Емкостный датчик давления

 

Использование: в автоматизированных системах охраны контроля, управления и диагностики. Сущность изобретения: емкостной датчик формируют из четырех слоев фольгированных или металлизированных диэлектрических пленок. Первая фольгированная пленка является общим основным экраном датчика для защиты от внешних воздействий. Вторая и четвертая пленка являются обкладками конденсатора. Между второй и четвертой фольгированными диэлектрическими пленками расположена перфорированная пленка с целью повышения чувствительности датчика. Ячейки перфорации имеют связь с помощью опорных отверстий с окружающей средой (с атмосферным давлением). 1 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в охранной сигнализации, в диагностических и контрольно-измерительных информационных системах.

Известен пироэлектрический датчик пульсаций давления. На стеклянную пластину осаждают полимерную подложку. На эту подложку последовательно напыляют электроды и слой чувствительного элемента из пироэлектрического материала и верхний электрод. Такой датчик не обеспечивает измерение давления охраняемых объектов. [1] К недостаткам следует отнести: низкую надежность контактов пайки чувствительного элемента (ЧЭ) из кристалла в условиях охранной сигнализации, плохую адгезию пироэлектрика со стеклом, незащищенность от внешних электромагнитных помех. Основание датчика из стекла не выдерживает высокие уровни ударной и статической нагрузки.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является емкостной пленочный датчик давления, который состоит из четырех слоев диэлектрической пленки. На первой пленке сформирован общий сплошной экран, а на верхней поверхности второй и нижней поверхности четвертой диэлектрических пленок сформированы обкладки, боковой экран и выводы конденсаторов. С целью повышения чувствительности четвертая пленка перфорированная. Соединение четырех пленок между собой и установка датчика на поверхности исследуемой модели осуществляется с помощью клея [2] Такое решение указанной конструкции неполностью обеспечивает измерение давления в области охранной сигнализации из-за небольшого размера ЧЭ и низкой избирательности.

Этот датчик обладает рядом недостатков, затрудняющих его применение в системе диагностики и охранной сигнализации. К числу этих недостатков можно отнести недостаточную жесткость конструкции датчика, невозможность демонтажа датчика и повторного использования.

Задачей настоящего изобретения является повышение чувствительности, надежности и расширение области применения. Чувствительность и надежность повышается за счет увеличения размеров ЧЭ и применения материалов с большим модулем упругости, что является техническим результатом.

Технический результат достигается тем, что в датчике давления, содержащем четыре слоя диэлектрической пленки, на нижней поверхности второй пленки сформирован общий экран, а на верхней поверхности прямоугольная обкладка, охваченная боковым экраном, третья диэлектрическая пленка перфорированная, четвертая пленка является мембраной датчика, на верхней поверхности второй диэлектрической пленки по периметру обкладки датчика между прямоугольной обкладкой и боковым экраном сформирована компенсационная обкладка, на первой и второй пленках соосно выполнены отверстия опорного давления, диаметр каждого меньше диаметра ячейки перфорации в 17 200 раз, причем толщину перфорированной пленки выбирают из соотношения t ≥δ (1-66,6) раза, где d толщина мембраны, а верхняя поверхность и нижняя поверхность мембраны покрыты диэлектрической пленкой.

На чертеже изображена конструкция датчика давления. Основание датчика из фольгированной диэлектрической пленки содержит первую диэлектрическую пленку 1, основной экран 2, вторую диэлектрическую пленку 3, обкладку датчика 4, компенсационную обкладку 5, боковой экран 6, сквозные отверстия опорного давления 7, третью диэлектрическую пленку 8 с ячейками перфорации 9, на поверхности четвертой диэлектрической пленки 10 сформирована верхняя обкладка 11, (мембрана датчика), которая защищена от внешних воздействий тонким слоем диэлектрической пленки 12. Все четыре слоя пленок между собой скрепляют клеем.

Опорные отверстия 7 позволяют выравнивать давление в каждой ячейке перфорации 9 с давлением окружающей среды. При этом не образуется воздушная прослойка за мембраной (обкладкой) 11 и повышается чувствительность датчика. Все обкладки датчика на поверхности фольгированных диэлектрических пленок формируют методом фотолитографии. С помощью обкладок 5, 11 формируют компенсационную емкость для подключения в цепи коррекции электронной схемы. Емкость компенсации должна быть больше емкости утечки. Напряжение поляризации подают на верхнюю обкладку 11 и снимают с нижней обкладки 4. В зависимости от требуемой чувствительности и размеров датчика прямоугольной формы диаметр ячейки перфорации выбирают от 5 до 20 мм, при этом для обеспечения связи ячейки перфорации с окружающей средой опорные отверстия выполняют диаметром от 0,1 до 0,3 мм. Диаметр отверстия перфорации выбирают больше в 17-200 раз отверстия опорного давления из следующего соотношения раз. Отверстие перфорации и опорное отверстие находятся на одной оси. Толщину t пленки 8 с ячейками перфорации 9 выбирают больше толщины обкладки 10 в примерно 1-66,6 раз с целью обеспечения нормального прогиба мембраны внутрь ячейки перфорации. Такое соотношение можно обеспечить, исходя из следующих соотношений . Рациональные значения размеров сторон чувствительных элементов датчиков для применения в системах контроля и диагностики, находятся в пределах 6х9 - 200х300 мм при прямоугольной форме, т.е. 9/6=300/200=1,5. Прямоугольная форма чувствительного элемента датчика обеспечивает симметричное и равномерное распределение электрического поля у краев датчика.

Принцип работы датчика. При изменении давления на величину ΔP изменяется расстояние между обкладкой 4 и обкладкой 10. Изменение этого расстояния приводит к изменению емкости C на величину ΔC По этому изменению судят о величине давления.

С этой целью заявителем были изготовлены и проверены тонкопленочные датчики с размерами чувствительных элементов, обкладка 200х300 мм с диаметрами ячейки перфорации ⊘ 20 мм и o 5 мм, начальные емкости датчиков 40 пф, 2 пф, и примерно 5 пф соответственно. Коэффициент чувствительности этих датчиков находятся в пределах 2·10^-5 10^-6 Па^-1 соответственно. Датчики были предназначены для опробования в системах охранной сигнализации. Такое конструктивное решение тонкопленочных датчиков повышает технико-экономическую эффективность в диагностических системах контроля и управления объектов промышленности.

Формула изобретения

Емкостный датчик давления, содержащий четыре диэлектрические пленки, соединенные клеевым соединением в пакет, первая из которых является основанием датчика и на ее верхней поверхности сформирован общий металлический экран, на верхней поверхности второй пленки сформирована прямоугольная первая обкладка конденсатора. охваченная по контуру боковым экраном, третья пленка выполнена перфорированной с отверстиями, а четвертая пленка с второй обкладкой конденсатора является мембраной датчика, отличающийся тем, что он снабжен компенсационной обкладкой, сформированной на верхней поверхности второй диэлектрической пленки и расположенной по периметру первой обкладки конденсатора между ней и боковым экраном, в первой и второй пленках, в общем экране и первой обкладке конденсатора выполнены соосные отверстия опорного давления, расположенные по оси отверстий перфорации третьей пленки, а вторая обкладка конденсатора сформирована на верхней поверхности четвертой пленки и покрыта введенным слоем защитной диэлектрической пленки, при этом диаметр соосных отверстий опорного давления меньше диаметра отверстий перфорации в 17 200 раз, а толщина t третьей перфорированной пленки выбрана из соотношения t ≥ (1-66,6)δ, где δ толщина четвертой пленки с второй обкладкой.

РИСУНКИ

Рисунок 1