны и располагается с зазором относительно дна канавки мембраны, а также первое стопорное углубление напротив центрального выступа полупроводниковой мембраны, расположенное с зазором от центрального выступа мембраны, первый стопорный элемент имеет центральное сквозное отверстие и закреплен плоской стороной на стеклянной подложке из материала с одинаковым с кремнием коэффициентом теплового расширения и имеющей центральное сквозное отверстие, совпадающее с отверстием первого стопорного элемента, второй стопорный элемент выполнен также из кремния и содержит второй центральный стопорный выступ, окруженный первой канавкой и расположенный с зазором относительно обратной стороны полупроводниковой мембраны в области напротив центрального выступа полупроводниковой мембраны, а также второй стопорный выступ, окруженный второй канавкой, расположенный с зазором относительно обратной стороны полупроводниковой мембраны в области напротив канавки полупроводниковой мембраны.
ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ
Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 121-130 из 367.
20.05.2015
№216.013.4b63

Способ управления мотор-генератором

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системах управления мотор-генераторными устройствами транспортных средств с двигателями внутреннего сгорания. Техническим результатом является снижение дополнительных (коммутационных) потерь в силовом преобразователе. В...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002550813
Дата охранного документа: 20.05.2015
20.05.2015
№216.013.4d1d

Винтовой нагнетатель

Изобретение относится к гидравлическим машинам объемного вытеснения с вращающимися рабочими органами, в частности к винтовым роторным нагнетателям. Винтовой нагнетатель содержит корпус 3, имеющий торцевые переднюю, заднюю и боковые стенки 4, 5 и 6, винтовые роторы 1 и 2, окно выпуска,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002551255
Дата охранного документа: 20.05.2015
10.06.2015
№216.013.50b4

Устройство защиты от контрафакта и фальсификации интегральных схем

Изобретение относится к полупроводниковым микроэлектронным устройствам, а именно - к устройствам защиты от контрафакта и фальсификации интегральных схем (ИС), которые встраиваются в кристалл ИС. Технический результат - проверка подлинности ИС (т.е. ИС является либо подлинной, либо контрафактной...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002552181
Дата охранного документа: 10.06.2015
20.06.2015
№216.013.55bc

Устройство для подвода к двигателю газообразного топлива

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Предложено устройство для подвода к двигателю газообразного топлива, содержащее трубку 1 для подачи газообразного топлива к впускному клапану 3 цилиндра двигателя, расположенную во впускном канале 4 головки цилиндров....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002553478
Дата охранного документа: 20.06.2015
20.06.2015
№216.013.55bd

Устройство для питания двигателя газообразным топливом

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Предложено устройство для питания двигателя газообразным топливом, содержащее трубку 1 для подвода газообразного топлива к впускному клапану 3 цилиндра двигателя. Трубка 1 размещена во впускном канале 4 головки цилиндров 5...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002553479
Дата охранного документа: 20.06.2015
20.06.2015
№216.013.55c6

Система охлаждения с отключаемыми радиаторами

Изобретение относится к конструкциям систем охлаждения узлов и агрегатов транспортного средства. Система охлаждения с отключаемыми радиаторами содержит не менее одного охлаждаемого объекта (1), более одного радиатора (4) с вентилятором и более одного насоса (6). Радиаторы и насосы соединены...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002553488
Дата охранного документа: 20.06.2015
20.06.2015
№216.013.55de

Устройство вертостата с одним или двумя несущими винтами

Изобретение относится к области авиации, в частности к воздухоплаванию, а именно к конструкциям аэростатических летательных аппаратов с несущими винтами. Летательный аппарат вертостат содержит оболочку с несущим газом (1), один или два несущих винта (2), кабину для экипажа и пассажиров (3),...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002553512
Дата охранного документа: 20.06.2015
27.06.2015
№216.013.5845

Способ изготовления резинокордных патрубков

Изобретение относится к изготовлению резинокордных изделий, в частности к изготовлению резинокордных патрубков, предназначенных для эксплуатации под давлением в маслобензостойких средах при повышенной рабочей температуре 150°C. Техническим результатом способа является повышение прочности связи...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002554138
Дата охранного документа: 27.06.2015
27.06.2015
№216.013.5a80

Способ изготовления клиновидного радиопрозрачного переднего обтекателя корпуса сверхзвукового летательного аппарата

Изобретение относится к способу изготовления термостойкого элемента корпуса сверхзвукового летательного аппарата (ЛА) и касается переднего радиопрозрачного обтекателя корпуса. При изготовлении клиновидного радиопрозрачного переднего обтекателя корпуса ЛА применяют объемную многослойную пряжу...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002554709
Дата охранного документа: 27.06.2015
20.07.2015
№216.013.62b6

