Емкостный датчик давления

 

Изобретение относится к приборостроению , а именно к емкостным измерительным преобразователям давления, и позволяет повысить точность измерения давления за счет снижения погрешности нелинейности и температурной погрешности. Датчик содержит выполненную за одно целое с корпусом 1 мембрану 2 с жестким центром 3, неподвижный электрод 4 первого конденсатора Ci, расположенный на недеформируемом участке корпуса, подвижный электрод 5 второго конденсатора Са, расположенный на жестком центре 3, подвижную пластину 6 с электродом 7 конденсатора Ci, скрепленную с жестким центром мембраны лазерной сваркой 8, неподвижную пластину 9 с электродом 10 конденсатора С2, скрепленную лазерной сваркой 11 с корпусом 1. На пластину 9 и корпус 1 наносятся электроды 12 опорного конденсатора С„.Конструкция датчика за счет введения дополнительного рабочего конденсатора С2 позволяет реализовать дифференциальный принцип преобразования и обеспечивает линейность выходного напряжения. 2 ил. ч Ё

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛ И СТИЧ ЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 1 9/12

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4814678/10 (22) 16.04.90 (46) 30.06.92. БюлМ24 (71) Научно-исследовательский институт физических измерений (72) Д.В.Лебедев, П.П.Степанов и В,П.Каршаков (53) 531.787 (088,8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 1004784, кл. 6 01 1 9/12, 1982, Авторское свидетельство СССР

ЛЬ 1629763, кл, G 01! 9/12, 1989. (54) ЕМКОСТНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к приборостроению, а именно к емкостным измерительным преобразователям давления, и позволяет повысить точность измерения давления за счет снижения погрешности нелинейности и температурной погрешности. Ы„„1744539 А1

Датчик содержит выполненную за одно целое с корпусом 1 мембрану 2 с жестким центром 3, неподвижный электрод 4 первого конденсатора Ci, расположенный на недеформируемом участке корпуса, подвижный электрод 5 второго конденсатора Cz, расположенный на жестком центре 3, подвижную пластину 6 с электродом 7 конденсатора С1, скрепленную с жестким центром мембраны лазерной сваркой 8, неподвижную пластину 9 с электродом 10 конденсатора Cz, скрепленную лазерной сваркой 11 с корпусом 1. На пластину 9 и корпус 1 наносятся электроды 12 опорного конденсатора С„.Конструкция датчика за счет введения дополнительного рабочего конденсатора Cz позволяет реализовать дифференциальный принцип преобразования и обеспечивает линейность выходного напряжения. 2 ил.

1744539

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к емкостным измерительным преобразователям давления.

Известен емкостный дифференциальный датчик давления, содержащий полый корпус, являющийся общим электродом конденсаторов, и две мембраны, расположенные на противоположных торцах корпуса, на одной из которых по центру через изолятор крепится электрод первого кон денсатора в виде подвижной пластины, а на второй по периферии через изолирующую прокладку — неподвижная пластина, представляющая собой электрод второго конденсатора.

Недостатком указанного датчика является значительная динамическая температурная погрешность измерения из-за неизбежного градиента температуры между конденсаторами, расположенными на противоположных торцах корпуса, и погрешность нелинейности, обусловленная тем, что электроды конденсаторов располагаются над деформируемыми участками мембран, вследствие чего не удается получить функцию преобразования линейного вида.

Наиболее близким к предлагаемому является емкостный датчик давления, содержащий выполненную за одно целое с корпусом мембрану с жестким центром, первый тонкопленочный электрод рабочего конденсатора, нанесенный на жесткий центр мембраны, первый тонкопленочный электрод эталонного конденсатора, нанесенный на корпус, и расположенную с зазором пластину, на которой зеркально-симметрично расположены вторые тонкопленочные электроды рабочего и эталонного конденсаторов.

Недостатком известного датчика является значительная погрешность от нелинейности, обусловленная гиперболической зависимостью емкости рабочего конденсатора от прогиба мембраны. Размещение электрода рабочего конденсатора на жестком центре мембраны неизбежно приводит к уменьшению емкости до единиц и долей пикофарады, что с учетом влияния паразитных емкостей и кабельных эффектов не позволяет дистанционно и в широком диапазоне изменения температуры измерять емкость с достаточной точностью.

Цель изобретения — повышение точности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что в емкостном датчике давления, содержащем выполненную за одно целое с корпусом мембрану с жестким центром, первый тонкопленочный электрод рабочего конденсатора, нанесенный на жесткий центр

55 мембраны, первый тонкопленочный электрод эталонного конденсатора, нанесенный на корпус, и расположенную с зазором пластину, на которой зеркально-симметрично расположены вторые тонкопленочные электроды рабочего и эталонного конденсаторов, пластина разделена на полукруглые подвижную и неподвижную части, подвижная часть пластины жестко соединена с жестким центром мембраны, а неподвижная часть скреплена по периферии с корпусом, вторые тонкопленочные электроды рабочего и эталонного конденсаторов расположены на неподвижной части пластины, при этом в датчик введен дополнительный рабочий конденсатор, подвижный тонкопленочный электрод которого расположен на периферии подвижной части пластины, а неподвижный тонкопленочный электрод— зеркально-симметрично на недеформируемом участке корпуса.

