Емкостной датчик давления

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления в машиностроении, энергетике, авиационной технике, научной и газовой промышленности. Предлагается конструкция емкостного чувствительного элемента, сборку которого осуществляют в вакууме с применением технологии изготовления тонких эритаксиальных пленок в вакууме. Мембрана датчика выполнена плоской цилиндрической формы с ячейками перфорации с разными гофрами (пильчатый, синусоидальный, тороидальный и т. д. ). Приводятся рациональные размеры конструкции чувствительного элемента емкостного датчика, позволяющего измерять пульсации давления от 10² мкПа до 2 • 10⁵ Па (15 - 200 дБ), статического давления от 0 до 5•10⁵ Па и их сочетание, т. е. статодинамическое давление в этих интервалах. Технический результат - расширение области применения, повышение надежности, уменьшение габаритов. 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления в машиностроении, энергетике, авиационной технике, нефтяной и газовой промышленности.

Известен емкостной матричный датчик давления, в котором на поверхности диэлектрической пленки сформированы обкладки конденсатора с выводами и после зазора сформирован второй экран. Мембрана датчика из металлической фольги, в которой сформированы глухие отверстия. Общая обкладка и с зазором от нее сформирован третий экран. При этом глухие отверстия расположены над обкладками и соединены между собой. Все слои между собой скрепляют клеем.

Датчик позволяет измерять пульсации давления в области авиационной техники, машиностроении путем наклейки на поверхность изделий (патент РФ N 1827018, G 01 L 9/12, 1993 г. "Емкостной матричный датчик давления" автор А. А. Казарян).

Датчик имеет следующие недостатки. Сборку датчика осуществляют ручным способом, большой технологический разброс между чувствительными злементами (ЧЭ) на одной подложке. Мембрана, изготавливаемая способом фотолитографии, позволяет выдерживать большие разбросы на толщину материала и на размеры мембраны. Из-за несовершенства материала и технологического процесса изготовления мембрана может получить некоторое коробление, нагружение такой мембраны будет сопровождаться "хлопками".

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является емкостной датчик давления, содержащий основной и дополнительные экраны, обкладку конденсатора на основе диэлектрической пленки, являющейся основанием датчика. Между обкладкой и мембраной расположена перфорированная диэлектрическая пленка. Мембрана с обеих сторон покрыта диэлектрической пленкой. Сверху мембраны тоже расположена перфорированная диэлектрическая пленка, образующая ячейки для подачи давления. Полость датчика капиллярными отверстиями связана с атмосферой.

Основание из двухсторонней фольгированной пленки. Толщина диэлектрической фольги больше, чем у металлической фольги в 5-14 раз. Мембрана датчика жестко зажата между двумя жесткими кольцами. Высота жесткой перфорированной диэлектрической пленки между мембраной и обкладкой в 8-200 раз больше толщины мембраны.

Такой датчик позволяет измерять давление в промышленности, медицине, энергетике и т. д. (патент РФ 2055334, G 01 L 9/12, 1996 г. "Емкостной датчик давления и способ его сборки" автор А. А. Казарян).

Датчик имеет следующие недостатки: все узлы между собой скрепляют клеем при определенной температуре и сжатии; сборка датчика ручная, разброс параметров в одной партии датчиков между собой значителен; плоская мембрана, характеристики быстро затухают в области больших деформаций.

Задачей настоящего изобретения является расширение области применения, повышение надежности, уменьшение габарита за счет изготовления конструкции датчиков давления с помощью технологии эпитаксиального выращивания тонких пленок в вакууме.

Технический результат достигается тем, что в емкостной датчик давления, содержащий основание из диэлектрической пленки, нанесенные на ее поверхности основной и боковой экраны, обкладку, собранные в пакет, при этом внутренняя полость датчика соединена с атмосферой через капиллярное отверстие, дополнительно введены цилиндрическая мембрана, тонкая диэлектрическая пленка, на основании датчика закреплены шпильки для соединения мембраны, экранов и обкладки конденсатора с внешней электрической цепью, причем форма мембраны плоская с перфорированными ячейками, мелкого пильчатого, глубокого пильчатого, трапецеидального, синусоидального, тороидального профиля гофра, глубина гофра больше толщины мембраны в 1,5-2,5 раза, высота цилиндра мембраны составляет 0,06 до 22,0 толщины мембраны, рабочий радиус мембраны больше радиуса нижней обкладки конденсатора в 1,01-1,05 раза, при этом радиус нижней обкладки конденсатора составляет 0,0571-17,5 радиуса эффективной площади мембраны, толщина основания датчика больше толщины изоляционной пленки в 10-160 раз, толщина основания датчика больше толщины экранов и обкладки в 13-160 раз, причем число волн гофрировки где R₁ - рабочий радиус мембраны, R₂ - радиус эффективной площади мембраны, l = 2H/tgΘ- длина волн гофрировки, где H - глубина гофра, tgΘ- угол наклона гофра.

На фиг. 1 изображена конструкция датчика в сборе и отдельные его моменты. На фиг. 2а - 2и показаны конструкции мембран датчиков разного профиля.

