Емкостный датчик давления и способ его изготовления

 

Использование: изобретение предназначено для измерения давления в условиях воздействия повышенных температур. Цель изобретения - уменьшение массы и габаритов , улучшение динамических характеристик, повышение технологичности и надежности. Сущность: при воздействии на датчик повышенной температуры вследствие применения монолитной диэлектрической пластины 16 электрическое сопротивление изоляции и тангенс диэлектрических потерь между электродами 5, 7 и 6, 8 и токопроводящими элементами конструкции будет сохраняться при более высоких значениях температур и минимальных габаритах, 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4733877/10 (22) 04.09.89 (46) 23.02.93. Бюл, М 7 (71) Научно-vlccëåäoâàòåë ьский институт физических измерений (72) E,M,Áåëîç Yáoâ (56) Патент США М 4562742. кл. G 01 L 9/12, 1985, Авторское свидетельство СССР

В 4712585/24-10, .кл. G 01 L 9/12, от 02,07,89 г., по которой принято решение о выдаче авторского свидетельства (авт.св. М 1727008), (54) ЕМКОСТНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ И

СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ,.5UÄ, f796930 А1 (57) Использование: изобретение предназначено для измерения давления в условиях воздействия повышенных температур, Цель изобретения — уменьшение массы и габаритов, улучшение динамических характеристик. повышение технологичности и надежности.

Сущность: при воздействии на датчик повышенной температуры вследствие применения монолитной диэлектрической пластины

16 электрическое сопротивление изоляции и тангенс диэлектрических потерь между электродами 5, 7 и 6, 8 и токопроводящими элементами конструкции будет сохраняться при более высоких значениях температур и минимальных габаритах, 3 ил, 1796930

Предполагаемое изобретение относится к измерительной технике, в частности к емкостным датчикам, предназначенным для использования в различных областях науки и техники, связанных с измерением давления в условиях воздействия повышенных температур, Известен емкостный датчик давления, содержащий упругий элемент в виде круглой мембраны с круглым кольцевым электродом на периферии, в центре которой прикреплен круглый диск с электродом на периферии, зеркально-симметричный электроду упругого элемента, и выводы, присоединенные к контактным площадкам электродов, и контактами гермопроходника.

Известен способ изготовления емкостного датчика давления,.заключающийся в формировании мембраны с круглым кольцевь1м электродом на периферии, закреплении в центре мембраны круглого диска с электродом на периферии и присоединении выводов к контактным площадкам электродов и контактам гермопроходника, Недостатком известной конструкции являются достаточно большие габариты и масса вследствие наличия гермопроходника. Динамические характеристики датчика также весьма несовершенны вследствие присоединения к центру мембраны довольно значительной присоединенной массы. Недостатком известной конструкции является также низкая технологичность и надежность вследствие недостаточной надежности, присоединения круглого диска к центру мембраны из-за воздействия деформаций от измеряемого давления на место соедине, ния диска и мембраны.

Недостатком известного способа изготовления емкостного датчика давления является то, что он не позволяет изготавливать датчики с достаточно малыми габаритами, массой. Динамические характеристики датчиков, изготовленных по известному способу, также весьма несовершенны вследствие необходимости присоединения к центру мембраны круглого диска. Недостатком известного способа является сравнительно низкая технологичность в связи со сложным процессом присоединения круглого диска к мембране.

