Матричный тонкопленочный датчик

 

Использование: для измерения давления, температуры, деформации и теплового потока при аэродинамических испытаниях авиационной техники. Сущность изобретения: конструкция матричного тонкопленочного датчика сформирована из семи металлизированных и неметаллизированных пленок для образования чувствительных элементов на поверхностях второй пленки. Первая пленка является изолятором между второй диэлектрической пленкой и изделием. Четвертая и седьмая диэлектрические пленки выполнены перфорированными. Чувствительные элементы деформации, температуры и теплового потока сформированы на поверхностях второй пленки, а чувствительные элементы для измерения давления сформированы на поверхностях третьей, пятой и шестой диэлектрических пленок. 2 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения давления при аэродинамических испытаниях авиационной техники.

Известен пироэлектрический датчик пульсаций давления. На стеклянную пластинку осаждают полимерную подложку. На эту подложку последовательно напыляют электроды и слой чувствительного элемента из пироэлектрического материала и верхний электрод. Такой датчик не обеспечивает измерение давления на поверхности изделия без дренирования ( С.В.Беляев, В.М.Горелик, А.К.Коньков и др. Регистрация акустической волны в газовой среде тонкопленочными пироэлектрическими датчиками. Акустический журнал, том ХХХ, N4, 1984, с.428-431).

К недостаткам следует отнести низкую надежность контактов пайки, плохую адгезию пироэлектрика со стеклом, незащищенность от внешних электромагнитных помех и трибоэлектрического эффекта.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является емкостной пленочный датчик давления, который состоит из четырех слоев диэлектрической пленки. На первой пленке сформирован общий сплошной экран, а на верхней поверхности второй и нижней поверхности четвертой диэлектрических пленок сформированы обкладки и выводы конденсаторов. С целью повышения чувствительности четвертая пленка перфорированная. Соединение четырех пленок между собой и установка датчика на поверхности исследуемой модели осуществляется с помощью клея.

Такое решение в указанной конструкции обеспечивает измерение давления на поверхности исследуемой модели без дополнительной механической обработки (М. Порта и др. Пленочные датчики давления и их применение. Перевод Е-32663.М: язык оригинала французский, с.26, 1987, AREchrCHE AEROSPATIALE).

Однако этот датчик обладает рядом недостатков, затрудняющих его применение в ряде аэродинамических экспериментов. К числу этих недостатков можно отнести отсутствие возможности одновременного измерения в заданном участке изделий давления (статическое и пульсации), температуры, теплового потока деформации и т.д.

Задачей настоящего изобретения является повышение информативности и области применения.

Технический результат достигается тем, что в матричный датчик физических величин содержащий четыре слоя диэлектрической пленки, на поверхности первой пленки сформирован общий экран, а на верхней поверхности и нижней поверхности второй и четвертой диэлектрических пленок сформированы обкладки и выводы конденсаторов, третья диэлектрическая пленка перфорированная, введены дополнительно две диэлектрических пленки, первая диэлектрическая пленка является изолятором между изделием и второй диэлектрической пленкой, на обеих поверхностях второй диэлектрической пленки соосно и симметрично относительно друг друга сформированы первые и вторые электроды из разного металла с выводами на нижней поверхности второй диэлектрической пленки, толщина металла первого электрода больше толщины металла второго электрода в 10 17 раз, а толщина металла первого и второго электрода на верхней поверхности второй диэлектрической пленки равны друг другу, причем на нижней поверхности второй диэлектрической пленки выполнены чувствительные элементы деформации из металла толщиной, равной толщине первого электрода термопары на этой поверхности, на верхней поверхности третьей диэлектрической и нижних поверхностях пятой и седьмой диэлектрических пленок сформированы обкладки конденсаторов чувствительных элементов давления, соосные с чувствительными элементами температуры и теплового потока и смещены относительно чувствительных элементов деформации, четвертая и шестая пленка перфорированные.

На фиг.1 и 2 изображена конструкция датчика физических величин.

Датчик сконструирован на базе семи металлизированных и неметаллизированных диэлектрических пленок из полиимида.

Первая диэлектрическая пленка является изолятором 1. На нижней поверхности второй диэлектрической пленки 2 сформированы ЧЭ деформации 3, экран 4, выводы 5, вторые электроды 6, выводы 7, первые электроды 8. На верхней поверхности второй диэлектрической пленки выполнены экран 9, ответные вторые 10 и первые 11 электроды с соответствующими выводами. На верхней поверхности третьей диэлектрической пленки металлизированы экран 13, обкладки 14, четвертая диэлектрическая пленка 15 перфорированная, экран 16, обкладки 17 сформированы на нижней поверхности пятой диэлектрической пленки 18, его верхняя поверхность оснащена экраном 19, обкладками 20. Шестая пленка 21 перфорируется. Экран 22 и обкладки 23 сформированы на нижней поверхности седьмой диэлектрической пленки 24. Все слои диэлектрических пленок между собой и с изделием 25 скрепляют пленкой клея.

В конструкции датчика все ЧЭ деформации 3 формируют на поверхности второй диэлектрической пленки 2, где ожидается максимальная деформация изделий. ЧЭ деформации 3, второй электрод 6 с выводами 5 формируют из металлической фольги. Первый электрод 8 с выводами 7 формируют путем металлизации в вакууме. Необходимость выбора первой диэлектрической пленки из металлической фольги обусловлена только лишь сохранением правила конструирования ЧЭ деформации. При этом толщина второго электрода 6 больше толщины первого электрода 8 ЧЭ теплового потока в 10 17 раз. Следовательно, толщина пленки металла ЧЭ деформации 3 равняется толщине пленки второго электрода 6 теплового потока.

