Сенсоры давления

Сенсор КНК

В различных отраслях промышленности, таких как пищевая, производство пластмассовых изделий и строительных компонентов, а также для измерения давления и уровня жидких сред, широко применяются датчики с открытой мембраной, включая высокотемпературные датчики. Один из таких датчиков - датчик КНК - обеспечивает точные измерения давления в различных системах. Малогабаритный датчик ПД180 оснащен сенсором типа КНК (кремний на кремнии) и измерительной мембраной из нержавеющей стали. 

Сенсор КНК, который является полупроводниковым, используется в датчике КНК для измерения давления. При изменении давления на измерительную мембрану датчика, ее форма меняется, что приводит к изменению сопротивления. Это изменение сопротивления преобразуется в электрический сигнал, который далее обрабатывается и используется для измерения давления.

Датчики давления с открытой жесткой мембраной

Датчики, построенные на основе структур КНК («кремний на кремнии»), обычно имеют (рис.1а) тензопреобразователь с корпусом 1, полупроводниковым чувствительным элементом (ПЧЭ) 3, отделяемым от рабочей среды при помощи мембранно-жидкостного разделителя (поз.2 и А). В этом случае разделительная мембрана 2 может быть тонкостенной, гофрированной, либо выполнена из эластичного (резиноподобного) материала.

Входная часть датчика давления с тензопреобразователем на базе структуры КНК с мембранно-жидкостным разделителем. Вариант с гермовводом.
а) вариант без гермоввода;
б) вариант с гермовводом.

1 - корпус тензопреобразователя; 2 - эластичная разделительная мембрана; 3 - полупроводниковый чувствительный элемент (ПЧЭ); 4 - корпус коллектора; 5 - плата коллектора; 6 - корпус датчика (штуцер, гнездо или фланец); 7 - выводы (микропровод) от контактов ПЧЭ; А - разделительная жидкость; 8 - гермовывод; 9 - изолятор; 10 - трубка; 11 - припой для герметизации.

Наличие мембраны 2 с разделительной жидкостью А в подмембранной полости порождает ряд технических проблем, т.к. температурные коэффициенты расширения мембран, корпуса (поз. 1 и 6) и жидкости существенно отличаются.

При создании датчиков стремление к уменьшению габаритных размеров является одним из ключевых факторов. Однако, это приводит к увеличению жесткости мембраны, что в свою очередь, вызывает повышение основной и температурной погрешности в связи с изменением параметров мембраны, подмембранной полости и жидкости.

Чтобы повысить чувствительность и точность датчика, требуется уменьшать толщину мембраны, но это вызывает технологические проблемы, связанные с изготовлением и сваркой тонкостенных мембран. Кроме того, чем тоньше мембрана, тем больше она подвержена механическим и химическим разрушающим воздействиям.

В мембранных разделителях жидкостей, выполненных в штуцере с резьбой М20x1,5, может использоваться только очень тонкая мембрана (0,025-0,1 мм), что снижает стойкость датчика к внешним воздействиям и может быть неприемлемо для сложных условий эксплуатации. Кроме того, при уменьшении толщины мембраны увеличивается вероятность ее повреждения и уменьшается стойкость к химическим воздействиям.

Повышение чувствительности датчика при помощи уменьшения толщины мембраны также вызывает увеличение объема подмембранной жидкости и соответствующей температурной погрешности. Увеличение диаметра мембраны позволяет поднять чувствительность датчика при приемлемой толщине металла (например, 0,1 мм). Однако при этом возрастает объем подмембранной жидкости и соответствующая температурная погрешность. Растет также фронтальная нагрузка на датчик (в квадратичной зависимости по отношению к диаметру).

Надежность датчика напрямую связана с герметичностью мембраны. Малейшая негерметичность разделительной полости между мембраной и ПЧЭ приводит к утечке жидкости и, в конечном итоге, к отказу датчика. Например, в тензопреобразователе (подобном выпускаемым фирмами ВИКА, Кистлер, Келлер и др.), показанном на рис. 1б, имеются гермовыводы 8 с изоляторами 9 и трубкой 10 и припоем для герметичного заполнения подмембранной полости кремнеорганической жидкостью. Через все эти элементы возможны утечки, что снижает надежность тензопреобразователя.

Кроме того, стоит учитывать, что мембрана не является абсолютно герметичной, через нее, например, могут происходить микроутечки через микротрещины. Чем тоньше мембрана, тем больше утечки, что в итоге может приводить к ползучести и отказу датчика.

Таким образом, при создании датчиков необходимо находить баланс между уменьшением габаритных размеров и поддержанием надежности и стойкости к различным воздействиям. Увеличение диаметра мембраны может повысить чувствительность датчика, однако это может привести к увеличению объема подмембранной жидкости и соответствующей температурной погрешности. Кроме того, необходимо учитывать технологические проблемы при изготовлении тонкостенных мембран и возможность утечек через микротрещины.

Использование датчиков с мембранно-жидкостным разделителем в высокотемпературных средах ограничено температурой кипения разделительной жидкости. При разработке таких датчиков необходимо учитывать несколько требований к их конструкции, таких как эластичность мембраны с минимальной зависимостью от перемещения, температуры и времени, ее герметичность по отношению к разделительной жидкости и рабочей среде, минимальная сжимаемость жидкости, минимальный объем жидкости в подмембранной полости и герметичность камеры с разделительной жидкостью. Датчики давления со структурой «кремний на сапфире» могут решать многие проблемы, характерные для датчиков со структурой КНК, но при использовании мембранно-жидкостного разделителя они не существенно отличаются от датчиков на базе структуры КНК.