Предлагаемая конструкция датчика позволяет реализовать дифференциальный принцип преобразования, функция которого F< = (Сг - С1)/(Сг+ С1) обеспечивает линейность выходного напряжения от прогиба мембраны при равенстве начальных зазоров между электродами конденсаторов и начальных значений емкостей С и С, При колебаниях температуры начальные зазоры между электродами конденсаторов изменяются на одну и ту же величину, что обеспечивает резкое снижение аддитивной температурной погрешности, Однако для этого нужно добиться идентичности функций преобразования обеих половин емкостного чувствительного элемента. Для дифференциального емкостого чувствительного элемента может быть использована наиболее точная уравновешиваемая измерительная цепь, Функциональные возможности предлагаемого датчика можно значительно расширить, а требования к его конструктивно-технологическим параметрам снизить, заменив дифференциальную схему измерения квазидифференциальной, что позволяет применять более дешевые по сравнению с преобразователями диффере циальной схемы измерения отработанные вторичные преобразователи на основе автокомпенсационной схемы, имеющие линейную относительно прогиба мембраны функцию преобразования Р = Cp/Сх, где Ср, Cx — емкости соответственно опорного и рабочего конденсаторов.

Предлагаемая конструкция емкостного датчика с избыточностью позволяет также реализовать два автономных канала изме1744539

Сг бо(1 — А)

45 где S<, Яг — площади электродов;

d< — начальный зазор между электродами;

А = W/do — глубина модуляции заза- 50 ра;

W — прогиб жесткого центра мембраны;

55 рения, что повышает точность измерения в

Й раз.

На фиг.1 изображена конструкция ем-. костного датчика давления, в которой верхняя пластина разделена на два полукруга, 5 один из которых соединен с корпусом и является неподвижным; на фиг.2 — топология электродов, нанесенных по микроэлектронной технологии на подвижную и неподвижную части пластины. 10

Датчик содержит выполненную за одно целое с корпусом 1 мембрану 2 с жестким центром 3, неподвижный электрод 4 первого конденсатора С1, расположенный на недеформируемом участке корпуса, 15 подвижный электрод 5 второго конденсатора Сг, расположенный на жестком центре 2, подвижную пластину 6 с электродом 7 конденсатора С1, скрепленную с жестким центром мембраны лазерной сваркой 8 в 20 нескольких точках, неподвижную пластику

9 с электродом 10 конденсатора Сг и электродом 12 конденсатора Со, скрепленную лазерной сваркой 11 с недеформируемой частью корпуса в нескольких точках. 25

Емкостный датчик давления работает следую щим об разом.

При действии давления мембрана 2 прогибается. При этом зазор между электродами 5 и 10 уменьшается (емкость Сг уве- 30 личивается), а зазор между электродами 4 и

7 увеличивается за счет перемещения пластины 6 (емкость С1 уменьшается). Опорная емкость Со, образованная неподвижными электродами на пластине 9 и корпусе 1, ос- 35 тается неизменной от давления.

Так как электроды расположены над недеформируемыми участками мембраны 2 и корпуса 1, емкости С1 и Сг будут равны:

Eo — диэлектрическая проницаемость воздуха.

При равенстве площадей $1 = Яг функция преобразования

F i = (Сг - С1)/(Сг + С1) = является линейной относительно прогиба.

Функции преобразования при использовании квазидифференциальной схемы измерения могут иметь вид:

F2= (1 — — ) =(1 Л,);

C2 do и являются также линейными относительно прогиба.

При колебаниях температуры начальные зазоры d<.между электродами конденсаторов С>, Сг и Со изменяются на одну и ту же величину, что обеспечивает многократное снижение температурной погрешности.

Формула изобретения

Емкостный датчик давления, содержащий выполненную за одно целое с корпусом мембрану с жестким центром, первый тонкопленочный электрод рабочего конденсатора, нанесенный на жесткий центр мембраны, первый тонкопленочный электрод эталонного конденсатора, нанесенный на корпус, и расположенную с зазором пластину, на которой зеркально-симметрично расположены вторые тонкопленочные электроды рабочего и эталонного конденсаторов, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в нем пластина разделена на полукруглые подвижную и неподвижную части, подвижная часть пластины жестко соединена с жестким центром мембраны, а неподвижная часть скреплена по периферии с корпусом, вторые тонкопленочные электроды рабочего и эталонного конденсаторов расположены на неподвижной части пластины, при этом в датчик введен дополнительный рабочий конденсатор, подвижный тонкопленочный электрод которого расположен на периферии подвижной части пластины, а неподвижный тонкопленочныйй электрод — зеркально-симметрично на недеформируемом участке корпуса.

1 744539

30

40

50

Составитель Д. Лебедев

Техред М.Моргентал Корректор М. Кучерявая

Редактор А. Лежнина

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

Заказ 2190 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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