На верхней поверхности второй диэлектрической пленки 2 первые 11 и вторые 10 электроды имеют одинаковую толщину. Электроды 8 и 11 на разных поверхностях в отдельности соединяют между собой перемычкой. ЧЭ давления образован обкладками 14, 17 и 20, 23 и между ними соответственно перфорированные пленки 15 и 21. Цель перфорации диэлектрической пленки повышение чувствительности ЧЭ из обкладок 14 и 17 мембраны, состоящей из суммы толщин седьмой 24, шестой 21, пятой 18 и четвертой диэлектрических пленок 15, толщиной δ₁. Мембрана второго ЧЭ давления образуется из обкладок конденсаторов 20 и 23.

Надежность датчика повышается за счет введения седьмой диэлектрической пленки, которая все ЧЭ датчика защищает от потока газа и внешних воздействий. Область применения расширяется благодаря совместному и одновременному измерению давления деформации температуры и теплового потока. Повышается экономическая эффективность, когда эти виды измерения совмещают с весовыми измерениями.

Принцип работы датчика.

При изменении давления на величину Р изменяются геометрические размеры ЧЭ давления, что приводит к изменению емкости. По этому изменению судят о величине давления. Сигналы снимают с выходов выводов обкладок 17 и 20 относительно обкладок 14 и 23, куда подается напряжение поляризаций.

Принцип работы ЧЭ температуры и теплового потока 6, 8 и 10, 11 основан на использовании термоэлектрического эффекта, возникающего в двух соединениях двух металлов, образующих замкнутый контур. Зависимость между электродвижущейся силой Е, возникающей в контуре и температурами горячего и холодного спаев (Т₁, Т₂) устанавливается коэффициентом пропорциональности α, т.е. E=α(T₁-T₂). Тепловой поток Ф определяется из измеренной разности температур по обе стороны диэлектрической пленки 2, представляющей собой подиимидную пленку толщиной δ₂ и теплоемкостью λ, т.е. . Значение Е измеряют между выводами 5 и 7 в точках c, d.

Принцип работы ЧЭ деформации заключается в следующем.

При воздействии давления в месте соединения тензочувствительных элементов 3 возникает напряжение деформации. Через диэлектрические пленки 2, 12, 15, 18, 21, 24 тензочувствительные элементы испытывают действие усилия (давления). При этом деформация изделий определяется величиной электрического напряжения на выходе а, b тензочувствительного элемента после усиления и определения коэффициента тензочувствительности, т.е. , где ρ- удельное сопротивление, l длина провода.

С этой целью институтом-заявителем были изготовлены и испытаны в лабораторных условиях ЧЭ для измерения пульсации давления в диапазоне до 600 Па. Размеры ЧЭ давления температуры и теплового потока 4х6 мм. Выходной сигнал верхних ЧЭ давления больше нижних 60% Были наклеены тензочувствительные элементы с размерами 5х5 мм из никель-молибденовой фольги сопротивлением 200 350 Ом. Коэффициент тензочувствительности равен 2. Сопротивление изоляции при конденсации влаги 480 795 МОм.

ЧЭ термопары из никеля размерами 6х9 мм длиной проводящих выводов 56 мм шириной 2,5 мм имеет сопротивление 36 Ом. При одинаковых размерах элемент термопары из меди имеет 25 Ом. Толщина датчика 200 220 мкм.

Формула изобретения

Матричный тонкопленочный датчик, содержащий не менее четырех слоев диэлектрической пленки, одна из них является изолятором между изделием и датчиком, на нижней поверхности двух диэлектрических пленок сформированы обкладки с выводами конденсаторов, экраны, между ними расположена другая перфорированная диэлектрическая пленка, отличающийся тем, что в него введены дополнительно три диэлектрические пленки, на нижней поверхности второй диэлектрической пленки сформированы чувствительные элементы деформации, экран, первые и вторые электроды с выводами, на верхней поверхности этой пленки сформированы экран, ответные первые и вторые электроды с соответствующими выводами, вторая пленка расположена между первой и третьей изоляционными диэлектрическими пленками, на верхней поверхности третьей диэлектрической пленки металлизированы экран, обкладки конденсатора с выводами, четвертая диэлектрическая пленка перфорирована и расположена между пятой и третьей диэлектрическими пленками, на нижней поверхности пятой диэлектрической пленки металлизированы обкладки конденсатора с выводами, между пятой и седьмой диэлектрическими пленками расположена шестая, тоже перфорированная, диэлектрическая пленка, причем обкладки конденсаторов и все электроды второй, третьей, пятой и седьмой диэлектрических пленок симметрично смещены относительно друг друга и соосно, а чувствительные элементы деформации на нижней поверхности второй диэлектрической пленки расположены в участках ожидаемой максимальной деформации, первые электроды с выводами выполнены из меди, вторые электроды с выводами, обкладки конденсатора с выводами, экраны и чувствительные элементы деформации выполнены из никеля, а толщины вторых электродов с выводами, экрана и чувствительных элементов деформации, сформированных на нижней и верхней поверхностях второй диэлектрической пленки, больше толщины первых электродов с выводами на нижней и верхней поверхностях второй диэлектрической пленки и обкладок конденсаторов и экранов на верхних поверхностях третьей и пятой и нижних поверхностях пятой и седьмой диэлектрических пленок в 10-17 раз.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2