Емкостный датчик давления и способ его изготовления

 

Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения: снижение разброса по чувствительности и уменьшение нелинейности градуировочной характеристики . Сущность изобретения: емкостный датчик давления содержит корпус 1, внутри которого размещена мембрана 2, закрепленная в корпусе 1 с помощью обоймы 3. Требуемое натяжение мембраны обеспечивается с помощью кольца 4. Под мембраной 2 оазмещена диэлектрическая подложка 5, закрепленная гайкой 6. На подложку 5 нанесены обкладки измерительного 7 и эталонного 8 конденсаторов и слой 9, обеспечивающий рабочий зазор. Способ изготовления датчика осуществляют , закрепляя мембрану 2 между корпусом 1и обоймой 3, затем натягивают мембрану 2кольцом 4 при контроле параллельности ее поверхности относительно базовой поверхности корпуса 1, далее закрепляют подложку 5 гайкой б, обеспечивая контакт мембраны 2 с металлизированным слоем 9. Положительный эффект: снижение нелинейности в 3 раза, снижение разброса по чувствительности в 10 раз. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил. (Л С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (si)s G 01 1 9/12

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4856605/10 (22) 14,08.90 (46) 23,12.92. Бюл, № 47 (71) Научно-исследовательский институт физических измерений (72) А.И.Милотаев, А.В.Чугунов, В,Н.Марин и Н.Н.Мордовин (56) Патент США ¹ 4562742, кл. G 01 1 9/12, 1986.

Деформационный преобразователь давления ПДД-1 вакуумметра ВД-1. "Электронная промышленность", 1984, ¹ 1, с.82— прототип. (54) ЕМКОСТНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ И

СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения: снижение разброса по чувствйтельности и уменьшение нелинейности градуировочной характеристики. Сущность изобретения: емкостный датчик давления содержит корпус 1, внутри которого размещена мембрана 2, закрепленная в корпусе 1 с помощью обоймы 3.

Требуемое натяжение мембраны обеспечивается с помощью кольца 4. Под мембраной 2 паэмещена диэлектрическая подложка 5, закрепленная гайкой 6. На подложку 5 нанесены обкладки измерительного 7 и эталонного 8 конденсаторов и слой 9, обеспечивающий рабочий зазор.

Способ изготовления датчика осуществля- . ют, закрепляя мембрану 2 между корпусом

1 и обоймой 3, затем натягивают мембрану

2 кольцом 4 при контроле параллельности ее поверхности отйосительно базовой поверхности корпуса 1, далее закрепляют подложку 5 гайкой 6, обеспечивая контакт мембраны 2 с металлизированным слоем 9.

Положительный эффект; снижение нелинейности в 3 раза, снижение разброса по чувствительности в 10 раз. 2 с. и 1 з и. ф-лы, 4 ил.

1783333

40 электрического звена, компенсирующего

45 бочей) емкости, но также и с нелинейным характером изменения эталонной емкости, 50

Изобретение .относится к измерительной технике и может быть использовано при создании датчиков механических величин, в частности емкостных датчиках абсолютного давления, предназначенных для измерения малых значений давления жидких и газообразных сред.

Известен вакуумметрический датчик, использующий деформационный преобразователь давления с плоской мембраной, которая является чувствительным элементом и разделяет обьем преобразователя на две камеры -.. иэмерительйую и опорную. В опорной камере около мембраны установлен электрод, образующий совместно с мембраной конденсатор. При изменении давления мембрана отклоняется от своего начального положения, изменяется величина емкости конденсатора, которая является мерой давления, Известно также устройство, в котором камера опорного давления откачена и герметизирована. При этом остаточное давление в камере создается на 2-3 порядка . ниже, чем предельно измеряемое нижнее давление, Недостатками указанных известных ва. куумметрических датчиков является их температурная нестабильность, т.е. влияние изменения окружающей температуры на

: показания измерительного прибора и большая нелинейность их рабочей характеристики. "

Наиболее близким" к датчику давления .bio технической сущности и достигаемому эффекту является деформационный преобразователь давления ПДД-1 вакуумметра

ВД-1. В атом преобразователе содержится размещенная в корпусе плоская мембрана, .: с одной стороны которой расположена ка- мера измеряемого давления, а с другой— ойорного. давл ения, в которой размещен керамический диск с,. двумя измерительными электродами — центральным и перифериййым на одинаковом расстоянии от мембраны. Для умеяьшейия влияния изменения окружающей температуры на показания прибора измерение величины давления проводится по разности изменений емкостей между мембраной и центральным электродом с одной

:: стороны и мембраной и периферийным электродом с другой стороны. В данном преобразователе также предусмотрена, зэ счет электронной схемы, коррекция нелинейности градуировочной характеристики по всем диапазоне измеряемых давлений; при этом относительная погрешность от нелинейности снижается до 5%.

