экране в 5 клеток, т. е. было получено увеличение коэффициента преобразования сигнала на 7—9 дБ при его преобразовании из ультразвука в электрический ток.
Далее ультразвуковой преобразователь (ИПЭП) был применен для эхоимпульсного контроля однородности структуры графитовых блоков толщиной 100 мм. При этом пьезопластина преобразователя выполнялась с металлическими обкладками на торцевых поверхностях, которые присоединялись к выходу генератора дефектоскопа. Последний вырабатывал импульс, возбуждавший с помощью обкладок пьезоэлемент, прижатый через смазку глицерином к плоской поверхности графитового блока. Ультразвук от пьезоэлемента распространялся в контролируемом блоке и в случае наличия дефекта типа трещины или пустот отражался от дефекта и возвращался на пьезоэлемент, посредством которого преобразовывался в электромагнитное поле.
Магнитная составляющая этого поля наводила в магнитных сердечниках магнитные потоки, преобразуемые сигнальной обмоткой в ЭДС сигнала, поступающего в приемный тракт дефектоскопа и отображавшегося на его экране в виде импульса. Для браковочного дефекта диаметром 1—1,2 мм на глубине 50—70 мм величина сигнала
при отключенном генераторе составляла 1—1,5 дел. по шкале экрана дефектоскопа при положении его аттенюатора "0 дБ", что явно недостаточно для надежной разбраковки изделий в автоматическом режиме контроля из-за большого влияния на вероятность пропуска дефекта и ложной браковки случайных шумов, уровень которых всего в 2—3 раза ниже уровня сигнала. При подаче от генератора напряжения накачки 150 мВ частотой 2,0 МГц уровень сигнала на экране дефектоскопа увеличился до 2,5—3 дел., т. е. на 6—8 дБ, что стало в 6—7 раз больше уровня случайных шумов, что позволило получить надежное выявление браковочных дефектов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Глаголев А.Е. Ультразвуковые индукционные пьезопре-образователи // Датчики и системы. — 2008. — № 8. — С. 37—40.
2. А. с. 1346026 СССР. Способ электроакустического преобразования / А.Е.Глаголев. М.Кл. H 04 R 23/00 // Бюл. — 1987. — № 38. — С. 271.
3. Физический энциклопедический словарь. Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Сов. Энциклопедия, 1983. — С. 520.
Александр Евгеньевич Глаголев — канд. техн. наук, инженер ОАО "Подольск-Цемент";
® 8 (4967) 63-87-98
E-mail: ta53@mail.ru □
УДК 681.586.326
МИКРОЭЛЕКТРОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ АБСОЛЮТНОГО ДАВЛЕНИЯ
Н. Л. Данилова, В. В. Панков, В. С. Суханов
Рассмотрены конструкции микроэлектронных преобразователей абсолютного давления, выполненных на базе кремниевого тензорезистивного преобразователя давления мембранного типа. Приведена конструкция, обеспечивающая защиту микроэлектронного преобразователя от воздействия окружающей среды. Ключевые слова: преобразователь абсолютного давления, соединительное стекло, малогабаритный тензомодуль, чувствительный элемент давления.
Преобразователи абсолютного давления — тензомодули серии ТДМ-А и ТДМ1-А для неагрессивных газовых сред на базе кристаллов интегральных преобразователей давления (ИПД) мембранного типа выпускаются в соответствии с ГОСТ 22520 на ряд давлений с пределами измерений от 0 до 0,01...10 МПа. На кристалле ИПД сформированы
тензосхема в виде моста Уитсто-на и схема температурной компенсации. В соответствии с указанными диапазонами давлений применяются три типа кристаллов: ИПД5.2, ИПД6 и ИПД9.1, отличающиеся размером кристалла и геометрией мембраны. Каждый преобразователь имеет индивидуальную характеристику преобразования давления в
выходное напряжение. Выходной сигнал ивых при поданном на тензомодуль давлении р вычисляется по формуле:
тт _ тт ^ ^вых.ном „
ивых - и0 + —--Р
Р ном
где Ц) — выходное напряжение при давлении р = 0; рном — верхний предел преобразуемого
давления, МПа; АЦ^ном =
= Цвых.ном - Ц0 - Диапазон изменения выходного напряжения при номинальном давлении (Р = Рном^ мВ
Основные параметры тензо-модулей приведены в таблице.
Конструкция тензомодулей абсолютного давления серии ТДМ-А приведена на рис. 1, а. Кристалл ИПД монтируется в корпус в составе чувствительного элемента ЧЭД, который состоит из кристалла ИПД 1 и кремниевой прокладки 2, соединенных в вакууме легкоплавким стеклом. При этом в процессе сборки под мембраной ИПД образуется вакуумирован-ная полость 4. В конструкции тензомодуля применены два клеевых соединения: для закрепления стеклянного основания 3 на основании корпуса 5 и для закрепления ЧЭД на стеклянном основании 3.
Тензомодули серии ТДМ1-А (см. рис. 1, б) предназначены для контроля абсолютного давления газовых сред с повышенной влажностью. Чтобы обеспечить работу тензомодуля при повышенной влажности, применена заливка компаундом 6. Для тензомодулей ТДМ1-А величина номинального давления составляет не более 0,25 МПа, по остальным параметрам тен-зомодули ТДМ1-А аналогичны тензомодулям серии ТДМ-А.