Движительно-рулевое устройство

Изобретение относится к области морской подводной техники, а именно к конструкциям движительно-рулевых устройств подводных аппаратов. Движительно-рулевое устройство содержит гребной винт, который размещен в направляющей насадке. Направляющая насадка представляет собой кольцевое крыло. На...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002556817
Дата охранного документа: 20.07.2015
Показаны записи 121-130 из 270.
10.01.2015
№216.013.1858

Способ регулирования двигателя внутреннего сгорания

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом. Техническим результатом является повышение эффективности работы и улучшение топливной экономичности двигателя, снабженного турбокомпрессором, сокращение выбросов оксидов азота. Сущность изобретения заключается в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002537660
Дата охранного документа: 10.01.2015
10.01.2015
№216.013.1967

Трехосный автомобиль с комбинированной энергетической установкой

Изобретение относится к транспортному машиностроению. Трехосный автомобиль с комбинированной энергетической установкой содержит тепловой двигатель, связанный с колесами среднего моста, обратимые электрические машины, трансмиссию и бортовую управляющую систему. Автомобиль выполнен с приводом...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002537931
Дата охранного документа: 10.01.2015
27.01.2015
№216.013.20a5

Способ определения статического дисбаланса заготовок непосредственно на металлорежущем станке

Изобретение относится к области измерений, а именно к процессу определения статического дисбаланса заготовок, и может быть использовано для балансировки заготовок. Способ заключается в следующем. Планшайба станка (поворотный стол станка) с установленной на ней заготовкой устанавливается в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002539805
Дата охранного документа: 27.01.2015
27.01.2015
№216.013.20ae

Способ определения пространственного распределения напряженности электромагнитного поля

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для решения задач электромагнитной совместимости и экологической безопасности электротехнического и радиоэлектронного оборудования промышленных, транспортных, общественных и бытовых объектов. На габаритных обводах материальных...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002539814
Дата охранного документа: 27.01.2015
10.02.2015
№216.013.240f

Лопасть гребного винта судна ледового класса

Изобретение относится к области судостроения, в частности к лопастям гребных винтов судов ледового класса, в том числе и гребных винтов судов ледового класса, работающих в составе винторулевых колонок. Лопасть гребного винта судна ледового класса имеет плавную криволинейную поверхность, а в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002540684
Дата охранного документа: 10.02.2015
10.02.2015
№216.013.26ed

Устройство для измерения и контроля сопротивления изоляции под рабочим напряжением в силовых сетях переменного тока с резистивной нейтралью

Изобретение относится к области электротехники. Устройство содержит резистор, соединенный с нейтралью одним выводом, резистивный датчик тока, источник стабилизированного напряжения постоянного тока, шунтирующий конденсатор C1, RC-фильтр на 50 Гц, блок гальванической развязки, электронный...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002541418
Дата охранного документа: 10.02.2015
20.02.2015
№216.013.2819

Система диагностики устойчивости комплекса радиоэлектронных приборов к преднамеренным силовым электромагнитным воздействиям

Изобретение относится к электроизмерительной области техники и может быть использовано для диагностики устойчивости оборудования к воздействию преднамеренных силовых электромагнитных воздействий (ПД ЭМВ). В систему диагностики, содержащую генератор испытательных помех с полеобразующей системой...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002541722
Дата охранного документа: 20.02.2015
20.02.2015
№216.013.28ae

Сверхширокополосная многолучевая зеркальная антенна

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к антенной технике. Технический результат - снижение уровня боковых лепестков парциальных диаграмм направленности и повышение надежности работы антенны при одновременном упрощении конструкции отражателя. Для этого сверхширокополосная...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002541871
Дата охранного документа: 20.02.2015
20.02.2015
№216.013.29f4

Способ получения изделий из твердого сплава

Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано для получения твердосплавного концевого инструмента. В сплав на основе карбида вольфрама с размером частиц 1-3 мкм добавляют ультрадисперсный порошок (УДП) карбида вольфрама с размером частиц 50-100 нм в количестве 2-5%...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002542197
Дата охранного документа: 20.02.2015
27.02.2015
№216.013.2c9f

Шлифовальный круг

Изобретение относится к инструментальной промышленности и может быть использовано при изготовлении шлифовальных кругов для операций бесцентрового, круглого и внутреннего шлифования на проход. Шлифовальный круг содержит металлический корпус с рабочей частью, выполненной из нанесенного на...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002542891
Дата охранного документа: 27.02.2015
+ добавить свой РИД