Дифференциальный датчик давления жидкости и способ изготовления его чувствительного элемента - RU2069328C1
Код документа: RU2069328C1
Чертежи
Описание
Данное изобретение относится к серийно изготавливаемым дифференциальным элементам давления, у которых диафрагмы выполнены из хрупких материалов, снабженных защитой от избыточного давления, и установленным в кожухе для обеспечения нормальной работы в значительном диапазоне линейного статического давления.
В патенте США N 4572000 описан датчик давления, имеющий хрупкую диафрагму, которая при избыточном давлении оказывается плоской на плоской опорной пластине. В этом патенте диафрагма выпучивается при начальном давлении и происходит так, что она остается на опорной пластине и по существу плоской при максимальном давлении.
Известны также и другие устройства, в которых используются хрупкие диафрагмы, которые имеют торцевые опорные буртики, а измерение может производиться за счет емкостного измерения или за счет применения тензометрических датчиков, установленных на самой диафрагме.
Данное изобретение относится к элементам измерения давления, в которых используется единственная кремниевая активная диафрагма, которая выполнена такой, что она поддерживается между плоскими опорными пластинами или элементами и имеет такую форму, чтобы получались вогнутые поверхности при нулевой разности давлений, и каждая обращена к одному из опорных элементов. Вогнутая поверхность выполнена так, что при состоянии покоя она имеет точно прогнутую форму диафрагмы, и когда измеряемое давление действует в сторону перемещения диафрагмы к опорной поверхности, поверхность диафрагмы, обращенная к опоре, станет плоской и полностью ложится на опору. За счет полной опоры диафрагмы предотвращаются избыточные напряжения, которые могут привести к образованию трещин или поломке хрупкого материала диафрагмы. Диафрагма предпочтительно выполнена из такого материала, как кремний, сапфир, германий или другого полупроводника или подходящего керамического материала.
Способы изготовления позволяют решить проблему образования полости в поверхности кремниевой диафрагмы, обращенной к опорам, соответствующей формы, и при этом не требуется создание или образование поверхности опорного слоя. Опорный слой предпочтительно выполняют из стекла, и когда используется емкостное измерение, эти стеклянные опорные слои обеспечиваются металлическими емкостными пластинами, нанесенными на них.
Вогнутые поверхности диафрагмы предпочтительно изготавливают серийно, то есть делают несколько диафрагм на вафле, на которую закрепляют опорные диски. После формовки вафля и опорные диски могут разрезаться на отдельные ячейки.
Поверхности диафрагмы могут выполняться за счет сгибания диафрагмы под давлением во время изготовления и притирки или шлифования противоположной поверхности до плоского состояния, когда диафрагмы находятся под давлением. Когда давление снимается, получается полость с точно заданной формой на поверхности, которая подвергалась притирке или шлифованию.
Затем может обрабатываться противоположная сторона диафрагмы со стороны, имеющей вогнутую форму, таким же путем, чтобы получилась вторая вогнутая поверхность на диафрагме. Диафрагма также может быть изготовлена с использованием двух секций диафрагмы или половинок, у каждой из которых имеется одна вогнутая поверхность. Обе секции скрепляют друг с другом на границе перехода, так, чтобы получившаяся конструкция имела две обращенные наружу вогнутые поверхности, к которым могут прикрепляться два опорных слоя. В опорных слоях выполняют отверстия, через которые допускается измеряемое давление.
Другой возможный способ предусматривает конструкцию с двумя вафлями, имеющими половинки диафрагмы, которые сгибаются под давлением, а затем скрепляются с наружными поверхностями вафель, в то время, как половинки диафрагмы остаются согнутыми под давлением. Прикладывается скрепляющий материал и после этого диафрагмы остаются в придавленном виде даже после снятия давления. Затем к противоположным сторонам вафель прикрепляют опорные диски.
Используются диафрагмы разной формы для измерения дифференциальных давлений, а когда давление подается с одной стороны диафрагмы, она переместится в сторону созданной поверхности опорной пластины, и поверхность диафрагмы станет плоской, когда она соприкоснется с такой опорной поверхностью, за счет чего она оказывается полностью подпертой относительно избыточных давлений.
