Емкостный датчик давления и способ его изготовления

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР)

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ щщ

4Р - @4

2 (21) 4746367!10 (22) 06.10.89 (46) 30.1293 Бюп. Na 48-47 (71) Научно-исследовательский институт физических измерений (72) Белозубов F M. (54) ЩКОСТНЫИ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ И

СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ (57) Изобретение предназначено для улучшения динамических характеристик повышения технологичности и надежности емкостного датчика давления. В емкбстном датчике давления диэлектрики упругого элемента и пластины выполнены в виде монолитных пластин 13 и 14 для обеспечения сохранения требуемого сопротивления изоляции между электродами и упругим элементом при воздействии повышенных температур. Выполнение жесткого центра 15 и опорного основания на диэлектрической пластине упругого элемента позволяет обеспечивать плоскопараллельное перемещение (о) Я1 (и) 1839236 А1 (51) G 61 L 9 И подвижного электрода измерительного конденсатора и неподвижность электродов опорного конденсатора от измеряемого давления, что позволяет повысить надежнорь в работе. Расположение жесткого центра и опорного основания 3еркальносимметрично жесткому центру и опорному основаwe упругого элемента позволяет повысить надежность в работе датчика. Мембрана 2 упругого элемента вогнута в сторону его диэлектрика для повышения надежности в работе датчика за счет устранения "прохлопьеания" мембраны при переходе через положение равновесия (в случае отсутствия вогнутости). Раатоложение прокладки 19 между торцами жестких центров упругого элемента и его диэлектрика позволяет устранить появление зоны нечувствительности вследствие влияния отклонений формы и расположения поверхностей торцов жестких центров, что повышает надежность в работе датчика 3 ил. 2 сл.фалы

1839236

35

50

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к емкостным датчикам, предназначенным для использования в различных областях науки и техники. связанных с измерением давления в условиях воздействия повышенных температур, Известен емкостный датчик давления, содержащий упругий элемент в виде круглой мембраны с круглым кольцевым электродом на периферии, в центре которой прикреплен круглый диск с электродом на . периферии. зеркально-симметричный электроду упругого элемента, и выводы, присоединенные к контактным площадкам электродов и контактам гермопроходника (1).

Известен способ изготовления датчика давлени4. заключающийся в формировании мембраны с круглым кольцевым электродом на периферии, закреплении в центре мембраны круглого диска с электродом на периферии и присоединении выводов к контактным площадкам электродов и контактам гермопроходника (1);

Недостатками известной конструкции являются достаточно плохие динамические характеристики вследствие присоединения

- к центру мембраны довольно значительной присоединительной массы при сравнительно небольшом значении изгибной жесткости мембраны, низкие технологичность и надежность вследствие незначительной на.дежности присоединения круглого диска к центру мембраны из-зэ воздействия деформаций от измеряемого давления на область соединения диска и мембраны.

Недостатками способа изготовления емкостного датчика давления являются то, что он не. позволяет изготавливать датчики с высокими динамическими характеристи-. ками вследствие необходимости присоединения к центру мембраны круглого диска, сравнительно низкая технологичность .в связи с наличием сложного присоединения круглого диска к мембране.

Известен емкостный датчик давления, содержащий корпус, установленную на дне глухого отверстия корпуса первую диэлектрическую пластину и расположенную с зазором от нее вторую диэлектрическую пластину с соответственно закрепленными на них напротив друг друга с межэлектродным зазором w подвижным круглым электродом толщиной h<> и подвижным круглым электродом измерительного конденсатора с соответствующими контактными площадками. а также концентрично им расположенными кольцевыми электродами эталонного конденсатора с соответствующими контактными площадками, при этом к второй диэлектрической пластине прижата мембрана толщиной Н, закрепленная в глухом отверстии корпуса, а в ней и второй диэлектрической пластине соосно мембране и круглым электродам выполнены напротив друг другу кольцевые проточки, причем между контактными площадками первой и второй диэлектрических пластин расположены контактирующие с ними токоподводящие выводы, соединенные с гермопроходниками, выполненными в виде кабеля с металлической оболочкой и закрепленными герметично в дополнительных отверстиях корпуса (2).