Известен емкостный датчик давления, содержащий корпус, закрепленную в отверстии корпуса мембрану с жестким центром, утолщенным основанием и кольцевой проточкой между ними, при этом на поверхности мембраны со стороны жесткого центра закреплена первая диэлектрическая пластина с кольцевой проточкой, расположенной над кольцевой проточкой мембраны, 50 намические характеристики, вызванные сравнительно большой массой жесткого центра упругого элемента. Кроме того, известная конструкция обладает низкой технологичностью и надежностью, объясняемой избыточным количеством элементов с ограниченной надежностью и технологичностью: гермопроходники, тонкие выводные проводники и т,д„а также сложностью и большим количеством межэлектродных связей и ограниченной надежностью и технологичностью: различного рода конструкционных сварок, микросварок выводных проводников, причем над первой диэлектрической пластиной размещена вторая диэлектрическая пластина, при этом на обращенных одна к другой поверхностях пластин сформированы соответственно в центре над жестким центром мембраны круглые электроды измерительного конденсатора с соответству, ющими контактными площадками, а над периферийным основанием мембраны— кольцевые электроды эталонного конденсатора с соответствующими контактными площадками, причем между диэлектрическими пластинами расположены контактирующие с соответствующими контактными площадками токоподводящие выводы, которые герметично закреплены в изоляционной оболочке гермопроходников, закрепленных герметично в соответствующих дополнительных отверстиях корпуса, 20

Известен способ изготовления емкостного датчика давления, включающий выполнены мембраны с жестким центром и утолщенным периферийным основанием, выполнение диэлектрической пластины с жестким центром, выполнение второй диэлектрической пластины, полирование поверхности мембраны и каждой диэлектрической пластины и формирование на этих поверхноЗ0 стях электродов конденсаторов, установку между ними в местах контактных площадок выводов гермопроходников, установку гермопроходников герметично в дополнительных отверстиях корпуса, а также включающий ус 5 тановку и герметизацию мембраны по ее периферии в корпусе, Недостатком известного емкостного датчика давления являются достаточно большие габариты и масса вследствие нали40 чия гермопроходника, необходимости обеспечения определенного зазора между контактами гермопроходника и электродами, а также вследствие сравнительно большой массы жесткого центра мембраны.

Недостатком известного емкостного датчика являются также сравнительно низкие ди1796930

20

30 мента равна толщине мембраны диэлект40 рической пластины, Корпус, пластина и мооксидной керамики ВК 100-1. Электроды

45 выполнены в виде структуры ванадий-ни50

Недостатком известного способа изготовления является то, что он не позволяет изготавливать емкостные датчики с достаточно малыми габаритами и массой, Недостатком известного способа являются также сравнительно низкие динамические характеристики, объясняемые небольшой собственной частотой упругого элемента вследствие определенной массы жесткого упругого элемента. Другими недостатками известного способа изготовления являются низкая технологичность и надежность, объясняемые избыточным количеством сложных трудноуправляемых технологических операций.с конечным выходом годных и ограниченной надежностью: микросварка выводных проводников на контакты гермопроходника и на контактные площадки электродов, присоединение жил кабелей к контактам гермопроходника, присоединение гермопроходника и т.д, Цель изобретения — уменьшение массы и габаритов, улучшение динамических характеристик, повышение технологичности и надежности за счет исключения избыточного количества элементов с ограниченной надежностью и технологичностью . (гермопроходника, тонких выводных проводников), увеличения собственной частоты упругого элемента вследствие уменьшения массы жесткого центра упругого элемента за счет уменьшения количества операций с конечным выходом годных и ограниченной надежностью.

На фиг, 1,2,3 изображен предлагаемый емкостный датчик давления. Соотношения между размерами межэлектродного зазора, толщин электродов и размерами других элементов конструкции для наглядности изменены. Емкостный датчик давления содержит корпус 1, в котором размещены

: упругий элемент в виде мембраны 2 с жестким центром 3, выполненной за одно целое с опорным основанием 4, круглый подвижный электрод 5 измерительного конденсатора, расположенный на диэлектрике в области жесткого центра, кольцевой неподвижный электрод 6 опорного конденсатора, размещенный на диэлектрике в области опорного основания, зеркально симметричные неподвижные электроды измерительного 7 и опорного 8 конденсаторов, расположенные на диэлектрике пластины 9, закрепленной с зазором на упругом элементе, и кабели 10 в герметичной оболочке, жилы 5

11 которых соединены с контактными площадками 12 соответствующих электродов.

Жесткий центр мембраны направлен в сторону, противолежащую измеряемой среде.

