Емкостный датчик давления и способ его изготовления

 

Использование: в измерительной технике , в датчиках давления. Цель: уменьшение габаритов, повышение чувствительности и технологичности, уменьшение температурной погрешности измерения. Сущность изобретения: , ёмкостный датчик давления содержит корпус 1, мембрану 2 с основанием 3, диск4 и преобразователь-деформаций в виде двух пар противолежащих электродов 5, 6, 7,8. Датчик снабжен двумя диэлектрическими втулками 9, 12 и цилиндрической металлической втулкой 10. Электроды 5, 7 выполнены в виде колец на внешней стороне втулки 9, закрепленной на металлической втулке 10, выполненной за одно целое с диском 4. Электроды 6, 8 и дополнительный электрод 11 размещены на внешней стороне второй диэлектрической втулки 12. Ширина всех электродов одинакова . Середины электродов 5, 7 расположены против промежутков между электродами 6,8,11. Электроды б .и 1.1 соединены между собой электрически, При изготовлении датчика электрод формируют на двух гибких диэлектрических основах. Основы наматывают на втулку поочередно при контроле емкости между электродами. 2 с.п. ф-лы, 5 ил., 1 w И

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (лм G D1 L 9/12

ГОСУДАРСТВЕНЮЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР .(ГОСПАТЕНТ СССР)

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

°

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4879100/10 (22) 30.10.90 (46) 07.06.93; Бюл. Q 21 (71) Научно-исследовательский институт физических измерений, . (72) Е.А;Мокров и Е.M.Áåàoçóáoâ (56) Патент США f4 4562742, кл. G:01 (. 9/12, 1986, Авторское свидетельство СССР

М 1622788,.кл. 6 01 L 9/12, 1991. . (54) ЕМКОСТНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ И

СПОСОБ. ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ (57) Использование: в измерительной техни- ке; в датчиках давления. Цель: уменьшение габаритов, повышение чувствительности и технОлогичности, уменьшение температурной погрешности измерения. Сущность изобретения: емкостный датчик давления содержит корпус 1, мембрану 2 с основанием 3, диск 4 и преобразователь деформаций. Ы „1820250 А1 в виде двух пар противолежащих электродов 5, 6, 7, 8. Датчик снабжен двумя диэлектрическими втулками 9, 12 и цилиндрической металлической втулкой 10.

Электроды 5, 7 выполнены в виде колец на внешней стороне втулки 9, закрепленной на металлической втулке 10, выполненной за одно целое с диском 4, Электроды 6, 8 и дополнительный электрод 11 размещены на внешней стороне второй диэлектрической втулки 12. Ширина всех электродов одинакова. Середины электродов 5, 7 расположены против промежутков между электродами

6, 8, 11. Электроды 6 и 11 соединены между собой электрически. При изготовлении датчика электрод формируют на двух гибких: Я диэлектрических основах, Основы наматывают на втулку поочередно при контрол е е м кости между электродами. 2 с.п. ф-лы, 5 ил, 1820250

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в датчиках, применяемых для измерения давления в различных областях народного xo= зяйства.

Согласно изобретению емкостный датчик давления, содержащий корпус, мембрану с жестким центром и цилиндрическим периферийным основанием, диск, закрепленный с зазором на мембране, и преобразователь деформаций в виде двух пар противолежащих электродов, снабжен двумя диэлектрическими втулками и цилиндрической металлической втулкой, два электрода из разных пар выполнены в виде цилиндрических колец, расположенных на внешней стороне первой диэлектрической втулки, жестко закрепленной на цилиндрической металлической втулке, выполненной за одно целое с диском концентрично пери ферийному основанию, а два других элект,рода и дополнительно введенный электрод выполнены в виде цилиндрических колец, размещенных на внешней стороне второй диэлектрической втулки, жестко соединен-. ной с периферийным основанием, причем ширина всех электродов одинакова, а середины электродов, размещенных на диэлектрической первой втулке, расположены против середин промежутков между электродами, размещенными на второй диэлектрической втулке и электроды, размещенные на краях второй диэлектрической втулки электрически соединены между собой, а размеры элементов конструкции связаны соотношением:

Н - 2М - S где H — ширина каждого из электродов, M - максимальная величина перемещения металлической втулки под действием измеряемого давления;

S — величина промежутка между.элект. родами, расположенными на одной диэлектрической втулке.