Известен способ изготовления емкостного датчика давления, заключающийся в формировании электродов и соответствующих контактных площадок на первой и второй диэлектрических - пластинах, выполнении жесткого центра в мембране и второй диэлектрической пластине, установке между диэлектрическими пластинами в местах контактных площадок токоподводящих выводов, установке на вторую диэлектрическую пластину мембраны и ее закреплении. полировке диэлектрических пластин со стороны размещения электродов (2).

Недостатком известного емкостного датчика давления являются сравнительно низкие динамические характеристики, вызванные низким значением собственной частоты и декремента затухания, за счет малой изгибной жесткости мембраны упругого элемента по сравнению с массой жесткого центра. Кроме того, известная конструкция обладает низкой технологичностью и надежностью, объясняемой наличием избыточного количества элементов с ограниченной надежностью и технологичностью — гермопроходник. тонкие выводные проводники и т,п., а также сложностью и большим количеством межэлектродных связей с ограниченной надежностью и технологичностью: различного рода конструкционных сварок, микросварок выводных проводников.

Недостатком известного способа изготовления является то, что он не позволяет изготавливать высокотемпературные емкостные датчики с достаточно хорошими динамическими характеристиками из-за небольшой собственной частоты вследствие низкого соотношения изгибной жесткости мембраны и массы жесткого центра.

Другими недостатками способа являются низкая технологичность и надежность, обьясняемые наличием избыточного количества сложных трудноуправляемых

1839236 технологических процессов с конечным выходом годных и ограниченной надежностью: микросварка выводных проводников на контакты гермопроходника и на контактные площадки электродов, присоединение жил колебаний к контактам гермопроходника и т.д.

Целью изобретения является улучшение динамических характеристик вследствие повышения собственной частоты и декремента затухания за счет повышения отношения изгибной жесткости мембраны к массе его жесткого центра, а также повышение технологичности и надежности эа счет исключения избыточного количества элементов с ограниченной надежностью и технологичностью и уменьшения количества операций с конечным выходом годных и ограниченной надежностью, а также за счет повышения устойчивости работы вследствие устранения "выхлопов" мембраны в результате предварительной деформации элементов конструкции.

На фиг.1-3 изображен предлагаемый емкостный датчик давления. Соотношения между размерами межэлектродн ого зазора, вогнутости мембраны, толщин электродов и размерами других элементов конструкции для наглядности изменены.

Емкостный датчик давления содержит корпус 1, в котором размещены упругий элемент в виде мембраны 2 с жестким центром

3, выполненной за одно целое с опорным основанием 4, круглый электрод 5 измерительного конденсатора, расположенный на диэлектрике в области жесткого центра, кольцевой неподвижный электрод 6 опорного конденсатора, размещенный на диэлектрике s области опорного основания, зеркально-симметричные неподвижные электроды измерительного 7 и опорного 8 конденсаторов, расположенные на диэлектрике пластины 9. закрепленной с зазором на упругом элементе, и кабели 10 в герметичной оболочке, жилы 11 которых соединены с контактными площадками 12 соответствующих электродов. Жесткий центр мембраны направлен в сторону, противоположную измеряемой среды. Диэлектрик упругого элемента и пластины выполнены в виде круглых монолитных пластин 13 и 14 соответственно. На монолитной пластике упругого элемента выполнен жесткий центр 15 и опорное основание 16, расположенные зеркально-симметричнр жесткому центру и опорному основанию упругого элемента. Пластина 9 выполнена за одно целое с корпусом 1, В корпусе выполнена внутренняя полость диаметром, равным диаметру упругого элемента, и .три радиальных, равномерно расположенн - ; по периметруотверстия 17, продольные оси которых размещены в плоскости, равноудаленкой от плоскостей электродов опорного

5 конденсатора. В отверстиях герметично закреплены, например, при помощи непрерывной лазерной сварки кабели в герметичной оболочке, орцы которых защищены герметиэирующим:. атериалом 18.

10 Мембрана упругого элемента вогнута в сторону его диэлектрика. Между торцами жестких центров упругого элемента и его диэлектрика расположена прокладка 19.

Она может быть выполнена в аиде колпачка

15 из фольги, жестко закрепленного, например, при помощи лазерной сварки на жестком центре упругого элемента. Жилы кабеля расположены междудиэлектрическими пластинами с предварительной деформацией в

20 пределах упругости.