Недостатком известного устройства является значительная погрешность по нелинейности рабочей характеристики (до 5%) и потери по чувствительности измерения. Оба данных обстоятельства связаны с тем, что реализация метода отношения емкостей дает значительный эффект в том случае, когда емкость эталонного конденсатора (т:е. кон-. денсатора, находящегося на периферии), в процессе измерения остается постоянной.

В данной >ке конструкционной схеме этого не происходит, и хотя изменение емкости эталонного конденсатора по сравнению с изменением емкости измерительного (центрального) конденсатора незначительно, однако является вполне достаточным для сни>кения чувствительности на 10 — 20%. Существенным недостатком данной конструкции явллется также то, что в ней достаточно трудно обеспечить одинаковую чувствительность изготавливаемых приборов. Данное обстоятельство связано с тем, что рабочий зазор между мембраной и керамическим диском достигается за счет набора прокладок, от толщины и количества которых будет зависеть размер между обкладками конденсаторов. Колебания данного размера (рабочего зазора) в каждом изготовленном приборе (за счет набегания допусков отдельных элементов) и приведет к разбросу по чувствительности в изготовленной партии преобразователей. В это, в свою очередь, отрицательно сказывается на взаимозаменяемости и риборов, расшифровке измеряемых параметроь, достоверности результатов измерения и т.д. одним из важных недостатков известного технического решения является усло>кнение устройства за счет введения в него дополнительного нелинейный характер емкостной схемы преобразования, т,к. в данном случае приходится иметь дело не только с нелинейным характером изменения измерительной (раК тому же, существенного снижения нелинейности не удается достичь и электронной схемой, и, как было указано выше, она еще остается значительной (порядка 5%).

Известен способ изготовления емкостного датчика давления, по которому неподвижный металлический электрод (подложку) емкостного преобразователя предварительно подвергают механической обработке, получая на ее поверхности одну или несколько впадин; в которые затем наносят изоляционный слой в виде расплава, в результате чего после отверждения расплавленного материала и удаления части слоя, 1783333 получают плоскую поверхность основания- центральным и периферийным, располоподложки с одной (или несколькими) про- женными на одинаковом расстоянии от водящей зоны (зонами), окруженную мембраны, между центральным и перифеслоем изолятора, Недостатками извест- рийным электродом на керамическом диске ного способа выявляются из его сложно- 5 нанесенметаллизированныйслой,толщина сти и трудоемкости, которые в конечном которого равна велйчине рабочего зазора счете не обеспечивают достаточной .ño- между мембраной и керамическим диском, хранности сопротивления электрйческой причем штуцер выполнен в виде втулки и изоляции емкостного преобразователя, так входящей в нее крышки, а рабочая часть как и в процессе изготовления, и в процессе 10 мембраны натянута йа выполненный в корэксплуатации возможно нарушение нане- пусе внутренний цилиндрический бурт с посенного поверхно "тного изоляционного мощью крышки штуцера. слоя, что в дальнейшем приведет к замыка- Поставленная цель достигается тем, что нию металлической подложки с корпусом вспособе изготовления емкостногодатчика прибора. ..,, 15 давления, заключающемся в выполнении ..Наиболее близким по технической сущ-: мембранного узла, формировании и разности и достигаемому эффекту к заявляемо-. мещении емкостного чувствительного му способу является способ изготовления элемента в вид6 керамического диска с емкостного датчика давления, по которому электродами внутри корпуса мембранного после выполнения отдельнйх сборок мемб- 20 узла, обеспечении рабочего зазора между ранного узла и емкостного чувствительного мембраной и чувствительным элементом и элемента; сформированного на диэлектри-" . последующем закреплений чувствительноческойподложке, последний закрепляютв ro элемента в мембранном узле, осуществкорпусе мембранного узла с помощью за- ляют натяженйе закрепленной с корпусом жимной гайки, йри этом обеспечение ра- 25 мембраны, регистрируя при этом паралбочего зазора между обкладками лельность ее плоскости, относительно базоконденсаторов осуществляют за счет уста-: вой поверхностикорпуса,затемзакрепляют . ковки между мембраной и диэлектрйческой " емкостной чувствигельный элемент в корпуподложкой набора прокладок с гарантиро- се мембранного узла, обеспечив контакт ванным размером толщин. Каждая сбороч- 30 мембраны и дополнительного металлизироная единица преобразователя при данной . ванного слоя, выйолненного на керамичетехнологии имеет в конструктивном плане ском диске чувствительного элемента, свои индивидуальные особенности. Недо- одновременно контролируя положение статок известного способа-прототипа как мембраны относительно базовой поверхнораз и выявляется из индивидуальных осо- 35 стикорпусайэлектрическоесопротивление бенностей изготовления сборок. Наличие между корпусом и дополнительным металопределенной размерной цепи и набегайие - лизированным. слоем на чувствительном допусков в ней практическИ не позволит элементе. В процессе измерения давления получить между обкладками «oнденсаторов" начальное значение эталонной емкости соодинаковый рабочий зазор во всех собран- 40 храняется потому; что практически отсутстных преобразователях. Данное обстоятель- вуют прогиб кольцевого участка мембраны, ство, как уже было сказано выше, ведет к. составляющего одйу из обкладок эталонноразбросу по чувствительности измеритель- ", ro конденсатора, т.к. мала его эффективная ных цепей преобразователей и, B cBolo оче- площадь и, кроме того, при прогибе центредь, отражается на взаимозаменяемости 45 ральной части мембраны(обкладки измериприборов, достоверности их показаний и тельного конденсатора) происходит его т,д., дополйительное натяжение, Постоянство