Согласно изобретению в способе изготовления емкостного датчика давления, заключающемся в изготовлении мембраны с цилиндрическим периферийным. основанием и с жестким центром, изготовлении диска, формировании двух. пар электродов и . закреплении диска на мембране, диск изготавливают за одно целое с цилиндрической металлической втулкой, формируют электроды на двух гибких диэлектрических основах, закрепляют конец первой гибкой диэлектрической основы на металлической втулке, наматывают первую гибкую диэлектрическую основу на металлическую втулку, 55 виде цилиндрических колец, размещенных на внешней стороне второй диэлектрической втулки 12, жестко соединенной с периферийным основанием. Ширина вcex электродов одинакова, а середины электродов, размещенных на первой диэлектричеизмеряют емкость электродов первой диэлектрической основы относительно металлической .втулки,. натягивают диэлектрическую основу до достижения емкости электродов первой диэлектриче-, ской основы относительно металлической втулки предварительно найденной расчет-.. ной величины, закрепляют первую диэлектрическую. основу на металлической

10 втулке, закрепляют диск .на жестком центре мембраны, закрепляют конец второй гибкой диэлектрической основы на опорном основании, HBMBTblBàê>ò вторую . диэлектрическую основу на первую диэлек-.

Ю трическую основу, измеряют емкость элект-: родов первой диэлектрической основы отнбсительно электродов второй диэлектрической основы, натягивают вторую диэлектрическую основу до достижения емкости

20 электродов первой диэлектрическом основы относительно электродов второй диэлектрической основы. предварительно найденной расчетной величины и закрепляют. вторую: диэлектрическую основу-на опорном асно-.

25 вании.

На фиг. 1 изображен предлагаемый ем --костный датчик давленйя; на фиг. 2, 3 изображены развертки электродов на йервой и второй диэлектрических .основаниях соот-.

30 ветственно; на фиг. 4 изображены электроды первой и второй диэлектрической основы при отсутствии и воздействии максимально допустимого измеряемого давления. На фиг. 5 изображена принципиальная

35 электрическая схема датчика. Соотношения между размерами межэлектродного зазора, толщин и электродов. и размерами других., элементов конструкции для наглядности изменены..

40 Емкостный датчик давления содержит корпус 1, мембрану 2 с жестким. центром и цилиндрическим периферийным основани ем 3, диск 4, закрепленный на мембране и преобразователь деформаций в виде двух

45 пар противолежащих электродов 5, 6, 7, 8.

Два электрода 5 и 7 из разных пар выполнены в вйде цилиндрических колец, расположенных на внешней. стороне первой диэлектрической втулки 9, жестко закрепленной на цилиндрической металлической втулке 10, выполненной за одно целое с диском концентрично периферийномуосно-. ванию. Два других электрода 6; 8 и дополнительно введенный электрод 11 выполнены в

1820250 ской втулке, расположены против середин промежутков между электродами, размещенными на второй диэлектрической втулке. Электроды 6 и 11 размещенные нв краях второй диэлектрической втулки, электрически соединены между собой за счет электрического соединения их выводных дорожек 13 и 14 на контакте 16 гермоколодки. Размеры элементов выполнены в соответствии с заявляемым соотношением. При максимальной величине перемещения металлической втулки M=400 мкм и величине промежутка между электродами .S = 100

10 мкм, ширина электродов Н=700.мкм. Корпус выполнен из сплава 29НК-ВИ. Мембрана,.15 периферийное основание, металлическая фольги 10 мкм. Выводные дорожки 15 служат для соединения электродов с контактами гермоколодки 16, 17, 18, 19.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом. Изготавливают мембрану с жестки центром и цилиндрическим периферийным основанием и диск за одно целое с цилиндрической металлической втулкой, формируют электроды на фольгированной полиимидной пленке как показано на фиг. 2, 3, например, методом

30 фотолитографии. При этом выводные дорожки целесообразно выполнять таким образом, чтобы они были не менее чем на

35 втором витке для устранения влияния соединения выводных дорожек на электроды и для предотвращения уменьшения эффективной площади электродов (за счет необходимости его прерывания для расположения дорожек от соседних электродов). Рассчитывают емкость электродов первой диэлектрической втулки относительно втулки и емкость электродов первой диэлектрической втулки относительно электродов второй диэлектрической втулки. Расчет ведется по известным формулам для цилиндрических конденсаторов. В формулы подставля45 ются значения физических характеристик и размеров с их допусками. А при расчете емкостей электродов первой диэлектрической втулки относительно электродов вто50 рой диэлектрической втулки дополнительно учитывается необходимый воздушный зазор, обеспечивающий свободное перемещение первой диэлектрической втулки относительно второй. Наматывают первую гибкую диэлектрическую основу на металлическую втулку, измеряя при этом емкость первой диэлектрической основы относительно металлической втулки, натягивают втулка. и диск выполнены из сплава

36НХТЮ. Для создания электродов используется фольгированная полиимидная пленка толщиной 20 мкм и толщиной никелевой- 20 диэлектрическую основу до достижения емкости электродов первой диэлектрической основы относительно металлической втулки расчетной величины, закрепляют первую диэлектрическую основу на металлической втулке, например, при помощи клея ВС 350.