Соотношения размеров элементов конструкции выбраны в соответствии с предлагаемыми соотношениями. Корпус, пластика и упругий элемент датчика выполнен из

25 сплава 70НХБМЮ { Е - 1, 10 .10 Па,,и =

0,3). Диэлектрические пластины выполнены из керамики ВК-100-1(Е2 = 3,8 10 Па,,й 2 0,25). Электроды выполнены в виде структуры ванадий-никель общей толщиной

30 1 мкм. В качестве кабеля с герметичной оболочкой применен нагревостойкий кабель в металлической оболочке с минеральной изоляцией и никелевой токопровадящей жилой типа KHMCH. В качестве герметизи35 рующего материала используется стеклокерамика СК-100. Величина зазора между электродами измерительного конденсатора

wo -50 мкм.

Предлагаемый способ изготовления

40 осуществляют следующим образом.

Формируют жесткий центр и опорное основание диэлектрической пластины упругого элемента. Формирование осуществляется непосредственно в процессе спекания

45 керамики BK-100. Полируют диэлектрические пластины со стороны размещения электродов до шероховатости не более

0,05-0,1 мкм при помощи механической полировки, На поверхности диэлектриче50 ских пластин формируют электроды термическим испарением на установке магнетронного испарения. Вогнутость мембраны упругого элемента осуществляют в сторону его диэлектрика величиной, равной

55 h 200 мкм, при помощи механической обработки, защищают торцы кабелей герметизирующим материалом СК-100. Операция проводится на кабелях, еще не установленных в корпус. Диэлектрическую пластину с

1839236 непоцвижными электродами помещают в корпус и вводят кабели в отверстия корпуса так, чтобы их расплющенные токоведущие жилы касались с одной стороны контактной площадки соответствующего электрода, а с другой — диэлектрика. Герметично закрепляют кабели в отверстия корпуса, например, при помощи лазерной сварки. В корпус устанавливают диэлектрическую пластину упругого элемента и упругий элемент, прижимают упругий элемент к пластинам усилиями, приложенными к периферии упругого элемента в зонах контактирования жил кабелей с контактными площадками электродов. Приваривают торец упругого элемента к торцу корпуса при воздействии этого усилия, Емкостный датчик давления работает следующим образом, Вследствие первоначальной вогнутости мембраны упругого элемента при изготовлении, заведомо превышающей величину деформации упругого элемента, в результате сборки после завершения изготовления образуется вогнутость упругого элемента, которая даже при отсутствии давления не позволит мембране перейти через положение устойчивости, т.е. совершить "выхлоп", что существенно повышает надежность в работе датчика. Применение прокладки толщиной. определяемой AQ заявляемому соотношению, позволяет устранить все возможные люфты в передаточном звене .ме>кду упругим элементом и его диэлектриком, что также повышает надежность в работе вследствие несовершенств их поверхностей.

Под воздействием измеряемого давления на мембрану датчика и жес .ий центр мембраны упругого элемента, а следовательно и жесткий центр диэлектрической пластины и расположенный в области жесткого центра подвижный электрод измерительного конденсатора перемещаются в направлении неподвижного электрода измерительного конденсатора. В результате этого межэлектродный зазор измерительного конденсатора уменьшается, а его емкость соответственно увеличивается.

Емкость опорного конденсатора не зависит от измеряемого давления вСледствие распо- ложения его электродов на неподвижных элементах конструкции, Значения емкостей измерительного и опорного конденсаторов через их контактные площадки и кабели передаются на нормирующее устройство (не показано), которое формирует выходной сигнал, завися ций от отношения опорной и измерительной емкостей. а следовательно, и от измеряемого давления. При еоздействии на датчик повышенной температуры вследствие применения монолитной диэлектрической пластины сравнительно большой толщины электрическое сопротивление изоляции и также диэлектрических потерь между электродами и токоведущими элементами конструкции сохраняется при более высоких значениях температур по сравнению с применением тонкопленочноro диэлектрика, Вследствие практически планарного расположения электродов измерительного и опорного конденсаторов характер изменения их емкостей от температуры весьма близок. Поэтому выход15 ной сигнал с нормирующего устройства в значительной мере минимизирован в части воздействия температуры. Жесткий центр мембраны направлен в сторону, противопо20

55 ложную измеряемой среде для обеспечения плосконаправленности перемещения подвижного электрода.