Измерительные ячейки сплачивают в кожухи, содержащие массивные конструкции из материала с коэффициентом температурного расширения, согласующимся с этим коэффициентом ячеек измерения давления, чтобы ячейки оставались вместе и сохранялось поджатие по периметру ячеек. Зажимная конструкция также снабжена проходами для пропускания давления к конструкции, а за счет выбора зажимной конструкции или конфигурации кожуха может обеспечиваться механическая компенсация зазоров диафрагмы, которые изменяются при различных статических давлениях измеряемых режимов. Эта техника компенсации полезна для датчиков, являющихся емкостными. Статическое давление является средним давлением на противоположных сторонах диафрагмы, и во многих случаях статическое давление в несколько сот или даже тысяч фунтов на квадратный дюйм может наблюдаться в линиях, идущих к датчикам дифференциального давления, тогда как измеренное дифференциальное давление может быть до 6,9 кПа. Необходимы датчики для работы при статических линейных давлениях, которые изменяются от низких до высоких. Точное расположение областей, где скрепляются вместе измерительные ячейки и управление площадью уплотнения, которое влияет на сгибание датчика, позволяет производить компенсацию различных статических линейных давлений, получаемых при управлении и изменении радиального напряжения диафрагм, которое влияет на жесткость диафрагмы, а тем самым и на величину сгибания при заданном дифференциальном давлении, действующем на диафрагму. По мере возрастания статического давления зазор между поверхностью диафрагмы, которая образует одну емкостную пластину датчика, и соответствующей опорной поверхностью, которая имеет другую емкостную пластину, изменяется так, что эти поверхности стремятся к отделению при повышении статического давления. За счет такого закрепления ячейки в кожухе уменьшается pадиальное напряжение диафрагмы и в то же время возможно осуществление компенсации.
Все эти датчики могут изготавливаться серийно для уменьшения стоимости. При серийном производстве обычно предусматривается применение вафель из полупроводника, когда будет несколько диафрагм на вафле во время этапов производства, прикрепление вафли или стеклянных дисков, образующих опорные пластинки, а затем разрезание вафли на отдельные датчики, когда завершена обработка.
Фиг. 1 схематическое изометрическое изображение ячейки датчика, выполненной в соответствии с данным изобретением, где показана опорная конструкция измерительной ячейки.
Фиг. 2 схематическое изображение, на котором показано устройство на фиг. 1, закрепленное в кожухе, и схематическое изображение изоляторных диафрагм для передачи давлений к измерительной ячейке.
Фиг. 3 сечение обычной диафрагмы и опорной пластины, где показана начальная стадия изготовления при серийном производстве, но при этом показана только одна ячейка.
Фиг. 4 сечение такое же, как и на фиг. 3, иллюстрирующее следующий этап изготовления.
На фиг. 5 показан отдельный изготовленный датчик или половинка датчика с поверхностью диафрагмы, выполненной в соответствии с данным изобретением.
Фиг. 6 другой вид конструкции датчика давления, выполненного с использованием двух или более частей датчика, показанных на фиг. 5.
Фиг. 7 сечение диафрагмы и опорной пластинки, образующих половину измерительной ячейки, выполненной в соответствии с данным изобретением во второй его форме.
Фиг. 8 сечение, на котором показаны два из углов диафрагмы и опорной пластинки, приведенных на фиг. 7, собранные в ячейку датчика давления.
Фиг. 9 сечение типичного устройства серийного процесса изготовления измерительных ячеек в соответствии с данным изобретением при видоизмененном процессе.
Фиг. 10 сечение, на котором показано устройство, приведенное на фиг. 9, при другом этапе изготовления ячеек измерения давления.
Фиг. 11 сечение, на котором показан этап установки частично изготовленной диафрагмы на опорную пластинку.
Фиг. 12 другой этап процесса создания диафрагмы в соответствии с модифицированным вариантом изобретения.
Фиг. 13 вафля с диафрагмами, выполненными после осуществления этапа, показанного на фиг. 12.
Фиг. 14 сечение партии изготовленных измерительных ячеек после прикрепления второй опорной пластинки на место в соответствии с модифицированным вариантом изобретения.
Фиг. 15 сечение блока датчика, на котором показано предпочтительное зажимное приспособление измерительных ячеек в наружном кожухе.
Фиг. 16 фрагментарное сечение модифицированного зажимного кожуха.
На фиг. 1 показана измерительная ячейка дифференциального давления с одиночной диафрагмой, обозначенная позицией 10, которая помещена между первым закрывающим опорным цилиндрическим элементом 11 и вторым закрывающим опорным цилиндрическим элементом 12. Каждый цилиндр выполнен из стекла типа Пирекс или другого подходящего материала и имеет отверстие или проход, проходящий вдоль центральной оси, для допуска к ячейке двух давлений, представленных стрелкой 14-Р1 и стрелкой 15-Р2. Измерительная ячейка 10 зажата между цилиндрами 11 и 12, в основном как показано на фиг. 2. Зажим может иметь торцевые колпачки или рамки 20 и 21, скрепленные вместе болтами 22, зажимающими цилиндры 11 и 12 на измерительной ячейке 10. На фиг. 2 также схематически показаны первый и второй изоляторы 24 и 30, которые используются для передачи известным путем давления на измерительную ячейку 10 через проходы в цилиндрах соответственно 11 и 12, при этом диафрагма измерительной ячейки не подвергается давлению измеряемой среды.