На наружную поверхность основы и электродов целесообразно нанести слой фторопластового лака ФП-525 и выдержать его до полного высыхания для уменьшения трения между первой и второй диэлектрической основой. Закрепляютдиск в центре мембраны любым известным методом сварки, пайки и т,п. Закрепляют конец второй гибкой диэлектрической основы на опорном основании, например, на клее ВС-350, Наматывают вторую диэлектрическую основу на первую диэлектрическую основу измеряя емкость электродов первой диэлектрической основы относительно электродов второй диэлектрической основы. Для создания большей жесткости второй диэлектрической основы желательно проводить намотку второй диэлектрической основы в несколько витков. Измерение емкостей проводят в технологическОм приспособлении. обеспечивающем разъемное контактирование с выводными дорожками электродов, например, при помощи плоских зажимов. При этом заранее промазывают наружные поверхности первого и последующего витков клеем ВС-350; По достижении емкости между электродами первой и второй диэлектрических основ расчетной величины закрепляют вторую диэлектрическую. основу на опорном основании. При стабильных характеристиках материалов и устоявшемся . технологическом процессе измерение емкостей при намотке диэлектрических основ проводят только на установочных образцах датчиков. Полученные усилия натяжения распространяют на последующие партии.

Емкостный датчик давления работает следующим образом. В начальном состоянии, при измеряемом давлении. равном давлению внутренней полости датчика, емкости конденсаторов, образованных электродами 5 и 6 (С5-е), 5 и 8 (Сь-в). 7 и 11 (С 11): вследствие выбранных размеров и расположения электродов равны между собой Сз-s = С7-в = С7-11. Поэтому при подаче на контакты гермоколодки 16, 18 напряжения переменного тока, выходное напряжение датчика на контактах 17, 19 будет равнонулю. При воздействии измеряемого давления на мембрану датчика центр мембраны прогибается. Кроме того, вод воздействием измеряемого давления периферийное основание также деформируется. С целью увели1820250

20

35 плоскости, объясняемая существенным по- 40 вышением площади цилиндрической повер-

45 нием емкости двух конденсаторов в, прототипе, Выполнение ширины всех электродов одинаковыми и расположение сере- 50 чения.деформации мембраны и периферийного основания они могут быть выполнены гофрированными или в виде сильфона. В результате деформаций мембраны и пери-. ферийного основания диск, а, следовательно, и выполненная с ним за одно целое металлическая втулка с закрепленной на ней первой диэлектрической основой с электродами 5 и 7 переместится относительно закрепленной на опорном основании второй диэлектрической основы с электродами 6, 8 и 11. Вследствие относительного смещения электродов емкости конденсаторов, Cs-в и Cj-а увеличатся, а емкости конденсаторов Cs-â, С7-1 уменьшатся

При этом выходное напряжение датчика, снимаемое с контактов 17 и 19 увеличивается. При воздействии максимального измеряемого давления электроды расположатся таким. образом. что емкости. конденсаторов

Сь-g, C j-Q будут максимальны, а емкости кон,денсаторов Cs-sи С7-11минимальны(см. фиг.

4б). При этом напряжение датчика, снимаемое с контактов 17. 19 гермоколодки будет максимально. Таким образом, по величине выходного сигнала можно однозначно судить об измеряемом давлении. Выполнение электродов в виде цилиндрических колец, расположение их на диэлектрических втулках, позволяет уменьшить габаритные размеры и повысить технологичность так, как цилиндрическая поверхность обеспечивает сочетание максимального значения площади электродов при заданных поперечных линейных размерах с простотой и совершенством обработки. Увеличение площади электродов, расположенных на цилиндрической поверхности, па сравнению с площадью электродов, расположенных на хности, па сравнению с площадью фигуры одинакового диаметра, Предлагаемое про- странственное расположение электродов позволяет повысить чувствительность так, как используется изменение емкости четырех конденсаторов, па сравнению с изменедин электродов, размещенных на первой диэлектрической втул ке . и рати в середин промежутков между электродами, размещенными на второй диэлектрической втулке, позволяет выполнить величину емкостей всех конденсаторов одинаковыми, что создает необходимые и достаточные предпосылки для обеспечения максимальной чувствительности и минимизации температурной погрешности, Это связано с тем, что

10 при одинаковых значениях емкостей они будут иметь одинаковые изменения как от измеряемого давления так и от температуры.

Одинаковые изменения емкостей от измеряемого давления приводят к максимальному увеличению выходного сигнала в мостовой схеме. Одинаковые изменения емкостей от воздействия температуры приводят к взаимной компенсации температурных изменений емкостей в мостовой схеме. Электроды размещенные на краях второй диэлектрической втулки электрически соединены между .собой за счет электрического соединения их выводных дорожек 13 и 14 на контакте 16 гермоколодки для возможности соединения электро- дов конденсаторов. в мостовую схему.

