Емкостный датчик давления и способ его изготовления
Изобретение относится к измерительно и технике и может быть использован для измерений малых переменных и квазистатических давлений в газообразных и жидких средах. Цель - повышение чувствительности и точности измерений. Сущность из эбретения: пьезокварцевый датчик ления содержит корпус 1 с размещенным в нем кварцевым пьезозлементом 2 в виде круглой пластинки Х-среза, на которую нанесены электроды 6 и 7, соединенные, соответственно , с корпусом 1 и выходом 5 датчика. Особенностью датчика является то, что в нем пластинка 2 жестко защемлена по периферии в корпусе 1 датчика, образуя мембрану, а электрод 7, соединенный с выходом 5 датчика, расположен в центральной части пластинки 2, ограниченной радиусом в 0,63 от радиуса пластинки. Для упрощения крепления в корпусе 1 пьезоэлемент 2 может быть выполнен в виде колпачка с дном, являющимся мембраной, и стенками, закрепленными на основании корпуса 1, причем толщина стенок не менее, чем вдвое превышает толщину дна, з высота превышает радиус колпачка. 1 з.п. ф-лы. 4 ил. (Л С
C0IO3 СО8ЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РРСПУЬЛИК
ГОСУДА Р СТ8Е Н ЮЕ flAT EHTHOE 8ЕДОМСТ80 СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4893600/10 22) 19,11,90 46) 15.02.93. Бюл. % 6 71) Н аучно-исследовательский И нститут Физических Измерений (?2) Е,M.Áåëoçóáoâ и Д.В.Апакин (56) Авторское свидетельство СССР М 209786, кл. G 01 1 9/12, 1967. Авторское свидетельство СССР М 294525, кл. G 01 (9/12, 1969, (54) ЕМКОСТНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления в различных областях науки и техники, связанных с измерениями в высокотемпературных средах. Цель: повышение технологичности изготовления и уменьшение габаритов емкостного датчика давления. Сущность изобретения: усовершенствуется конструкция емкостного датчика давления, содержащего корпус 1, упругую мембрану 2, выполненную за одно целое с опорным основанием 3, круглый подвижный электрод 4 измерительного конденсатора, кольцевой неподвижный электрод 5 эталонного конденсатора, кольцевой подвижный электрод 6 термозависимого конденсатора, расположенный на Изобретение относится к измерительной технике, в частности к емкостным датчикам, предназначенным для использования в различных областях науки и техники, связанных с измерением статико-ди,,5U» 1795315 А1 пластине 7, соединенной с торцем цилиндрической втулки 8, неподвижные электроды измерительного 9, эталонного 10 и термозависимого 11 конденсаторов, расположенные на пластине 12 и выводные проводники 14. Согласно изобретению, кольцевая пластина в виде упругого фланца 7 выполнена в одной плоскости с поверхностью мембраны 2 за одно целое с опорным основанием 3 и по периферии фланца в месте расположения подвижного электрода 6 термозависимого конденсатора выполнено кольцевое утолщение, а пластина 12 выполнена за одно целое с концентрично с ней размещенной дополнительной упругой мембраной 13, расположенной в проточке корпуса 1, а выводные проводники 14 расположены в зазоре между пластиной 12 и опорным основанием 3. Способ изготовления датчика усовершенствуется тем, что втулку 8 выполняют в виде двух вкладышей, симметричных относительно плоскости, проходящей через продольную ось втулки 8, устанавливают вкладыши в проточке опорного основания 3 и жестко соединяют одним торцем с кольцевым утолщением упругого фланца 7, другим торцем — с опорным основанием 3 и прижимают пластину 12 к опорному основанию 3 поверхностью корпуса 1. 2 с.п. ф-лы, 1 ил. намического давления в высокотемпературных средах. Известен емкостный датчик давления, содержащий корпус, упругий элемент в виде мембраны с жестким центром, выполнен1795315 ной за одно целое с опорным основанием, круглый подвижный электрод измерительного конденсатора, расположенный на поверхности мембраны в области жесткого центра, кольцевой неподвижный электрод эталонного конденсатора, размещенный на опорном основании, зеркально-симметричные неподвижные электроды измерительного и ° эталонного конденсаторов, расположенные на пластине, соединенной прокладками с упругим элементом по периферии в трех точках,-а зазор между электродами выполнен с превышением максимального перемещения подвижного электрода на 10-20, Известен способ изготовления емкостного датчика давления, заключающийся в полировании поверхности упругой мембраны и пластины, нанесении на них диэлектрической пленки, формировании на пленке электродов с контактными площадками, разварке выводных проводников на контактные площадки, закреплении пластины на опорном основании, установке гермопереходника, разварке выводных проводников на гермовыводы, установке герметизирующей втулки. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту к предлагаемому решению является емкостный датчик давления, содержащий корпус, упругую мембрану с жестким центром, выполненную за одно целое с опорным основанием, круглый подвижный электрод измерительного конденсатора, расположенный на поверхности в центре мембраны, кольцевой неподвижный электрод эталонного конденсатора, размещенным на опорном основании, кольцевой подвижный электрод термозависимого конденсатора, расположенный соосно с кольцевым неподвижным электродом на кольцевой пластине, соединенной с торцем цилиндрической втулки, расположенный в проточке, выполненной на боковой поверхности опорного основания, и жестко соединенной противоположным торцом с опорным основанием, зеркальносимметричные неподвижные электроды измерительного, эталонного и термозависимого конденсаторов, расположенные на пластине, соединенной с опорным основанием, выводные проводники частично расположенные в отверстиях пластины, выполненных между электродами эталонного и термозависимого конденсаторов, Недостатком известного емкостного датчика является недостаточная технологичность и увеличенные радиальные размеры датчика. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому решению является способ изготовления емкостного датчика давления, заключающийся в установке втулки в проточке опорного основания, полировании поверхности упругой мембраны и пластин, нанесении на них диэлектрической пленки, формировании на пленке электродов с контактными площадками, разварке выводных проводников на контактные площадки, закреплении пластины на опорном основании и кольцевой пластины на втулке, установке корпуса. Однако данный способ отличается недостаточной технологичностью. Изобретение направлено на повышение технологичности изготовления и уменьшение габаритов датчика. Согласно изобретению в емкостном датчике давления, содержащем корпус, упругую мембрану, выполненную за одно целое с опорным основанием, круглый подвижный электрод измерительного конденсатора, расположенный на поверхности в центре мембраны, кольцевой неподвижный электрод эталонного конденсатора, размещенный на опорном основании, кольцевой подвижный электрод термозависимога конденсатора, расположенный соосно с кольцевым неподвижным электродом на кольцевой пластине, соединенной с торцем цилиндрической втулки, расположенной в проточке, выполненной на боковой поверхности опорного основания, жестко соединенной противоположным торцем с опорным основанием, зеркально-симметричные электроды измерительного, эталонного и термозависимого конденсаторов, расположенные на пластине, соединенной с опорным основанием, выводные проводники, частично расположенные в отверстиях пластины, выполненных между электродами эталонного и термозависимого конденсаторов в соответствии с предлагаемым изобретением кольцевая пластина в виде упругого фланца, выполнена в одной плоскости с поверхностью мембраны за одно целое с опорным основанием,и по периферии фланца в месте расположения подвижного электрода термозависимого конденсатора выполнено кольцевое утолщение, выводные проводники расположены в зазоре между пластиной и фланцем, пластина выполнена за одно целое с концентрично введенной с ней в датчик дополнительной упругой мембраной, соединенной по периферии с поверхностью корпуса, 1795315 Кроме того, в способе изготовления емкостного датчика давления, заключающимся в установке втулки в проточке опорного основания, полировании упругой мембраны и пластин, нанесении на них диэлектрической пленки, формировании на пленке электродов с контактными площадками, размещении выводных проводников на контактных площадках, закреплении пластины на опорном основании и установке корпуса соответствии с предлагаемым изобретеием выполняют втулку в виде двух вкладыей, симметричных относйтельHO плосости, проходящей через продольную ось втулки, устанавливают вкладыши в проточе опорного основания и жестко соединяют дним торцем с кольцевым утолщением уп° ° ° ° угого фланца, другим торцем с опорным снованием, прижимают плаСтину к опорн ому основанию поверхностью корпуса с усилием поджатия определяемом по соотн ошению: BQЬ А0 :1 где Π— усилие поджатия пластины к опорному основанию, кГс; (g допустимое