Изоляция давления является хорошо известным приемом и, как показано, изолятор 24 содержит изолирующую диафрагму 25, которая охватывает полость 26, содержащую несжимаемую жидкость типа силиконового масла, которое передает давление по трубке 27 в канал в центре цилиндра 11 и тем самым к одной стороне диафрагмы в ячейке 10, что будет показано далее. Изолирующая диафрагма 25 подвергается прямому давлению Р1, обозначенному стрелкой 14 на фиг. 2. Изолятор 30 имеет изолирующую диафрагму 31 и, эта изолирующая диафрагма установлена на подходящей опоре или блоке 32, определяющем камеру 33, которая наполнена несжимаемой жидкостью, которая заполняет линию 34, ведущую к центральному продольному отверстию в цилиндре 12, который прижат к противоположной стороне ячейки датчика 10 со стороны цилиндра 11. Таким образом, давление Р2, обозначенное стрелкой 15, также действует на диафрагму 31. Дифференциальное давление между давлениями Р1 и Р2 будет измерено с помощью измерительной ячейки 10.
Один способ изготовления измерительной ячейки с одиночной изгибной диафрагмой измерения давления, использующей хрупкие материалы типа кремния или другие полупроводники для диафрагм, показан на фиг. 3-6. Изготовленная измерительная ячейка 10 показана на фиг. 6 в увеличенном виде. Необходимо отметить, что рисунки изображены не масштабно и не пропорционально по отношению к реальным устройствам. С целью наглядности толщина слоев и глубина полостей и выемок сильно преувеличены.
Ячейка 10 изготовлена при серийном процессе. Вафля из кремния, показанная позицией 40, предназначена для изготовления множества диафрагм, но подробно показана только одна такая диафрагма.
Вафля 40 вытравлена с
образованием выемок 42 в заданных местах, и выемки образуют более тонкие изгибные диафрагмы 43, поддерживаемые ребрами 44, которые вырезаны
в вафле, когда закончен серийный процесс и отдельные ячейки
10 оказываются отделенными. Периферийная часть отдельной ячейки для одной половинки ячейки показана жирной линией на фиг. 3
Вафлю
40 помещают сверху стеклянного диска 45, который может быть
выполнен из боросиликатного стекла типа Пирекса. Стеклянный диск 45 снабжен множеством каналов или отверстий 46, проходящих насквозь,
которые должны совпадать с выемками 42 на вафле 40. Стеклянные
диски 45 металлизируют известным способом, чтобы получились тонкие слои металла в пределах периферийной части выемок 42. Металлические
слои образуют емкостные пластинки 47 для емкостного измерения
изгибов диафрагмы. В отверстиях 46 имеется металлизированный слой 46А, проходящий насквозь к металлическому слою 48 на противоположной
стороне стеклянного диска, который может использоваться для
прикрепления электрических отводов к обкладкам 47 конденсатора, когда изготовлены отдельные измерительные ячейки. Металлический слой 46А в
отверстиях проводит электрические сигналы от обкладок 47
конденсатора к соответствующему слою 48, который может использоваться для прикрепления подходящих отводов типа показанных позицией 49. Таким
образом, узлы диафрагмы оказываются совпадающими со слоем
50 жесткого опорного основания, который образован из диска 45, выполненного из стекла.
Вафли и стеклянный диск прикреплены вместе с использованием анодного закрепления или другого закрепляющего приема так, что получается сцепление за ободками 44 диафрагмы и стеклянного диска, захватывающее выемку или полость 42 и обеспечивающее отверстие в ней только через отверстие 46.
На фиг. 4 показан следующий этап процесса изготовления измерительных ячеек, при котором давление, показанное стрелкой 51, подают к каждому из отверстий 46 (одновременно на несколько отверстий в стекле подается давление), и при этом прогибается первоначальное сечение диафрагмы или тонкое сечение 43, которое совпадает с выемкой 42. Диафрагма принимает изогнутую форму, как показано изогнутой линией 43А, и пунктирной линией 43В, которая получается, когда диафрагма изгибается наружу. Давление держится для сохранения изогнутой диафрагмы 43 в изогнутом виде, что вызвано поданным давлением. Затем наружная выпуклая часть, выделенная пунктирной линией 43В, будет притерта или отшлифована так, чтобы образовалась плоская поверхность 43С поперек всей вафли в то время, как диафрагмы остаются под давлением.
Когда давление, обозначенное стрелкой 51, сбрасывается, изогнутые диафрагмы 43 расслабляются и принимают конфигурацию, показанную на фиг. 5, а затем поверхность 43С образует вогнутую поверхность. Поверхность 43А примет свою первоначальную по существу плоскую конфигурацию. Так как вафельный материал, показанный пунктирными линиями 43В, будет убран, выпуклая форма поверхности 43С в центральных частях изгибной диафрагмы станет обратным изображением выгнутой наружу конфигурации диафрагмы под давлением.
Множество половинок ячеек, показанных 10А, получается, таким образом, на единой вафле и прикрепленном стеклянном диске. Изготавливается вторая идентичная вафля и стеклянный диск. Для завершения обработки измерительной ячейки две вафли, имеющие идентичные половинки 10А и 10В ячеек, помещают вместе, как показано на фиг. 6, причем поверхности 43С каждой половинки 10А и 10В ячейки обращены друг к другу. Слой стеклянного фритта или другого подходящего прикрепляющего материала, показанного на рисунке позицией 56, помещают между лицевыми поверхностями вафель, на которых находятся измерительные ячейки 10А и 10В.
