Емкостный датчик давления и способ его сборки

 

Использование: в автоматизированных системах управления и контроля. Сущность изобретения: мембраной датчика является тонкая гибкая металлическая пленка, покрытая полиимидной пленкой и охваченная с обеих сторон кольцами жесткости из диэлектрика и металла. Основание датчика изготавливают из фольгированных диэлектрических пленок. Конструкция датчика защищена от внешних электромагнитных воздействий. Отдельные узлы датчика между собой скрепляют клеем, выдерживают под давлением 30 - 35 кг/см² при температуре 160 - 170^oС в течение 50 - 60 мин. 2 с. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давлений в различных отраслях народного хозяйства, в частности к медицине.

Известен емкостной матричный датчик давления, позволяющий измерять давления без дренирования на поверхности изделия, предназначенного для использования в авиационной технике. Конструкция датчика разработана на базе четырех металлизированных и неметаллизированных гибких полиимидных пленок. На одной подложке диэлектрической пленки сформировано несколько чувствительных элементов (ЧЭ). Между обкладками перфорированная диэлектрическая пленка для повышения чувствительности датчика. ЧЭ датчика защищен от внешних помех.

Такое решение обеспечивает измерение давления на поверхности исследуемого объекта.

Датчик имеет следующие недостатки: высокая гибкость; трудность реализации подачи давления ЧЭ датчика с размерами ЧЭ 4 х 6 мм, толщиной датчика 130-160 мкм; маленькие приращения емкости при воздействии давления; низкая надежность при работе длительное время; высокая стоимость. Для измерения статического давления указанные диэлектрические пленки обладают достаточной нелинейностью и ползучестью.

Наиболее близким к изобретению является конденсаторный приемник давления, основанный на принципе зависимости параметров конденсатора, определяющих его электрическую емкость, от измеряемого давления. Такими параметрами являются диэлектрическая постоянная среда между обкладками, расстояние между ними или площадью взаимного перекрытия. Подвижная обкладка датчика делается обычно тонкой и сильно натягивается. В качестве материала мембраны используются никелевые пленки толщиной 5-20 мкм. Датчик имеет стопорное кольцо, капиллярную трубку, мембрану, задний электрод, кварцевый изолятор, внешнее отверстие и корпус.

Способ изготовления датчика включает натягивание тонкой металлической пленки, которую скрепляют с задней обкладкой и корпусом. Затем электроды скрепляют на поверхности кварцевого изолятора. Таким способом сформированный ЧЭ скрепляют внутри корпуса с помощью стопорного кольца резьбовым соединением. Капиллярную трубку соединяют с отверстием на поверхности корпуса для выравнивания статического давления.

Датчик позволяет измерять пульсации давления в широком диапазоне частот.

Датчик имеет следующие недостатки: большой вес, габарит, высокая стоимость, они не выпускаются отечественной промышленностью, трудно крепить датчик на поверхности тонких профилей.

Задача изобретения уменьшение веса, габарита и стоимости.

Это достигается тем, что емкостной датчик давления, содержащий корпус, мембрану, взаимодействующую с одной из обкладок конденсатора, обкладки которого изолированы электрически от корпуса и скреплены с ним кольцом жесткости, а внутренняя полость датчика соединена с внешней атмосферой через капиллярную трубку, выполнен с основанием из двухсторонних фольгированных диэлектрических пленок, толщина диэлектрической пленки больше толщины металлической фольги в 5-14 раз, на верхней поверхности основания датчика сформированы обкладки конденсатора, клеммник, вокруг них экран, фольга на нижней поверхности основания является экраном датчика, мембрана датчика жестко закреплена между двумя кольцами жесткости, нижнее кольцо выполнено из твердого диэлектрика, а верхнее из любого твердого материала, причем высота нижнего кольца с твердым диэлектриком больше толщины мембраны датчика в 8-200 раз, высоту верхнего жесткого кольца выбирают равной или больше высоты нижнего кольца, причем на обе поверхности мембраны нанесена диэлектрическая пленка.

В способе сборки емкостного датчика давления, в котором мембрану соединяют с обкладкой, скрепляют обкладки конденсатора между собой через изолятор и соединяют с кольцом жесткости и основанием, основание датчика, мембрану, кольца жесткости между собой скрепляют клеем эпоксидно-каучуковой основы, причем собранный пакет выдерживают под давлением 30-35 кг/см² при температуре 160-170^оС в течение 50-60 мин, затем остужают.