Причем предлагаемое конструктивное выполнение саедийения обеспечивает его при минимальных габаритных размерах. Для обоснования соотношений размеров обратимся к фиг. 4. Непосредственно из фиг. 4б следует, что при воздействии максимальной величины давления, т.е. при максимальном перемещении металлической втулки верхний край электрода .5 должен быть ниже. верхнего края. электрода 6 на величину 5.

Если край электрода 5 будет ниже электрода

6 на большую величйну, то модуляция изменения емкостей электродов от измеряемого давления будет не полная, что приведет к уменьшению чувствительности. Если же. край электрода 5 будет ниже-электрода 6 на меньшую величину, то.изменение емкостей конденсаторов С5-а и Ст-11 будет носить немонотонный характер, так как перемещение электродов 5 и 7 не будет сопровождаться уменьшением емкости этих конденсаторов в связи с тем, что нижние области электро- . дов 5 и 7 будут перемещаться против промежутков между электродами 6, 8 и 8, 11.

Тогда непосредственна из фиг, 4 следует,. .Н 8 что M — + .— - S откуда после преоб2 2 разований получаем

H=2M-$, Расчет величины емкости. электродов,: измерение фактической величины емкости и натяжения диэлектрической основй до достижения. величины емкостей расчетных позволяет обеспечить минимальную необходимую воздушную прослойку между гибкой диэлектрической основой и.ее подложкой. В качестве подложки в одном случае выступает металлическая втулка, а в другом другая диэлектрическая основа. Минимальная воздушная. прослойка позволяет обеспечить максимальное значение емк6сти электродов, а следовательно, и максималь- °

1820250

5 f0

30

Pvz.2 ную чувствительность и минимальные габариты.

Формула. изобретения

1. Емкостный датчик давления, Содержащий корпус, мембрану с жестким центром и цилиндрическим периферийным основанием, диск, закрепленный с зазором на мембране, и преобразователь деформа-. ций в виде двух пар противолежащих электродов,отличающийся тем,что,сцелью уменьшения габаритов; повышения чувствительности и технологичности и уменьшения температурной погрешности измерений, он снабжен двумя диэлектрическими втулками и цилиндрическойметаллической втулкой, два электрода из разных пар выполнены в виде цилиндрических колец, расположенных на внешней стороне первой диэлектрической втулки, жестко закрепленной на цилиндрической металлической в улке, выполненной за одно целое с диском концентрично периферийному основанию, а два других электродаи дополнительно введенный электрод выполнены в виде цилиндрических колец, размещенных на внешней стороне второй диэлектрической втулки, жестко соединенной с периферийным .основанием, причем ширина всех электродов одинакова, а середины. электродов, размещенных на первой диэлектрической втулке, расположены против середин промежутков между электродами, размещенными на второй диэлектрической втулке, и электроды, размещенные на краях .. второй диэлектрической втулки, электрически соединены между собой, а размеры элемейтов . конструкции связаны соотношением: Н = 2M - S, где Н вЂ” ширина каждого из электродов: М .— максимальная величина перемещения металлической втулки под действием измеряемого давления: $ — величина промежутка между электродами, расположенными на одной диэлектрической втулке.

2. Способ изготовления емкостного датчика давления, заключающийся в изготовлении мембраны с. цилиндрическим периферийным основанием и с жестким центром, изготовлении диска, формировании двух пар электродов и закреплениидиска на мембране, о тл ич а ю щи йс я тем, что, с целью повышения технологичности, изготавливают диск за одно целое с цилиндрической металлической. втулкой, формируют . электроды на двух гибких диэлектрических основах, закрепляют ко- . нец первой гибкой диэлектрической основы на металлической втулке, наматывают первую гибкую диэлектрическую основу на металлическую втулку, измеряют емкость . электродов первой диэлектрической основы относительно металлической втулки, натя-. гивают диэлектрическую основу до достижения емкости электродов первой диэлектрической основы относительно ме25 таллической втулки предварительно найденной расчетное величины, закрепляют первую диэлектрическую основу на металлической втулке, закрепляют диск на жестком центре мембраны, закрепляют конец второй гибкой диэлектрической основы на опорном основании, наматывают вторую диэлектрическую основу на первую диэлектрическую основу, измеряют емкость электро-. дав первой диэлектрической основы

35 относительно электродов второй диэлектрической основы, натягивают вторую диэлектрическую основу до достижения емкости электродов первой диэлектрической основы атносительно электродов второй диэлектрической основы предварительно найденной расчетной величины и закрепляют вторуюдиэлектрическую основу на опорном основании.

/)

Cuz2

4Ьг4

Составитель А; Акимов

Техред М.Моргентал Корректор А. 06ру ар

Редактор

Заказ 2024 Тираж Подписноз

ВНИИПИ Государственного. комитета по изобретениям и отКрытиям при ГКНТ СССР

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

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