Диэлектрики упругого элемента и пластины выполнены в виде круглых монолитных пластин 13 и 14 соответственно, диаметр которых равен диаметрам упругого элемента и пластины. На монолитной пластине упругоro элемента выполнен жесткий центр 15 и опорное основание 16, расположенные зеркально-симметрично жесткому центру и опорному основанию упругого элемента.

Пластина 9 выполнена за одно целое с корпусом 1, В корпусе выполнена внутренняя полость диаметром, равным диаметру упругого элемента, и три радиальных равномерно расположенных по периметру отверстия

17, продольные оси которых размещены в

15 плоскости, равноудаленной от плоскостей подвижного и неподвижного электродов измерительного конденсатора, В отверстиях герметично закреплены. например, при помощи непрерывной лазерной сварки кабели в герметичной оболочке, торцы которых защищены герметизирующим материалом 18, Токоведущие жилы частично выполнены толщиной, большей величины межэлектродного зазора на величину их толщины электрода и расположены между диэлектрическими пластинами. Торец корпуса жестко соединен при помощи аргонодуговой сварки по периферии с торцом упругого элемента с предварительной деформацией в пределах упругости части токоведущих жил, заключенных между диэлектрическими пластинами. Жесткие центры упругого элемента и его диэлектрической пластины выполнены в виде колец, Толщина стенки кольца жесткого центра упругого элемента равна толщине мембраны упругого элемента. Толщина стенки кольца жесткого центра диэлектрической пластины упругого злеупругий элемент датчика выполнены из ниобий-циркониевого сплава НЦУ. Диэлектрические пластины выполнены из алюкель. Общая толщина структуры 1 мкм. В качестве кабеля с герметичной оболочкой применен нагревостойкий кабель в металлической оболочке с минеральной изоляцией и никелевой токопроводящей жилой типа KHMCH. В качестве герметизирующего материала используется стеклокерамика

СК-100. Величина межэлектродного зазора равна 50 мкм. При толщине электрода, равной 1 мкм, толщина части токопроводящей жилы кабеля равна 51 мкм.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом. Формируют жесткий центр и опорное основание диэлектрической пластины упругого элемента. Форми1796930

20 конденсаторов характер изменения их емкостей от температуры будет аналогичен.

25 Поэтому выходной сигнал с нормирующего

40

45 избыточного количества элементов конструкции (гермоколодку, выводные проводники и т,д.) с определенными размерами, массой и ограниченной надежностью. Кроме

50 того, герметизация кабелей обеспечивает повышает надежность. Уменьшение габарит55 ных размеров и массы одновременно улучшарование осуществляется непосредственно в процессе спекания керамики ВК-100.

Со стороны жестких центров доводят поверхности упругого элемента и его диэлектрической пластины до получения неплоскостности порядка 0,5 мкм., Полируют диэлектрические пластины со сторон размещения электродов до шероховатости не более 0,05 — 0,1 мкм при помощи механической полировки.

Формируют на поверхности диэлектрических пластин электроды термическим ис. парением на установке магнетронного напыления. Формирование части токоведущих жил толщиной, большей межэлектродного зазора на величину толщины электрода проводят путем обжима в калиброванных губках. При величине межэлектродного зазора, равной 50 мкм, толщина части токоведущих жил равна 51 мкм. Защищают торцы кабелей герметизирующим материалом, Операция проводится на кабелях, еще не установленных в корпус. Помещают диэлектрическую пластину с неподвижными электродами в корпус. При этом осуществляется ориентация и фиксация пластины при помощи дополнительных выступов, пазов или штифтов (на фиг. не показаны), Вводят кабели в отверстия корпуса таким образом, чтобы их расплющенные токоведущие жилы касались с одной стороны контактной площадки соответствующего электрода, а с другой — диэлектрика. Герметично закрепляют кабели в отверстиях корпуса, например, при помощи лазерной или aproxo-дуговой свар- 3 ки. Помещают внутрь корпуса диэлектрическую пластину упругого элемента и упругий элемент с одновременной их ориентацией и фиксацией аналогично диэлектрической пластине с неподвижными электродами.