напряжение в материa ite до пол Н ител ь ной упругой мембраны, кгс/мм; Ь вЂ” базовая длина {расстояние на продольной оси датчика от поверхности корпуса; в которую упирается дополнительная упругая мембрана, до кромки корпуса, котора сваривается с опорным основанием), мм : c4.s. — температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) цилиндрической втулки, К ак — ТКЛР корпуса, К ; @ к — диапазон рабочих температур датчика, К; . R — радиус дополнительной упругой мембраны, мм; Š— модуль упругости материала дополнительной упругой мембраны, кГс/we; h — толщина дополнительной упругой мембраны, мм; Ваь, А0 — коэффициенты. оп ределяемые по коэффициенту Пуассона,и материала 40полнительной упругой мембраны и отношению е = R/ro радиуса этой мембраны R к радиусу ro ее жесткого центра выражения2 с 2с Inc — с+1 Ваь —— 1-р (с — 1) — 4 с In c На чертеже изображен предлагаемый датчик в разрезе. Соотношения между размерами межэлектродного зазора и толщинами диэлектрической пленки и электродов для наглядности изменены. Емкостный датчик давления содержит корпус 1, упругую мембрану 2, выполненную за одно целое c опорным основанием 3. Подвижный круглый электрод 4 измерительного конденсато15 ра расположен на поверхности в центре мембраны. Кольцевой неподвижный электрод 5 эталонного конденсатора размещен на опорном основании. Кольцевой подвижный электрод 6 термозависимого конденса2О тора расположен соосно с кольцевым йеподвижным электродом на кольцевой ;. пластине 7, которая выполнена в виде упругого фланца с кольцевым утолщением по периферии за одно целое с опорным основанием. Цилиндрическая втулка 8 расположена в проточке, выполненной на боковой поверхности опорного основания и жестко :соединена одним торцем с кольцевой пла.- ."стиной, а другим — с опорным основанием. 3О. Зеркально-симметричные неподвижные электроды измерительного 9, эталонного 10 .и термозависимого 11 конденсаторов расположены на пластине 12; которая выполне на за одно целое с концентрично с ней 35 расположенной дополнительной упругой мембраной 13. соединенной по периферии с поверхностью корпуса и соединена с опорным основанием. Выводные и роводники 14 частично расположены в.отверстиях пластины, которые выполненй между электродами эталонного и термозависимого конденсаторов, частично расположены в зазоре между пластиной и упругим.фланцем. Корпус выполнен. из сйяава 29НК. Упругая 45 мембрана с опорным основанием и пластина, выполненй из сплава 7ОНХБМЮ. Для электрической, изоляции электродов используется пленка 15 из А1гОз — SIO толщиной 3 мкм. Электроды и контактные ,-О площадки выполнены из пленки -NI толщиной 4 мкм. Выводные проводники выпол- . нены из ленты 0,05 — 1 79НМ. Для втулки используется сплав 12Х18Н10Т. Выводные проводники впаиваются в корпус глазурью СК-7. Зазор между электродами равен 50 мкм. Диаметр мембраны равен 7 мм. Емкостный датчик давления работает следующим образом. Измеряемое давление воздействует на мембрану 2 с внешней стороны. Под воздействием измеряемого дав1795315 В емкостном датчике давления отсутстления подвижный электрод 4 измерительного конденсатора, расположенный в центре мембраны перемещается в направлении к вует зазор между опорным основанием и кольцевой пластиной так как они выполнены за одно целое. Зто дает возможность неподвижному электроду 9 измерительного получить равномерный слой фоторезистора конденсатора, вследствие чего емкость изна проводниковой пленке, а следовательно, качественно сформировать электроды и мерительного конденсатора увеличивается. Емкость опорного конденсатора не зависит от измеряемого давления. При изменении контактные площадки на поверхности упрутемпературы датчика из-за разницы темпе-- roA мембранйи кольцевой пластины. Отсутствие зазора позволяет уменьшить рения втулки и опорного основания радиальные размеры чувствительного эле(а > а) подвижный электрод 6 термозави- . мента и датчика на 1 мм, так как отсутствуют симога конденсатора перемещается в на- кольцевые зоны на опорном основании и йравлении к неподвижному электроду 11: кольцевой плаСтине непригодные для нане15 сения диэлектрической пленки (при увеличении температуры) или от него В предлагаемой датчике давления отсутствует сварное соединение между пла(при уменьшении температуры). Зто приводит к изменению емкости термозависимого конденсатора от изменения температуры. стиной и опорным основанием, что Значения емкостей измерительйого; опор-: повышаеттехнологичностьизготовленияза