Цель изобретения — снижение разброса: рабочего зазора во всех изготавливаемых по чувствительности изготавливаемых дат- изделиях в данном случае достигается тем; чиков и уменьшейие нелинейности их граду- 50 что предварительно фиксируют положение ировочной характеристики. мембраны относительно базовой поверхноПоставленная. цель достигается тем, сти корпуса, например, с помощью цифрочто в емкостном датчике давления, со- ваго индикатора, а затем обеспечивают держащем корпус с входным штуцером, койтактмембраныстехнологическимслоем закрепленную между ними плоскую метал- 55 на подложке, йе нарушая при этом положелическую мембрану, с одной стороны кото- ние мембраны и контролируя момент замырой расположена камера измеряемого кания между ними, например, с помощью давления,асдругой — камера опорногодав- омметра; Достигаемый, с точки зрения поления, в которой размещей керамический. ставлейнай цели; результат также обусловдисксдвумя измерительными электродами: лен прежде всего тем, что тонкопленочная

1783333

7. технология позволяет сформировать дополосуществляется следующим образом: а) закрепляют мембрану 2 между корпусом 1 и кольцом 3. Затем прайзводят натяжение занительный металлизированный слой с размером его высоты, с точностью до одного микрона, при э-.ом, конечно же, необходимо крепленной с корпусом 1 мембраны 2, прйучитывать, что высота дополнительного 5 ложив усилие Р к кольцу 4 и, регистрируя слоя должна быть в несколько раз больше приэтом параллельйостьее плоскастиотнавысоты информативных слоев. И, наконец, сительно базовой поверхности Б корпуса 1, технология сборки позволяет эакрепйть чувствительный элемент таким образом в мемнапример, с помощью цифрового индикатора 11, б) закрепля ют емкастнай чувствительбранном .узле, что рабочий зазор между 10 мембраной и подложкой чувствительного ный элемент в корпусе мембранного узла с элемента для всех изготовлейных изделий . помощью гайки 6, обеспечивая контакт мембудет-оставаться постоянным и не будет . браны 2 с металлйзйраванным слоем 9 на зависеть от наличия допусков всех элемен- подложке 5, не нарушая при этом положе-. тов размерной цепи .. .: .::...".. : . 15 ние мембраны и контролируя момент-замыНа фиг.1 представлена конструкция кания между" йими, напрймер, с помощью предлагаемого eMKQGTHOT0 датчика давле- омметра12. ния, 1 — корпус; 2 — мембрана; 3 —; 4 .. Емкостнай датчик давления работает — кольцо; 5 — диэлектрическая подложка; 6 . следующим. образам. — гайка; 7 — обкладка измерительного кон- 20 При подаче давленйя в измерйтельную го размещена мембрана 2, закрепленная в 30 вии на датчик измеряемого давления проискорпусе c помощью обоймы 3. Требуемое ходит изменение отношения емкостей натяжение мембраны обеспечивается с па- "эталонного и измерительного конденсатамощью кольца 4, которое вместе с мембра- рав C3/C> в:чувствительном элементе, что и най ограничивает измерительную полость .используется для дальнейшего преобразоприбора, В корпусе 1 под мембраной 2 так- . 35 ванйя. Причем С изменяется линейно, а Сэ же размещена диэлектрическая подложка 5, - — остается практически постоянной величизакрепленная гайкой 6. На торцовой, абра - ... ной, поэтому и выходная функция С /Си бущенной к мембране сторона, подложки 5, дет изменяться линейно. нанесены металлические слои, образую- . : И, наконец, технология сборки позволящие две обкладки кандейСаторов изме- 40 ет закрепить чувствительный элемент в рйтельнаго 7 и эталонного 8 и слоя 9, обеспечивающего рабочийзазор, Распаломембранном узле таким образом, что.рабочий зазор между мембранной и подложкой жение обкладок конденсаторов Сэ и С чувствительнагаэлементадля всехизготов(см.фиг.2) на поверхности подла>кки 5 вы-, ленных изделий будет оставаться постоянполнена таким образам, чта обкладка 8 эта- 45 ным и тем самым снимается разброс по лоннай емкости Сэ располагается па чувствительности периферии поверхности, а обкладка 7 изме- . Использование изобретения по сравнерительной емкости Си — в центре, Указанное нию с прототипом позволяет: нелинейность расположение обкладок конденсаторов да- . градуировочнай характеристики снизить в 3 ет возможность использовать в предлагае- 50 раза ; диапазон измерения в сторону низкомой конструкции емКорстиого датчика метод преобразования электрического сигнала, связанный с отношением емкостей (Сэ/Си).