Конструкция датчика содержит основание 1 из диэлектрической пленки. На нижней поверхности этой пленки металлизирован сплошной экран 2. На верхней поверхности укреплены штырьки 3, металлизирована нижняя обкладка конденсатора 4, вокруг нее зазор t₅, охваченный боковым экраном 5 (сеч. Б-Б, Г-Г, вид В). Полость датчика капилярным отверстием 6 связана о атмосферой. На верхней поверхности основания нанесена тонкая изоляционная пленка 7 из диэлектрика (сеч. А-А, Б-Б). Мембрана датчика цилиндрической формы 8 сформирована в вакууме из дисперсионных прецизионных сплавов или из разных высококачественных сплавов и из полупроводника. Мембрану выполняют плоской или с гофрированным профилем 9, глубиной H, длиной волны гофра l, в частности с краевым тороидальным профилем гофрировки (сеч. А-А). Эффективная площадь мембраны 10 ограничена радиусом R₂. Мембрану с основным и боковыми экранами соединяют тонкими проводами 11 через капиллярное отверстие путем лазерной или диффузионной сварки в вакууме.

На фиг. 2а показана конструкция простой по форме плоской цилиндрической мембраны, используемой для измерения малых уровней пульсаций давления и статического давления, при больших прогибах мембраны.

На фиг. 2б - конструкция мембраны простой по форме и высоте цилиндра t₀. Мембрана оснащена круглыми (фиг. 2б) и шестигранными (фиг. 2в) ячейками диаметром d₁ = 0,5-2,0 мм. Мембрана с таким профилем позволяет измерить высокие уровни пульсаций и статическое давление при маленьких прогибах мембраны.

Шестигранная форма ячейки мембраны (фиг. 2в) позволяет увеличить чувствительность датчика за счет эффективного расположения ячеек между собой. Повышая чувствительность датчика, мембрана работает как упругий элемент с относительно большой жесткостью, совершая незначительные перемещения и совершая изгибную деформацию. Серединная плоскость мембраны практически не удлиняется, и можно принять, что мембрана имеет линейную характеристику. На фиг. 2а серединная плоскость круглой мембраны получает значительные удлинения. Это приводит к появлению напряжений растяжения в серединной плоскости, соизмеримых с изгибными напряжениями.

На фиг. 2г показана форма мембраны мелкого пильчатого профиля. Работает устойчиво к небольшим нагрузкам.

На фиг. 2д изображена мембрана глубокого пильчатого профиля. При изготовлении такой мембраны могут возникнуть трудности при формировании вершины пильчатого профиля. Обычно мембраны с глубокой гофрой имеют трапецеидальный или синусоидальный профиль (фиг. 2е, 2ж). Тонкая плоская мембрана цилиндрической формы с небольшими тороидальными гофрами высоко чувствительна и находит применение при измерении низких уровней давления. При подаче давления на мембрану с выпуклой стороны гофра мембрана способна выдерживать перегрузку. Профиль мембраны, выполненный переменным по глубине гофра фиг. 2и, позволяет уменьшать жесткость материала.

В области малых перемещений гофрированная мембрана при начальном нагружении деформируется без удлинений также, как плоская мембрана. При одинаковой толщине мембраны с увеличением глубины гофрировки повышается жесткость мембраны. Характеристика гофрированной мембраны остается линейной до тех пор, пока длина волн гофрировки остается неизменной. Далее с увеличением прогибов мембраны эффективная площадь мембраны будет удлиняться и соответственно будет увеличиваться длина волн гофрировки и характеристика мембраны будет стремиться к линейной, чем характеристика мембраны с меньшей гофрировкой. Таким образом, по уровням нагрузки и зависимости от конфигурации мембраны с увеличением глубины гофра можно добиться уменьшения или увеличения прогибов у мембраны (сеч. А-А). Особенно на характеристику гофрированной мембраны влияет ее толщина δ, в частности линейности характеристик можно добиться путем изменения толщины. Форма гофрировки и число волн при неизменной глубине влияют на характеристику линейности значительно меньше. Гофрированные мембраны за счет формы гофра приобретают свойства анизотропии.