Прижимают упругий элемент к пластинам усилием, равномерно распределенным по периферии, и приваривают торец упругого элемента к торцу корпуса при воздействии этого усилия.

Емкостный датчик давления работает следующим образом. Измеряемое давление воздействует на мембрану датчика, Под воздействием измеряемого давления жесткий центр мембраны упругого элемента, а. следовательно, и жесткий центр диэлектрической пластины и расположенный в области жесткого центра подвижный электрод измерительного конденсатора перемещается в направлении неподвижного электрода измерительного конденсатора. В результате этого межэлектродный зазор измерительного конденсатора уменьшается, а его емкость соответственно увеличивается.

Емкость опорного конденсатора не зависит от измеряемого давления вследствие расположения его электродов на неподвижных элементах конструкции. Значения емкостей измерительного и опорного конденсаторов через их контактные площадки и кабели передаются на нормирующее устройство (на фиг, не показано), которое формирует выходной сигнал, зависящий от отношения опорной и измерительной емкостей, а, следовательно, и от измеряемого давления, При воздействии на датчик повышенной температуры вследствие применения монолитной диэлектрической пластины сравнительно большой толщины электрическое сопротивление изоляции и тангенс диэлектрических потерь между электродами и токопроводящими элементами конструкции будет сохраняться при более высоких значениях температур, по сравнению со случаем применения тонкопленочного диэлектрика

Вследствие планарного расположения электродов измерительного и опорного устройства будет в значительной мере минимизирован в части воздействия температуры.

Выполнение глухого отверстия в корпусе и установление на его дне второй диэлектрической пластины минимизирует геометрические размеры и массу и повышает технологичность и надежность, так как позволяет устранить избыточное количество элементов конструкции, Выполнение гермопроходников в виде кабелей в герметичной оболочке, выводы из которых герметизированы по торцу кабеля, а кабели вставлены герметично в сквозные Отверстия. которые выполнены с боковых сторон корпуса на уровне межэлектродного зазора, напротив соответствующих контактных площадок также уменьшает геометрические размеры и массу и повышает технологичность и надежность вследствие устранения герметизацию внутренней плоскости датчика и устранение негативного влияния окружающей среды на характеристики датчика, т.е ет динамические характеристики датчика вследствие повышения собственной (резонансной) частоты датчика, Выполнение в жестком центре мембраны и в первой диэлектрической пластине

1796930

10

40 цилиндрических углублений, расположенных соосно и напротив друг друга при сохранении плоско-параллельного перемещения неподвижного электрода. Уменьшение массы жесткого центра приводит не только к уменьшению массы датчика в целом, но и, что наиболее важно, позволяет существенно увеличить собственную частоту измерительного канала датчика, а, следовательно, и улучшить динамические характеристики;

Это объясняется тем, что собственная частота мембраны с жестким центром обратно пропорциональна квадратному корню массы жесткого центра. В зависимости от размеров жесткого центра предлагаемое решение позволяет уменьшить массу жесткого центра в 5-10 раз. Поэтому собственная частота мембраны повышается в 2 — 3 раза.

Если толщина стенки кольца будет больше соответствующей мембраны, то неоправданно возрастает масса жесткого центра, а следовательно, динамические характеристики датчика ухудшаются. Если толщина стенки кольца будет меньше толщины стенки, то динамические характеристики датчика ухудшаются вследствие недостаточной жесткости кольца. Кроме того, в этом случае возникает дополнительная нелинейность, связанная с неточностью передачи деформации мембраны упругого элемента на подвижный электрод измерительного конденсатора, Предварительное формирование жесткого центра и опорного основания диэлектрической пластины объясняется технологической целесообразностью, т.к. сначала необходимо сформировать форму, а затем проводить операции, требующие особых условий к чистоте окружающей среды. Из этих же соображеФормула изобретения