Для защиты конструкции микроэлектронного преобразователя от воздействия окружающей среды и для расширения диапазона преобразования давления относительно ТДМ1-А предложена новая конструкция чувствительного элемента абсолютного давления ЧЭД-А1 (рис. 2, а) и соответственно новая конструкция тензопреобра-зователя ТДМ203 (рис. 2, б). Конструкция ЧЭД-А1 состоит из кристалла ИПД 1, кремниевой прокладки 2, кремниевого
а — серия ТДМ-А, б — серия ТДМ1-А
Основные параметры тензомодулей абсолютного давления
Наименование параметра, обозначение, единица измерения, режим измерения Диапазон изменения параметра Температура
не менее не более среды, °С
Ток потребления, 1пот, мА — 1,5 -40...+80
Выходное напряжение, и0, мВ, при р = 0 -6 6
Диапазон изменения выходного напряжения, , мВ: ном при рном < 0,016 МПа при рном > 0,016 МПа 20 40 70 150 23 ± 10
Нелинейность выходной характеристики, 2Кн, %: при рном < 0,016 МПа при рном > 0,016 МПа -0,3 -0,25 0,3 0,25
Температурный коэффициент "нуля", ТКН, %/(10 °С): при рном < 0,016 МПа при рном > 0,016 МПа -0,3 -0,25 0,3 0,25
Температурный коэффициент чувствительности, %/(10 °С) -0,25 0,25
Температурный гистерезис "нуля", Гтн, %: -40...+80
при рном < 0,016 МПа при рном > 0,016 МПа -0,3 -0,25 0,3 0,25
Температурный гистерезис чувствительности, Гтч, %: при рном < 0,025 МПа при рном > 0,025 МПа -0,3 -0,25 0,3 0,25
Датчики и Системы • № 10.2009 _ 53
абсолютного давления, защищенного от воздействия окружающей среды (б)
основания 3 и кремниевой защитной прокладки 4. Соотношение размеров в соединяемых деталях выбрано таким образом, чтобы обеспечить механическую развязку ИПД от корпуса преобразователя [1]. Кристалл ИПД имеет квадратную форму с размерами 6,2 х 6,2 мм; в кристалле сформирована тонкая мембрана с жестким центром, на которую подается измеряемое давление. С лицевой стороны кристалла ИПД расположены четыре тензорезистора 9. Над лицевой поверхностью ИПД расположена защитная прокладка, в которой анизотропным травлением сформировано углубление. Защитная прокладка по периметру герметично соединяется с ИПД при помощи легкоплавкого стекла.
Процесс соединения всех деталей ЧЭД происходит в вакууме. При этом под защитной прокладкой создается вакуумная полость 5, относительно которой происходит измерение давления. В кристалле ИПД соединение тензорезисторов с металлической разводкой осуще-
ствлено с помощью переходных высоколегированных областей р+-типа проводимости [2] за пределами зоны соединения кристалла ИПД с защитной прокладкой, что предотвращает обрывы металлизации и обеспечивает надежность конструкции. Надежность образования вакуумной полости ЧЭД возрастает вследствие того, что разновысо-тность лицевой стороны кристалла ИПД, создаваемая алюминиевой разводкой, вынесена на периферию кристалла ИПД и находится вне зоны соединения кристалла с защитной прокладкой.
Из рис. 2, б, видно, что такая конструкция ЧЭД позволяет полностью изолировать электрическую схему кристалла от воздействия внешней среды благодаря применению крышки (баллона) корпуса 7, а также за счет вакуумноплотного соединения 10 между крышкой корпуса 7 и основанием корпуса 6. При этом полость 11 между основанием корпуса и крышкой (баллоном) корпуса заполнена
воздухом при атмосферном давлении или инертным газом. Давление измеряемой среды подается со стороны основания корпуса через трубку 8. Измеряемая среда воздействует на кремний и соединительное стекло, что позволяет контролировать давление как газов, так и жидкостей.
Была изготовлена серия тен-зомодулей предлагаемой конструкции на давление с верхними пределами измерения 25; 40; 60; 100 кПа. Предлагаемая конструкция малогабаритного тен-зомодуля ТДМ203 показала метрологические характеристики, не уступающие характеристикам серийно выпускаемых тензомо-дулей ТДМ-А и ТДМ1-А. Интегральная технология изготовления кристалла тензочувстви-тельного преобразователя давления, технологичность сборки тензомодуля, защита его от внешних воздействующих факторов обеспечивают низкую себестоимость и расширяют функциональные возможности его применения в различных отраслях промышленности.
ЛИТЕРАТУРА
1. Пат. РФ № 2169912, МПК G01L9/04. Микроэлектронный датчик давления / В. Н. Зимин, А. В. Ковалев, В. В. Панков и др. // Бюл. - 2001.
2. Пат. РФ № 2278447, МПК H01L 29/84, G01L 9/04. Интегральный преобразователь давления / В. Н. Зимин, А. А. Резнев, А. Н. Сауров, Н. А. Шелепин / Бюл. - 2005.
Работа выполнена в НПК "Технологический центр"МИЭТ(г. Зеленоград).
Наталья Леонтьевна Данилова — ст. на-учн. сотрудник;
® (499) 720-85-35
E-mail: N.Danilova@tcen.ru
Владимир Валентинович Панков — ст. на-учн. сотрудник;
® (499) 720-85-35
Владимир Сергеевич Суханов — начальник лаборатории. □
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.