Выбор и сочетание размеров емкостного ЧЭ производят следующим образом. Уже было отмечено, что глубина гофры Н может оказать влияние на линейность характеристик датчика, и она может быть разной и больше толщины мембраны в 1,5-2,5 раза при толщине мембраны δ = 1,0-200 мкм. Отношение высоты цилиндра t к толщине мембраны δ находится в пределах 0,06-22. Такое сочетание размеров обеспечивает нормальный прогиб мембраны внутрь цилиндра, не упираясь в обкладку конденсатора. Рабочий радиус мембраны R₁ больше радиуса нижней обкладки конденсатора R в 1,01-1,05 раза, где R = 2,0-35 мм. Тогда отношение радиуса нижней обкладки R к радиусу эффективной площади R₂ находится в пределах 0,0571-17,5. Отношение толщины основания t₃ датчика к толщине изоляционной диэлектрической пленки t₁ больше в 10-160 раз. Такое сочетание размеров двух диэлектрических пленок позволяет обеспечить электрическую прочность между обкладкой и мембраной и дает необходимую жесткость основания датчика. Отношение толщины основания t₃ к толщине экранов t₄ и толщине обкладки t₂ находится в пределах от 13 до 160, при толщине основания t₃ = 20-160 мкм. В этом случае появляется возможность осуществить надежную сборку штырьков на поверхности основания и осуществить надежное соединение токоведущих проводов с мембраной, экранами и обкладкой. Число волн гофрировки где l - длина волны гофра (фиг. 2и). Наружный диаметр основания датчика D определяют, исходя из условия крепления токоведущих штырьков. Диаметр капиллярного отверстия выбирают d = 0,1-0,3 мм. Отверстие располагают в любом удобном месте внутри полости мембраны. Согласно фиг. 2и длину волны l определяют как где H - глубина гофра, tg Θ- угол наклона гофра.

Таким образом, выбранная конструкция датчика в целом и особенно форма гофрированной мембраны позволяют измерить пульсации давления от 10² мкПа до 2•10⁵ Па (от 15 до 200 дБ), статического давления от 0 до 5•10⁵ Па и их сочетание, т. е. стато-динамическое давление в указанных интервалах и выше.

В зависимости от условия эксплуатации датчика в качестве основания и изоляционной пленки можно выбрать любой диэлектрик, в частности полимиды, окись алюминия и т. д. Материал мембраны выбирают дисперсионно-отвердевающий прецизионный сплав 55ВТЮ. Этот сплав характеризуется высокими упругими свойствами, пластичностью, высокой температурной стабильностью модуля продольной упругости. Не исключено и использование полупроводниковых материалов: никеля, стали хромникелевой, сплава 36НХТЮ и т. д.

Для достижения поставленной цели сборку и изготовление ЧЭ датчика фиг. 1 осуществляют в вакууме по технологии получения тонких полупроводниковых пленок. Такой метод изготовления емкостных ЧЭ позволяет осуществить массовое производство, что приводит к снижению себестоимости. Это объясняется возможностью обработки большого количества подложек, что повышает эффективность использования материалов.

Приемлемым методом формирования емкостного чувствительного элемента могут быть следующие: эпитаксиальное формирование из твердой фазы; метод термического разложения; метод медленного охлаждения; метод осаждения аморфных пленок; метод прямого осаждения и т. д.

Принцип работы датчика. При изменении давления ΔP изменяется расстояние между цилиндрической мембраной 8 и нижней обкладкой конденсатора 4. В результате прогиба мембраны изменяется начальная емкость С, приращение емкости ΔC и относительное изменение емкости ΔC/C. Напряжение поляризации постоянного тока через штырек 3 и провода 11 подают на мембрану 8. При этом напряжение на выходе емкостного ЧЭ между обкладкой 4 и мембраной 8 пропорционально приращению ΔC/C и напряжению поляризации датчика.

С этой целью в ЦАГИ был изготовлен емкостной ЧЭ из кремния, с диаметром мембраны 4 мм, расстояние между обкладкой и мембраной 1,0 мкм, мембрана плоская, толщиной 6 мкм. В качестве основания было использовано основание бескорпусных интегральных схем (БИС). Амплитудная характеристика определялась при уровне давления от 0 до 71 Па (0-131 дБ), частотой 30 Гц. Расхождение между прямым и обратным ходом при восьмикратной вариации составляет 0,175-0,525 %. Амплитудно-частотная характеристика в диапазоне частот от 20 Гц до 20 кГц линейная с погрешностью меньше 2-3%. Нелинейность амплитудной характеристики менее одного процента.

Формула изобретения

Емкостной датчик давления, содержащий основание из диэлектрической пленки, нанесенные на ее поверхности основной и боковой экраны; обкладку, мембрану, собранные в пакет, при этом внутренняя полость датчика соединена с атмосферой через капиллярное отверстие, отличающийся тем, что в нем дополнительно введены цилиндрическая мембрана, тонкая диэлектрическая пленка, на основании датчика закреплены шпильки для соединения мембраны, экранов и обкладки конденсатора с внешней электрической цепью, причем форма мембраны плоская с перфорированными ячейками, мелкого пильчатого, глубокого пильчатого, трапецеидального, синусоидального, тороидального профиля гофра, глубина гофра больше толщины мембраны в 1,5-2,5 раза, высота цилиндра мембраны составляет 0,06-22,0 толщины мембраны, рабочий радиус мембраны больше радиуса нижней обкладки конденсатора в 1,01-1,05 раза, при этом радиус нижней обкладки конденсатора составляет 0,0571-17,5 радиуса эффективной площади мембраны, толщина основания датчика больше толщины изоляционной пленки в 10-160 раз, толщина основания датчика больше толщины экранов и обкладки в 13-160 раз, причем число волн гофрировки где R₁ - рабочий радиус мембраны; R₂ - радиус эффективной площади мембраны; длина волны гофра; Н - глубина гофра; tg Θ - угол наклона гофра.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2