Между обкладками эталонного и измерительного конденсаторов нанесен металлиro давления расширить в IO раз; разброс по чувствительности уменьшить в 10 раз.

Формула изобретения

1. Емкастный датчик давления, содержащий корпус с входным штуцером, зираванный слой 9, высота которого определяет величину рабочего зазора между мембраной 2 и подложкой 5. Способ иззакрепленную -между ними плоскую металлическую мембрану, с одной стороны которой расположена камера измеряемого давления, а с другой — камера опорного давления, в кОторой размещен керамический готовления заявляемого емкостного датчика давления представлен на фиг.3, 4 и денсзтора; 8 — обкладка эталонного кон- полость датчика прогибается центральная денсатара; 9 — слой," обеспечивающий часть мембраны 2 (участок от центра до-мезазор ; на фиг,2 отдельно показана-павер- таллизированнаго слоя) и измейяется знахность диэлектрической подложки 5:емка- :. чение измерительной емкости С,, а . размещением обкладок измерительного 7 и " стоянным," т;к; бтсутствует прогиб кольцевоэталонного 8 конденсаторов, а также метаМ- " го участка мембраны 2, расположеннога по лизированного слоя 9, Емкостйой датчик периферйи (от металлизированного слоя до давления содержит корпус I, внутри катара- края мембраны), Таким образом, при дейст-:

1783333

10 дисксдвумя измерительными электродами элемента в виде керамического диска с — центральным и периферийным, располо- . электродами внутри корпуса мембранного женными на одинаковом расстоянии от узла, обеспечении рабочего зазора между мембраны, отличающийся тем, что, с мембраной и чувствительным элементом и целью снижения разброса по чувствитель- 5 последующем закреплении чувствйтельного ности и уменьшения нелинейности, в нем элемента в мембранном узле, о т л и ч à юмежду центральным и периферийным алек- шийся тем, что с целью-снижения разброса тродами на керамическом диске нанесен по чувствительности изготавливаемых "датметаллизированный слой, толщина которо- чиков, осуществляют натяжение закрепленго равна величине рабочего зазора между 10 ной с корпусом мембраны, регистрируя при мембраной и керамическим диском. " этом параллельность ее плоскости относи2. Датчик по п.1, отличающийся тельно базовой поверхности корйуса, затем тем, что в нем штуцер выполнен в виде втул- закрепляютемкостный чувствительный але ки и входящей в нее крышки, причем рабо- мент в корпусе мембранного узла; обеспечая часть мембраны натянута на 15 чив контакт мембраны и дополнительного выполненный в корпусе внутренний цилин- металлизированйого слоя, выполненного на дрический бурт с помощью крышки штуце- керамическом диске чувствительного элера.. - ..: мента, одновременно контролируя положение мембраны относительно базовой

3.Способизготовленияемкостногодат- 20 поверхности корпуса и электрическое сочика давления, заключающийся в выполне- противление между корпусом и дополнинии мембранного узла, формировании и: тельным металлизированным слоем на размещении емкостного чувствительного чувствительном элемента.

1783333

Составитель В, Марин

Техред M.Ìîðãåíòàë

Корректор Н,Слободяник

Редактор

Заказ 4507 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