счет устранения. повреждения датчиков редаются на выводйые проводники 14 и вследствие исключения попадания частиц далее на нормирующее устройство (на " расплавленного металла возникающих при фиг.1) не показано, которое формирует два: сварке пластины и. опорного основания в выходных сигнала зависящих o1 отношений зазор между:электродами. Таким образом, заявляемая конструкизмерительного и термозавйсимого конден- : ция емкостного датчика давления и способа саторов. Таким образом, один выходйой его изготовления дает значительное повышение технологичности и уменьшение габаритов на 25 в диаметре. сигнал зависит от измеряемого давления, а другой - от"темйературы датчика. Формула изобретения 1. Емкостный датчик давления, содержащий корпус. упругую мембрану, выполэталонного и термозависимого конденсаторов, от л и ч а ю щ и и с,я тем, что, с целью повышения технологичности и уменьшения габаритов, в нем кольцевая пластина выполненную за одно целое с опорным нена в аиде упругого фланца, изготовленного в одной плоскости с поверхностью основанием,. круглый подвижный электрод измерительного -конденсатора, расположенный на поверхности в центре мембрамембраны за одно целое с опорным основанием, по периферии фланца в месте распоны, кольцевой неподвижный электрод эталонного конденсатора, размещенный на ложен ия подвижного электрода термозависимого конденсатора выполнено опорном основании, кольцевой подвижный электрод термозависимого конденсатора, расположеннцй соосно с кольцевым неподвижным электродом на кольцевой пластине, соединенной с торцем цилиндрической втулки, расположенной в проточке, выполненной на боковой поверхности опорного основания и жестко соединенной противо положным торцем с опорным основанием, .. зеркально симметричные неподвижные электроды измерительного, эталонного и " термозависимого конденсаторов, расположенные на пластине, соединенной с опорным основанием, выводные проводники, частично расположенные в отверстиях пластины, выполненных между электродами ратурных коэффициентов линейного расши- 10 ного и термозависимого конденсатора пе- 20 емкости опорного конденсатора к емкостям 25 кольцевое утолщение, пластина выполнена за одно целое с концентрично с ней размещенной введенной в датчик дополнительной упругой мембраной, расположенной в проточке корпуса, а выводные проводники расположены в зазоре между пластиной и упругим фланцем. 2, Способ изготовления емкостного датчика давления, заключающийся в установке втулки в проточке опорного основания, полировании поверхности упругой мембраны и пластин, нанесении на них диэлектрической пленки, формировании на пленке электродов с контактными площадками, размещении выводных проводников на контактных 1795315 К,;, Н» E h R .р ... — 2 Воь Аа где Q — усилие поджатия пластины к опорному основанию, кГс; (о) — допустимое напряжение в материале дополнительной упругой мембраны, кГС/мм; 5 — базовая длина (расстояние на продольной оси датчика от поверхности корпуса, в которую упирается дополнительная 1 — р (с — 1) — 4с !и с Аа 3(1-у ) с -1 ln c 4с с — 1/ f1 б Составитель В,Волков Техред M,Mîðãåíòàë Корректор А.Обручар Редактор О.Стенина Заказ 424 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35. Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101 площадках, закреплении пластины на опорном основании и установке корпуса, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения технологичности и уменьшения габаритов датчика, выполняют втулку в виде двух вкладышей, симметричных относительно плоскОсти, проходящей через продольную ось втулки, устанавливают вкладыши в проточке опорного основания и жестко соединяют одниМ торцем с кольцевым утолщением упругого фланца, другим торцем — с опорным основанием и прижимают пластину к опорному основанию поверхностью корпуса с усилием поджатия, определяемым из соотношения упругая мембрана, до кромки корпуса, которая сваривается с опорным основанием), а.э, — температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) цилиндрической втулки, К A< — ТКЛР корпуса, К 1; Ломаке — диапазон рабочих температур датчика, К; R — радиус дополнительной упругой мембраны, мм; Š— модуль упругости материала ддполнительной упругой мембраны, кГс/мм; h — толщина дополнительной упругой мембраны, мм; Воь, Аа коэффициенты, определяемые по коэффициенту Пуассона материала дополнительной упругой мембраны и отношению с = R/ro радиуса этой мембраны В к радиусу ro ее жесткого центра выражениями