1, Емкостный датчик давления, содержащий корпус, закрепленную в отверстии корпуса мембрану с жестким центром, утолщенным периферийным основанием и кольцевой проточкой между ними, при этом на поверхности мембраны со стороны жесткого центра закреплена первая диэлектрическая пластина с кольцевой проточкой, расположенной над кольцевой проточкой мембраны, причем над первой диэлектрической пластиной размещена вторая диэлектрическая пластина, при этом на обращенных одна к другой поверхностях пластин сформированы соответственно в центре над жестким центром мембраны ний операция доводки поверхностей упругого элемента и его диэлектрической пластины проводится до операции полирования. требующей особенно бережного последующего отношения во избежание возможного повреждения полированной поверхности, Кроме того, доводка необходима для обеспечения минимальной неплоскостности поверхности соприкосновения упругого элемента и его диэлектрической пластины. Полирование диэлектрических пластин необходимо для обеспечения последующего формирования электродов по тонкопленочной технологии, 15 Технико-экономическим преимуществом предлагаемого решения, по сравнению с прототипом, является уменьшение массы более чем в 6 раз, уменьшение габаритов примерно 7 раз за счет устранения избыточного количества элементов с ограниченной надежностью и технологичностью (гермопроходника, тонких выводных проводников) и элементов их крепления. Другим преимуществом предлагаемого решения является улучшение динамических характеристик вследствие повышения в 2 раза собственной частоты воспринимающей части за счет уменьшения массы жесткого центра при сохранении плоскопараллельного характера перемещения подвижного электрода измерительного конденсатора, Преимуществом предлагаемого решения является также повышение технологичности и надежности за счет уменьшения количества операций с конечным выходом годных и ограниченной надежностью (сварки выводных проводников с контактными площадками электродов и контактами колодки; изготовление и присоединение гермопроходника и т,д.). круглые электроды измерительного конденсатора с соответствующими контактными площадками, а над периферийным основанием мембраны — кольцевые электроды эталонного конденсатора с соответствующими контактными площадками, причем между диэлектрическими пластинами расположены контактирующие в соответствующими контактными площадками токопроводящие выводы, которые герметично закреплены в изоляционной оболочке, гермопроходников, закрепленных герметично в соответствующих дополнительных отверстиях корпуса, отличающийся тем,что,с целью уменьшения массы и габаритов, повышения динамических характеристик, тех1796930

12 нологичности и надежности, в нем отверстие в корпусе выполнено глухим и на его дне установлена вторая диэлектрическая пластина, дополнительные отверстия выполнены с боковых сторон корпуса íà уровне зазора между диэлектрическими пластинами, а гермопроходники выполнены в виде кабеля с металлической оболочкой, в которой герметично закреплена изоляционная оболочка, при этом в жестком центре мембраны и в первой диэлектрической пластине соосно выполнены напротив друг друга цилиндрические углублейия, причем толщина стенки между боковой цилиндрической поверхностью углубления в жестком центре и боковой цилиндрической поверхностью жесткого центра равна толщине мембраны.

2. Способ изготовления емкостного датчика давления, включающий выполнение мембраны с жестким центром и утолщенным периферийным основанием, выполнение первой диэлектрической пластины с жестким центром, второй диэлектрической пластины, полирование.поверхности мембраны и каждой диэлектрической пластины и формирование на этих поверхностях электродов конденсаторов, установку между ними в местах контактных площадок выводов гермопроходников, установку гермопроходников герметично в дополнительных отверстиях корпуса, а также включающий установку и герметизацию мембраны по ее периферии в корпусе, отличающийся тем, что, с целью повышения технологичности, до полирования первой диэлектрической пластины и мембраны в каждой из них выполняют цилиндрическое углубление, а затем после полирования их соприкасающиеся поверхности доводят до минимальной неплоскостности, при этом перед герметизацией мембраны ее прижимают к первой пластине усилием, равномерно распределенным по ее периферии.

1796930

b-Б гу

«е. 3!

Составитель Е. Белозубов

Техред М. Моргентал

Корректор С. Шекмар

Редактор Т, Шагова

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101

Заказ 645 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открмтиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5