На фиг. 1 показан датчик давления; на фиг. 2 сечение А-А на фиг. 1.

Основание датчика из фольгированной диэлектрической пленки содержит экран 1, нижнюю поверхность диэлектрической пленки 2. На верхней поверхности сформированы экран 3, обкладки 4 конденсатора, контактные площадки 5. Датчик имеет отверстие 6 для связи с атмосферным давлением, четыре сквозных отверстия 7, нижнее кольцо 8 жесткости, мембрану 9, покрытую полиамидокислотным лаком с обеих сторон 10, 11, верхнее кольцо 12 жесткости. На чертеже показаны также клей 13 между слоями и изделие 14, на котором закреплен датчик.

Датчик предназначен для применения в промышленности, в частности для измерения кровяного давления человека.

На поверхности диэлектрической пленки экран 3, обкладку 4, контактные площадки 5 формируют с помощью фотолитографии. Зазор между обкладкой 4 конденсатора и экраном 3 выбирают в пределах 0,2-0,3 мм. При совместном действии мембраны 9 с обкладкой 4 и экраном 3 ЧЭ датчика практически защищен от краевых эффектов. Отверстие 6 для поддержания связи с атмосферным давлением выбирают от 0,3 до 0,5 мм, что позволяет ликвидировать амортизирующее воздействие воздуха (статического давления) между обкладкой 4 конденсатора, мембраной 9. При этом повышается чувствительность датчика.

Реальная толщина диэлектрической пленки 100-140 мкм, толщина металлической фольги, т. е. обкладки, 10-20 мкм. При этих значениях обеспечивают достаточную жесткость основания датчика. Их оптимальное отношение находится в пределах от 5 до 14. Выбора толщины диэлектрика в 14 раз больше толщины медной фольги можно добиться увеличением толщины диэлектрической пленки, что отсутствует в промышленности, или уменьшением толщины медной фольги, что приводит к снижению жесткости основания датчика.

Нижнее кольцо 8 жесткости изготавливают из твердого диэлектрика или из металла, мембрану 9 датчика изготавливают из специального сплава, предназначенного для пружин и амортизаторов. С целью обеспечения гибкости, защиты мембраны 9 от механических повреждений и внешних воздействий ее покрывают с обеих сторон 10, 11 полиамидокислотным лаком, толщиной 5-150 мкм по известной технологии. Высоту нижнего кольца 8 жесткости в зависимости от величины измеряемого значения давления и чувствительности датчика выбирают от 0,8 до 1,0 мм. При этом толщину мембраны выбирают от 5 до 100 мкм. Рациональное отношение толщины кольца к толщине мембраны находится в пределах от 8 до 200. Увеличение отношения толщины нижнего кольца 8 жесткости к толщине мембраны 9 больше 200 возможно, если увеличить толщину кольца или уменьшить толщину мембраны (меньше 5 мкм). В первом случае увеличивается габарит датчика, во втором случае затрудняется применение тонкой металлической фольги, она нетехнологична в стадии сборки датчика. Выбора этого отношения меньше 8 можно добиться путем увеличения толщины мембраны, что приводит к снижению чувствительности датчика, а это нежелательно во многих случаях.

Уменьшение толщины нижнего кольца жесткости 8 может являться причиной короткого замыкания мембраны 9 с обкладкой 4 конденсатора. Выбор толщины верхнего кольца 12 жесткости, равной толщине нижнего кольца 8 жесткости, обеспечивает надежное соединение мембраны между двумя кольцами. Уменьшение толщины верхнего кольца 12 жесткости меньше толщины нижнего кольца 8 жесткости при высоких значениях давления приводит к ослаблению в опорных точках и нарушению линейности и других характеристик датчика. Возможность выбора толщины верхнего кольца 12 жесткости больше толщины нижнего кольца 8 жесткости диктуется условием применения датчика, т.е. каким образом подается давление к мембране. Выбор материала этого кольца из диэлектрика или из металла тоже связан с условием эксплуатации датчика. Выбор внутреннего диаметра колец 8, 12 меньшим или равным диаметру обкладки 4 конденсатора обеспечивает цельность мембраны и жесткое сцепление мембраны по периферии кольца жесткости. Для получения стабильного значения емкости и чувствительности датчика необходимо строгое совпадение размеров мембраны 9 и обкладки 4 конденсатора.