Поверхности 43С возвращаются к своей плоской конфигурации, как показано на фиг. 4, за счет подачи равных давлений через соответствующие отверстия 46 на стеклянных дисках, образующих основания для обеих половинок ячейки. Как показано на фиг. 6, поверхности 43С удерживаются плоскими и параллельными с материалом 56 стеклянного фритта между поверхностями. Обе вафли 40 могут удерживаться вместе в соответствующей обойме (не показана), зажимающей вафли на месте с усилием, показанным буквой F, тогда как материал стеклянного фритта находится между лицевыми поверхностями. Давление подается на диафрагму с подходящим кожухом, который накидывается на отверстия 46, а равные управляемые давления от источников 57 и 58 предназначены для сгибания частей диафрагмы так, что до того, как произойдет закрепление, лицевые наружные поверхности 43С оказываются плоскими на всех диафрагмах на вафле. Стеклянный фритт используется для прикрепления лицевых поверхностей вместе пока поверхности 43С остаются плоскими. Таким образом, управление давлением от источников 57 и 58 (это может быть и один источник) важно, когда происходит сцепление.
После установки скрепляющего материала давление от источников 57 и 58 сбрасывается на диафрагмы 43. Скрепляющий материал 56 удерживает диафрагмы 43 вафель для образования для каждой ячейки одиночной единой диафрагмы 63, которая имеет поверхности 43А, удерживаемые в вогнутом виде, обращенные к соответствующим плоским опорным слоями 50. Вогнутая форма соответствует изогнутой форме диафрагмы 63. Давление, используемое для изгибания диафрагменных сечений 43 во время изгибания, должно выбираться с учетом того, что одиночная диафрагма 63 имеет двойную толщину после сборки. Вогнутая часть диафрагмы окружена мелкой бороздкой на торцах полости 42 в центральных частях диафрагмы.
Затем вырезают вафли и стеклянные диски для получения отдельных измерительных ячеек 10. Зазоры диафрагмы относительно поддерживающего основания или плоского элемента 50 показаны увеличенными в измерительной ячейке на фиг. 6, но когда давление на одной из сторон ячейки измерения оказывается слишком большим, противоположная сторона 43А пойдет в сторону соответствующего опорного основания 50 и обкладки 47 конденсатора, образованной на нем. Тогда диафрагмы 63 оказываются опирающимися на плоскую поверхность опорных оснований, и поверхности 43 оказываются плоскими под действием номинальных избыточных давлений. Напряжение в диафрагме 63 не превышает допустимое напряжение и диафрагма 63 оказывается полностью поддержанной по всей поверхности.
Формы диафрагмы и изгибы на фиг. 3-6 являются сильно преувеличенными с целью иллюстрации, но диафрагмы выполняются такими, как описано так, что они имеют вогнутые поверхности, обращенные к обоим опорным основаниям 50 для диафрагмы, которые являются идентичными изогнутой форме диафрагмы при заданном давлении так, что когда такое давление подается к противоположной поверхности диафрагмы 63, поверхность 43С обращенная к соответствующей опоре 50, оказывается по существу параллельной опорному основанию и остается плоским, когда прикасается к опорному основанию. Диафрагмы соприкасаются с опорным основанием для предотвращения избыточного напряжения в диафрагме 63 под действием избыточных давлений.
Давления, показанные стрелкой 51, и источники 57 и 58 выбираются такими, чтобы они могли деформировать диафрагму 63 немного больше, чем максимальный практический диапазон давления измерительной диафрагмы 63. Тогда вогнутые формы поверхностей 43С будут соответствующими так, что диафрагма 63 будет работать во всем заданном диапазоне давления, но станет по существу плоской и прикоснется к соответствующему элементу 50 опорного основания перед избыточным напряжением. И снова зазор диафрагменной поверхности относительно опорного основания показан на рисунках преувеличенным. Обкладки 47 конденсатора и центральная часть диафрагмы оказываются по существу электропроводными, что позволяет осуществлять емкостное измерение.
На фиг. 7 и 8 показана модифицированная измерительная ячейка. Половинная ячейка показана на фиг. 7, а половинные ячейки изготавливают в серийном производстве с использованием кремниевой вафли 40 и стеклянного диска 45, выполненных, как это описано относительно фиг. 3. Половинная ячейка содержит опорную пластину или основание 75, выполненное из подходящего стекла, и чувствительную диафрагму 76, выполненную из вафли 40. Диафрагменная конструкция 76 содержит изгибающуюся чувствительную к давлению часть 77 диафрагмы, выполненную формованием выемки 78 с использованием известной технологии типа травления. Окружной ободок 79 предназначен для поддержания изгибающейся диафрагмы по ее торцам. У опорного основания 75 имеется обкладка 82 конденсатора, нанесенная на него, а проход 83 открыт в полость 78 под изгибающейся диафрагмой 77.