Диэлектрики упругого элемента и пластины выполнены в виде монолитных пластин для обеспечения сохранения требуемого сопротивления изоляции между электродами и упругим элементом при воздействии повышенных температур, Выполнение жесткого центра и опорного основания на диэлектрической пластине упругого элемента позволяет обеспечивать плоскопараллельное перемещение подвижного электрода измерительного конденсатора и неподвижность электрода опорного конденсатора от измеряемого давления, что повышает надежность в работе. Расположение жесткого центра и опорного основания зеркально-симметрично жесткому центру и опорному основанию упругого элемента позволяет повысить надежность, в работе датчика. Мембрана упругого элемента вогнута в сторону его диэлектрика для rloBblLUBHMll надежности в работе датчика за счет устранения "прохлопывания" мембраны при переходе через положение равновесия (в случае отсутствия вогнутости), Расположение прокладки между торцами жестких центров упругого элемента и его диэлектрика позволяет устранить появление зоны нечувствительности вследствие влияния отклонений формы и расположения поверхностей торцов жестких центров. что повышает надежность в работе датчика. Кроме того. введение прокладки позволяет создать предварительное напряженное состояние

ynpyroro элемента и его диэлектрика. что повышает значение изгибной жесткости системы упругий элемент-диэлектрик, а следовательно, повышает собственную частоту и декремент затухания этой системы. Причем применение прокладки наиболее техноло1839236 гично, так как при помощи прокладки наиболее просто выставлять требуемый натяг (порядка нескольких мкм) нг фоне размеров упругого элемента и его диэлектрика (порядка нескольких мм). Закрепление прокладки на жестком центре упругого элемента наиболее надежно и технологично. так как оно позволяет жесткое закрепление при применении обычной лазерной сварки.

При выборе толщины прокладки учитывались следующие соббражения. Для обеспечения надежной работы беэ проявления зоны нечувствительности вследствие неидеальности поверхностей торцов жестких центров упругого элемента и его диэлектриков необходимо, чтобы толщина прокладки была более суммарных отклонений формы и расположения поверхностей торцов этих жестких центров и прокладки на величину гарантированного натяга. Гарантированный натяг выбран равным О,fw<, так как если гарантированный натяг будет больше этой величины, то неоправданно сузится динамический диапазон изменения выходной величины и уменьшится надежность в работе датчика вследствие неопределенного увеличения напряжений при воздействии максимальных измеряемых давлений, Уменьшение гарантированного натяга менее О,fwo также нежелательно, т.к. это, вопервых, приводит к возможности появления зоны нечувствительности, а следовательно, и к понижению надежности, во-вторых, к уменьшению изгибной жесткости, а следовательно. и к уменьшению собственной частоты и декремента затухания датчика.

Толщина жилы кабеля выбрана превышающей сумму зазора между электродами измерительного конденсатора и толщины электрода на половину толщины прокладки для обеспечения равномерного прогиба упpyroro элемента и его диэлектрика. Только при одинаковых прогибах мембран упругого элемента и его диэлектрика достигается максимальное повышение надежности, изгибной жесткости и декремеита затухания системы упругий элемент — диэлектрик вследствие идентичной изгибной жесткости составляющих эту систему отдельных элементов, (56) Патент США N 4562742, кл. G 01 1 9!12, 1985.

50 Авторское свидетельство СССР

N. 1796930, кл. 6 01 L 9/12. 1989.

Предварительное формирование жесткого центра и опорного основания диэлектрической пластины упругого элемента объясняется технологической целесообразностью. так как сначала необходимо сформировать форму, а затем проводить операции, требующие особых условий к чистоте окружающей среды. Полирование диэлектрических пластин необходимо для обеспечения последующего формирования электродов по тонкопленочной технологии.

Величина вогнутости мембраны упругого элемента выбрана из соображений обеспечения гарантированного устранения "выхлопа", мембраны упругого элемента при переходе через положенные устоичивости при воздействии давления.