Датчик изготавливают из фольгированной диэлектрической пленки из полиимида или лавсана. В предложенном датчике при изготовлении на основе лавсановой пленки стоимость основания датчика уменьшается в 2-3 раза.

Собранный пакет между собой скрепляют жидким или сухим клеем на эпоксидно-каучуковой основе марки САФ. Клей марки САФ обрезают в виде кольца с размерами, совпадающими с внутренними диаметрами колец 8, 12 жесткости. При использовании клея в виде жидкой массы на поверхности колец 8, 12, мембраны 9 с обеих сторон 10, 11 наносят клей ручным способом, затем выдерживают в термостате в течение 5-7 мин при температуре 70-80^оС. До сборки пакета поверхности деталей обезжиривают и сверлят отверстия 6. Сформированный пакет датчика выдерживают между двумя металлическими пластинами и подают давление 30-35 кг/см². Собранный пакет выдерживают при температуре 160-170^оС в течение 50-60 мин. Затем вынимают из камеры и постепенно остужают весь пакет до 50-60^оС.

Увеличение давления больше 35 кг/см² связано с техническими трудностями, возможно разрушение элементов конструкции датчика. Уменьшение силы давления меньше 30 кг/см², температуры меньше 160^оС и времени меньше 50 мин препятствует хорошему сцеплению клея между слоями. Температура 170^оС является допустимым значением температуры клея на эпоксидно-каучуковой основе. При увеличении этого значения наступает потеря массы клея. Клей марки САФ для сборки датчика гигиеничен, прост в обращении, повышает производительность и т. д. Датчик с изделием 14 наклеивают клеем марки "Момент". Вес и габарит датчика сокращаются за счет применения (частично) технологии микроэлектроники.

Принцип работы датчика. При изменении давления на величину Р изменяется расстояние между обкладкой 4 и мембраной 9. Изменение этого расстояния приводит к изменению емкости. По этому изменению судят о величине давления. Сигнал снимается с вывода а. Напряжение поляризации подается к контактной площадке б. Мембрана 9 датчика с нижней поверхности (до сборки датчика в пакет) припаивается к контактной площадке б. Экран 3 с внешней цепью соединяется в точке в.

Способ изготовления датчика был проведен в лабораторных условиях. Для изготовления датчика использовали материалы: текстолит толщиной 0,8 мм; клей "Момент" 88, клеющая пленка марки ФАС, мембрана из константановой пленки толщиной 10 мкм, диаметром ЧЭ 20 мм. При этом приращение емкости Δ С 30 пф, начальная емкость 44 пф, уровень измеряемого давления от 0 до 6˙10⁴ Па. Вес датчика 2 г, размеры 1,5 х 30 х 35 мм.

Изобретение повышает технико-экономическую эффективность, сокращает трудовые и материальные затраты. Датчики могут найти применение в энергетике, химической, газовой промышленности, медицине, автоматических системах управления и контроля.

Формула изобретения

1. Емкостный датчик давления, содержащий корпус, мембрану, обкладку конденсатора, изолированные электрически от основания датчика и скрепленные с ним первым кольцом, при этом внутренняя полость датчика соединена с атмосферой через капиллярную трубку, отличающийся тем, что он выполнен с основанием из двусторонней фольгированной диэлектрической пленки, толщина диэлектрической пленки больше толщины металлической фольги в 5 - 14 раз, на верхней поверхности основания датчика сформированы обкладка конденсатора, клеммники, охваченные экраном, фольга на нижней поверхности основания является экраном датчика, мембрана датчика жестко закреплена между первым кольцом, которое выполнено из твердого диэлектрика, и введенным вторым кольцом, выполненным из твердого материала, высота первого кольца больше толщины мембраны в 8 - 200 раз, высота второго кольца не меньше высоты первого кольца, причем на обе поверхности мембраны нанесена диэлектрическая пленка.

2. Способ сборки емкостного датчика давления, в котором мембрану соединяют с обкладкой через диэлектрическую пленку и соединяют с кольцом из твердого диэлектрика и основанием датчика, отличающийся тем, что в нем основание датчика, мембрану, нижнее кольцо из твердого диэлектрика и верхнее кольцо из твердого диэлектрика и верхнее кольцо из твердого материала скрепляют между собой клеем на эпоксидно-каучуковой основе, причем собранный пакет выдерживают под давлением 30 - 35 кг/см² при 160 - 170^oС в течение 50 - 60 мин, затем охлаждают.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2