Проход 83 покрыт металлом и слой металла 84 выполнен на противоположной стороне стеклянного диска 75 со стороны обкладки 82 конденсатора.
При таком построении изобретения стеклянная опорная пластина или основание 75 и кремниевая диафрагма 76 согнуты вместе у ободка 79 и перед выделением отдельных частей половинных ячеек, которые показаны на фиг. 7, силиконовая вафля притирается или шлифуется для удаления показанного в пунктирной части 85 фиг. 7 материала так, что часть 77 диафрагмы должна уменьшиться до заданной толщины.
Две силиконовые вафли и стеклянные диски имеют каждая множество половинных ячеек, образованных, как показано на фиг. 7, на них и, они помещены с перекрытием со слоем изгибающего материала между ними. Отдельные идентичные половинные ячейки затем размещены в определенном порядке, как показано позициями 87А и 87В на фиг. 8. Вафли и стеклянные диски удерживаются в подходящей обойме, а половинные ячейки 87А и 87В помещены под давлением от источников 89 и 90, соответственно, сообщающихся через отверстия 83 в половинных ячейках, что вызывает изгибание частей 77 изгибающихся диафрагм под действием давления и нажатие на сцепляющий слой 91, который представляет собой упругий или текучий материал типа расплавленного стеклянного фритта или упругий материал, который затвердевает и становится жестким после отверждения. Крепление, создающее удерживающее усилие F, подходит для зажима вафель и блоков стеклянных дисков вместе с помощью сцепляющего материала 91 между обеими половинными ячейками 87А и 87В. Давление от источников 89 и 90 (которое должно поддерживаться равным) сохраняется на заданном уровне.
Ввиду того, что каждая прогибающаяся диафрагменная часть 77 является независимой от другой противостоящей прогибающейся диафрагменной части 77, диафрагменные части прогибаются навстречу друг другу. Материал 91 растекается, приспосабливаясь к этому прогибу или изгибанию, а затем доводится до застывания или затвердения, сцепляя вместе диафрагменные узлы 76 и прогибаемые диафрагменные части 77, находящиеся в своем изогнутом виде, как показано на фиг. 8, образуя одиночную чувствительную диафрагму 93.
Поверхности 77С, которые противостоят плоской поверхности соответствующих опорных оснований 75, имеют вогнутую форму, то есть форму изогнутой диафрагмы, находясь под давлением, обеспечивающим заданную форму. Во время работы, когда давления на половинные ячейки являются неравными, например, когда давление от источника 90, действующее на половинную ячейку 87В понижено, а давление 89 повышено относительно заданного уровня давления, дифференциальное давление окажется на уровне таком, что диафрагменный узел 93 прогнется, а поверхность 77С половинной ячейки 87В будет прогнута, оставаясь напротив поверхности опорного основания 75 для половинной ячейки 87В. Поверхность 77С будет опираться на противостоящую поверхность опорного основания 75 и будет по существу плоской, когда ляжет на опорное основание. Таким образом, чувствительная диафрагма 93 будет полностью опираться всей своей поверхностью под действием избыточного давления, когда диафрагменные поверхности имеют показанную форму.
Диафрагменный узел 93 образован из двух диафрагменных частей 77, сцепленных вместе, поэтому увеличенная жесткость узла принимается во внимание, когда выбирают давления 89 и 90 для прогибания диафрагменных частей 77 перед их сцеплением друг с другом.
Необходимо отметить, что хотя измеренная разность давления на диафрагме может оказаться в относительно небольшом диапазоне, общее статическое линейное давление, подаваемое через изолирующие диафрагмы и обозначенное как Р1 и Р2 на фиг. 1 и 2, может быть довольно высоким и составлять на практике величины порядка нескольких сотен кг/см2.
Как показано на фиг. 8, узел 87 ячеек, который имеет единственную (но составную) диафрагму с отводами 94 и 95, идущими от соответствующих обкладок 82 конденсатора и прогибающихся частей 77 диафрагмы. Прогибающаяся диафрагма является по существу проводящей или, по меньшей мере, она имеет проводящие части, достаточные для емкостного измерения прогиба. Обкладки и части диафрагмы обеспечивают получение емкостных сигналов, указывающих на зазор между обкладками 82 и смежной поверхностью диафрагменной части. Может использоваться известное схемное решение. Когда диафрагменные части 77 обеих половинных ячеек отделены изолирующим сцепляющим слоем, отводы 95 могут использоваться для индивидуальной индикации емкости соответствующих половинных ячеек относительно обкладок 82 конденсатора, который находится под диафрагменной частью 77.
И снова диафрагменные части образуют одиночную диафрагменную конструкцию 93 для измерения разностей давления, действующих на противоположные поверхности. Поверхности, противостоящие опорным основаниям 75, имеют такую форму, чтобы поверхности соответствовали изогнутой форме конструкции 93 измерительной диафрагмы при заданном давлении. Когда диафрагма 93 находится под избыточным давлением, поверхность, находящаяся на соответствующем опорном основании 75, будет по существу плоской относительно плоской поверхности опорного основания 75.