Технико-экономическим преимуществом заявляемого решения по с равнению с прототипом является улучшение динамических характеристик вследствие повышения не менее чем в 3-4 раза собственной частоты и повышения в 3 раза декремента затухания за счет увеличения изгибной жесткости и введения предварительного механического напряжения механической системы датчика. непосредственно воспринимающей давление. Преимуществом заявляемого решения является также повышение технологичности и надежности за счет уменьшения количества опеоаций с конечным выходом годных и ограниченной надежностью, а также за счет повышения устойчивости работы вследствие устранения "выхлопов" мембраны в результате предварительной деформации элементов конструкции. Технологичность повышается также за счет устранения необходимости точной механической доводки поверхностей жестких центров и опорных оснований упругого элемента и его диэлектрика, так как все несовершенства этих поверхностей выбираются предварительным натягом.

Другим преимуществом заявляемого решения является уменьшение массы более чем в 6 раз.

L uviol jb

12 где Af; Лг. Ьз - максимальные суммарФормула изобретения ные отклонения формы и расположе1. Емкостный датчик давления, содеР- .ния поверхности соответственно

«жащий корпус, установленную на дне глу-: мембранЪ1, второй диэлектрической хого отверстия корпуса первую пластины и прокладки; диэлектрическую пластину и расположен- Е1,щ, Ег, лг - модуль упругости и козфную с зазором к ней вторую дийлектриче.-„-" пациент ПуаСсона соответственно маскую пластину с соответственно териала мембраны и второй закрепленными на них напротив друг дру- диэлектрической пластины. га с межэлектродным зазором ао подвиж- 10 2. Способ изготовления емкостного ным круглым электродом толщиной ho и датчика давления, заключающийся в форнеподвижным круглым электродом изме-; мировании электродов и соответствующих рительного конденсатора с соответствую- контактных площадок на первой и второй щими контактными площадками, а также диэлектрических пластинах, выполнении концентрично им расположенными кольце- 15 жесткого центра в мембране и второй диэвыми электродами эталонного конденсато- лектрической пластине, установке.между ра с соответствующими контактными, диэлектрическими пластинами в местах площадками, при этом к второй дим ктри,, контактных площадок токоподводящих выческой пластине прижата мембРана толщи водов, установке на вторую диэлектриченой Но, закрепленная в глухом отверст" -20 скую пластину мембраны и ее1 корпуса, а в ней и второй дизле"Р-еской Закреплении, полировке диэлектрических пластине соосно с мембраной " .Ру" :. пластин со стороны размещения электроэлектРодом выполнены одна напротив дРУ дов, отличающийся тем, что, с целью повыгой кольЦевые проточк, приЧем Ме кДУ шения технологичности, до установки контактными площадками первои @ второ" 25 мембраны между ней и второй диэлектридиэлектрических пластин расположены ческой пластиной устанавливают введенконтактирующие с ними токоподводящие .ную в датчик прокладку и формируют в выводы; соединенные с гермопроходника- центральной части мембраны выпуклость . ми, выполненными в виде кабеля с метал- величиной (0,6-10,0}(Ь+Л +Ьг+Ьз), а за- лической оболочкой и закрепленными гер 30 тем прижимают мембрану к второй диэлекметично в дополнительных отверстия" трической пластине усилиями, корпуса, отличающийСя тем, что с целью приложенными в местах контактирования улучшения динамических характеристик токоподводящих выводов с контактными повышения технологичности и надежно- площадками, величиной, удовлетворяющей сти, в него введена прокладка, которая 5 соотношению расположена соосно с мембраной и круглым электродом измерительного конденса- р0 16 Е " 1 г Н1+ г тора между мембраной и второй Р1 диэлектриЧеской пластиной, при этом мем- +S ат, брана и вторая диэлектрическая пластина

40 г) с -1 пгс в месте установки прокладки выгнуты в р сторону неподвижного круглого электрода измерительного конденсатора, причем толщина прокладки h, толщина токоподводя- ro щих выводов А и толщина второй где R - радиус мембраны;

-45 диэлектрической пластины Н удовлетворя- го - радиус жесткого центра мембраны; ют соотношениям S - -площадь соприкосновения токоподh=0,1оО+Ь1+Ьг+ 31 водящего вывода с контактной плоА во+0,5h+ ho, 50

Н=Но +E1(1-и )/Ег(1- р )

3 от - предел текучести материала токоподводящего вывода, 1839236 ,4-,4

Составитель Е.Белозубов

Техред M.Mîðãåíòçë Корректор M.Kóïü

Реда кторМ,Стрельникова

Тираж Подписное

НПО "Поиск"Роспатента

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

Заказ 3406

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