Модифицированная измерительная ячейка типа показанной позицией 10, описана в связи с фиг. 9-14. При этом варианте реализации изобретения снова используют серийную обработку, но этапы изготовления немного отличаются.
Как показано на фиг. 9, силиконовая вафля, обозначенная позицией 100, изготавливается путем создания выемок или полостей 101 в заданных местах, за счет чего получается более тонкое сечение 102 диафрагмы, совпадающее с этими выемками. Выемки также образуют ободки 103, окружающие каждое из сечений диафрагмы. Ободочные части 103 разделяются, когда отдельные измерительные ячейки вырезаются из вафли, как показано пунктирными линиями 104. После разделения вдоль линии 104 получаются диафрагменные узлы 105, имеющие ободок, поддерживающий изгибающиеся диафрагменные части 102 на кромках. Диафрагменные части могут быть квадратными или круглыми в плане.
У силиконовой вафли 100 имеется несколько диафрагменных секций 102, выполненных на ней, и она устанавливается на металлической пластине 110, которая имеет множество достаточно больших отверстий 111. Каждое отверстие 111 располагается в линию с одной из соответствующих полостей 101, выполненных за диафрагменными секциями 102 на силиконовой вафле. Парафиновый слой располагается между поверхностью кремния и металлом, создавая уплотнение. Затем на поверхность 115 металлической пластины помещают коллектор 116 и уплотняют уплотнением 116А, обеспечивая подачу давления от источника 116В в каждой из полостей 101 через отверстия 111, за счет чего осуществляется прогибание диафрагменных частей, как показано пунктирными линиями 102 на фиг. 9. Металлическая пластина и вафли удерживаются вместе с коллектором за счет подходящего фиксатора. Наружная поверхность силиконовой вафли 100 затем притирается или полируется до плоского состояния, тогда как в полостях 101 поддерживается давление. Толщина силиконовой вафли, обозначенной стрелкой 117, составляет около 0,3 мм. Когда давление от источника 116В сбрасывается, диафрагменные части 102 принимают конфигурацию, показанную на фиг. 10, при этом верхняя поверхность имеет части 102А с вогнутой поверхностью, каждая из которых образует более тонкую секцию диафрагмы. Поверхность 102Д отполирована для уменьшения глубины полостей 102А, а также для создания полированной поверхности, к которой может прикрепляться стекло. В этом случае вогнутая форма по существу совпадает с изогнутой формой диафрагмы под давлением, которое подается во время операции притирки. Диапазон давления от источника 116В в основном должен быть в пределах 3,5 кг/см2 для задатчика дифференциального давления на 0,7 кг/см2.
После притирки и полирования поверхности 102Д силиконовая вафля 100 имеет размер, показанный позицией 118, порядка 0,28 мм. Вафлю удаляют с металлической пластинки 110, а предварительно отполированная поверхность 102Д вафли 100 анодируется к диску 120 из Пирекса, который образует отдельное опорное основание датчика, когда слои разрезаются на отдельные измерительные ячейки, как показано пунктирными линиями 104 на фиг. 11. Каждая из измерительных ячеек показана позицией 121. Вогнутые поверхности 102А находятся над отверстиями 122, которые выполнены в стеклянном диске 120. Отверстия 122 окружены мелкими выемками 122А на поверхности стеклянного диска, обращенной к силиконовой вафле. Выемка гарантирует, что вафля не прикрепится к стеклянному диску в области, где образована диафрагма. Однако, за счет анодированного закрепления поверхность 102Д ободочных секций 103, прикрепленных к стеклянному диску 120, удерживается на месте так, что полости 124 за каждой из поверхностей 102А образуют герметичную полость.
На следующем этапе выемки 101, которые первоначально были выполнены в вафле 100, удаляются за счет стирания части ободочных частей 103 между полостями 101. Конструкция вафель 100 и стеклянного диска 120 показана на фиг. 12 с плоской наружной поверхностью 126 на силиконовой вафле 100, и поэтому силиконовая вафля значительно уменьшена по толщине, что показано размером 125, например, в районе 0,125 мм по всей толщине с минимальной толщиной в диафрагменных частях 102 над полостями 124 порядка 0,120 мм.
Скрепленная конструкция силиконовой вафли 100 и Пирексного или стеклянного диска 120 затем обрабатывается дальше за счет подачи давления на каждое из отверстий 121 (используя коллектор 116), прогибающего более тонкие диафрагменные части 102 наружу, как показано пунктирными линиями 102Е на фиг. 12. Поверхность 126 притирают или полируют до плоскости, при этом в полостях 124 поддерживается давление. Это давление меньше, чем давление, использованное на первом этапе, потому что диафрагменные части тоньше после шлифования и притирки до заданной толщины перед подачей давления в отверстия 122 в стеклянном диске 120.
Когда после этого снимается давление с отверстий 122 и полостей 124, изгибающиеся части 102 диафрагмы отойдут назад в свое первоначальное положение. За счет этого вогнутые поверхности 102С останутся на противоположной стороне секции 102 диафрагмы со стороны поверхностей 102А. Поверхности 102С также существенно совпадают с формой изогнутой диафрагмы, когда изогнутая диафрагма подвергается воздействию давления. Как показано на фиг. 13, поверхность 126 полируется до толщины порядка 0, 0,120 мм, что показано размером 128. Окись алюминия может использоваться в качестве притирочного или полировочного вещества.
Таким образом, части 102 прогибающейся диафрагмы имеют искривленные поверхности с противоположных сторон, образуя центральную секцию уменьшенной толщины.
На окончательном этапе формирования измерительных ячеек при таком серийном процессе второй стеклянный диск 130 прикрепляется анодированием к поверхности 126 вафли 100. Этот второй стеклянный диск 130 также имеет отверстия 132, ведущие к каждой из поверхностей 102С, и когда диск 130 закреплен на месте, можно заметить, что имеется полость 134, образованная на противоположной стороне силиконовой вафли относительно полостей 124. Это мелкие выемки 132А, окружающие отверстия 132 для того, чтобы поверхность 102С не прикрепилась к стеклянному диску 130.
Затем измерительные ячейки нарезают вдоль пунктирных линий 135, образуя отдельные стеклянные основания 131 и 121, между которыми оказывается диафрагменный узел 105. Диафрагменные узлы 105 имеют изгибающиеся части 102, поддерживаемые ободочными элементами 103.
Давление, используемое для притирки или полирования изогнутых поверхностей, должно управляться так, чтобы изогнутая поверхность не просто поджималась до плоскости. Усилие притирки контролируют относительно давления, действующего на диафрагму так, чтобы чистая сила была надлежащей. Если надавливающая среда, действующая на диафрагму, является жидкой и улавливается на месте (запаяна герметично) при соответствующем давлении, то больше не надо беспокоиться об усилии притирки, потому что жидкость не позволит диафрагме выгнуться.
Отдельные измерительные ячейки 136 после отрезания вдоль линии 135 формуются на квадратные секции и измерительные ячейки аналогично ячейкам 10. Ячейки 136 могут прокладываться между опорными или оправочными цилиндрами 11 и 12, как показано на фиг. 1, для измерения дифференциальных давлений.
В этом случае также фигурные диафрагменные поверхности 102А и 102С являются такими, что они имеют по существу вогнутую форму изогнутой диафрагмы, обращенной к соответствующему опорному основанию 121 или 131 так, что, когда подается дифференциальное давление, например, в полость 134, и оно достигает максимально заданного избыточного давления, поверхность 102А' окажется по существу плоской, поскольку она остается на противостоящей поверхности соответствующего опорного основания 121.
Противоположное действие происходит, если давление в камере 124 больше, чем максимально допустимое избыточное давление в камере 134, потому что тогда поверхность 102С останется плоской на опорном блоке 131. Изменение изгибов диафрагмы может в случае необходимости измеряться. Поверхность 102А имеет тензометрические резисторы 137, нанесенные на нее, для измерения этих изгибов. Обе поверхности 102А и 102С могут иметь такие тензометрические резисторы, или на стеклянные опорные основания могут наноситься обкладки конденсатора для емкостного измерения, если это необходимо.
На фиг. 15 показан предпочтительный вариант зажима каждой отдельной измерительной ячейки типа показанных позицией 10. Другие измерительные ячейки, показанные на предыдущих рисунках, пронумерованы отдельно, но ячейка 10 должна представлять вообще формы описанных ячеек. Измерительные ячейки закреплены между цилиндрическими 11 и 12 так, чтобы сохранялось единство и жесткость измерительных ячеек за счет однозначной опоры и, как будет показано, установка может производиться для обеспечения компенсации разностей напряжений на диафрагму измерительной ячейки при различных условиях статического линейного давления.
Поскольку физические пропорции измерительных ячеек, показанных на фиг. 15 и 16, не соответствуют другим рисункам, немасштабные рисунки служат лишь для иллюстрации и пояснения. Необходимо уяснить, что размер (площадь) измерительной ячейки 10 примерно составляет 1,3 см2 (1,1х1,1 см), а вся длина измерительной конструкции, показанной на фиг. 15, может быть в пределах 2,5 см, хотя иллюстрации схематичны лишь для показа.
В первой форме кожуха измерительная ячейка 10 показана расположенной между цилиндрами или блоками 11 и 12, как показано на фиг. 1. Схематическое изображение фиг. 2 является аналогичным. Трубки 27 и 34 входного давления проходят через торцевые колпачки 150 и 152 соответственно, и трубки 27 и 34 установлены с уплотнением для создания отверстий или каналов давления в установочных цилиндрах 11 и 12 из Пирекса или стекла. Давление полностью передается по каналу в Пирексе. Подходящие уплотнительные элементы для входных трубок давления могут использоваться, как показано на позиции 151 и 153.
Измеряемое давление передается на противоположные стороны измерительных ячеек 10 через стеклянные установочные цилиндры или блоки 11 и 12 и через сделанные в измерительной ячейке отверстия, например, отверстия 46 в основаниях 50 опор датчиков в первом примере реализации.
При такой форме реализации изобретения стеклянные установочные цилиндры 11 и 12 зажимают измерительную ячейку 10 по ее периферии с использованием уплотнения и передающих усилиях опорных колец 155, 155 с противоположных сторон ячейки, которые создают зажимное усилие Fc. Уплотнения 155 образуют небольшие очень тонкие камеры 156 и 157 между наружными поверхностями ячейки 10 и соответствующими торцами установочных цилиндров 11 и 12. Давление в трубках 27 и 34 соответственно будет присутствовать в камерах 156 и 157 по противоположным сторонам измерительной ячейки и, таким образом, давления действуют на стеклянные опорные основания 50 ячейки (или стеклянное опорное основание другого вида ячеек, которые также показаны). Зазор между опорными основаниями 50 и соответствующим установочным блоком является достаточно небольшим, что при воздействии избыточного дифференциального давления стеклянные основания будут поддерживаться на конце смежного установочного цилиндра 11 и 12 для предотвращения повреждения под действием высоких избыточных давлений.
Опорные или оправочные цилиндры 11 и 12 (изготовленные из пирексного стекла) имеют тот же самый коэффициент теплового расширения, что и опорные стеклянные основания 50, а это помогает при поддержании стабильности при различных температурных режимах.
Торцевой колпачок 150 действует на основание цилиндра 11 с помощью пружины Бельвиля 160 с подходящим усилием пружины. Торцевой колпачок 152 может действовать посредством подходящей прокладки 162, удерживающей установочные цилиндры и ячейку 10 в рабочем положении. Зажим устанавливается на уровне, при котором измерительная ячейка во время работы находится под прижимом.
Затяжные болты 163 выполнены для удержания торцевых колпачков 150 и 152 вместе для обеспечения необходимого зажимного усилия. Полупроводниковый чип 164 может устанавливаться на одном из установочных стеклянных цилиндров и может содержать емкостную измерительную схему, соединенную с датчиком отводами 165.
Модифицированный вариант измерительной конструкции показан на фиг. 16 и в этом случае установлены торцевые колпачки 150А и 152А и они удерживаются вместе посредством втулки 170, которая приваривается к торцевым колпачкам с помощью сварочного шва 171 с каждого конца. Втулка 170 устанавливается с напряжением предварительной нагрузкой перед сваркой и удерживается под напряжением при сварке для сжатия торцевых колпачков к установочным цилиндрам 11 и 12, когда снимается натягивающее напряжение втулки 170 после сварки. Сжатие действует на измерительную ячейку во время работы. Сварочные швы 171 создают герметичное уплотнение по периферии торцевых колпачков 150А и 152А.
Стеклянные цилиндры 11 и 12, как показано на фиг. 16, поддерживают стеклянные опорные основания 50 ячейки 10 по всей поверхности стеклянным фриттом 173, располагающимся на опорных основаниях 50, создавая зажимное усилие из-за напряжения в трубке 170 /или других зажимных элементов/ по всем открытым противоположным поверхностям измерительной ячейки 10. Аналогично, может использоваться пайка 174 по всей торцевой поверхности стеклянного цилиндра 12 для удержания цилиндра 12 на месте.
Трубка 170 может иметь подходящий сквозной ствол 175 для передачи электрических сигналов от полупроводникового чипа 176, прикрепленного к одному из стеклянных установочных цилиндров, в котором может применяться емкостная измерительная схема. Чип подсоединяется к отводам 177 от измерительной ячейки 10. Отводы на измерительной ячейке соединяются со схемой на чипе 176 обычным путем.
Реферат
Использование: для измерения дифференциального давления. Сущность изобретения: дифференциальный датчик давления жидкости содержит чувствительный диафрагменный модуль, установленный между двумя боковыми опорными элементами с отверстиями для подвода измеряемого давления. Модуль может быть выполнен из одного или двух диафрагменных элементов. При отсутствии измеряемого давления обе поверхности диафрагменного модуля являются вогнутыми, а при предельном давлении соответствующая сторона модуля становится плоской и прижимается к одной из опорных пластин, что защищает модуль от разрушения высоким давлением. Способ изготовления чувствительного элемента датчика предусматривает шлифовку соответствующей поверхности модуля при действии максимального давления, до получения плоской поверхности. После снятия давления эта шлифованная поверхность становится вогнутой. Аналогично шлифуется и другая сторона модуля, который может быть изготовлен из двух диафрагменных элементов, соединенных в монолит отвердевающим материалом. 6 с. и 2 з.п.ф-лы, 16 ил.
