Емкостный датчик давления

(19 9 12 1)5 ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕ 2 ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМРИ ГКНТ СССР АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛ ЬСТВУ(71) Научно-исследовательский институт фи зических измерений(56) Авторское свидетельство СССР М 1004784, кл. 6 01 1 9/12, 1982,Авторское свидетельство СССР ЛЬ 1629763, кл, 6 01 1 9/12, 1989.(54) ЕМКОСТНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к приборостроению, а именно к емкостным измерительным преобразователям давления, и позволяет повысить точность измерения давления за счет снижения погрешности нелинейности и температурной погрешности. Датчик содержит выполненную за одно целое с корпусом 1 мембрану 2 с жестким центром 3, неподвижный электрод 4 первого конденсатора С 1, расположенный на недеформируемом участке корпуса, подвижный электрод 5 второго конденсатора С 2, расположенный на жестком центре 3, подвижную пластину 6 с электродом 7 конденсатора С 1, скрепленную с жестким центром мембраны лазерной сваркой 8, неподвижную пластину 9 с электродом 10 конденсатора С 2, скрепленную лазерной сваркой 11 с корпусом 1. На пластину 9 и корпус 1 наносятся электроды 12 опорного конденсатора С. Конструкция датчика за счет введения дополнительного рабочего конденсатора С 2 позволяет реализовать дифференциальный принцип преобразования и обеспечивает линейность выходного напряжения. 2 ил,Изобретение относится к измерительной технике, а именно к емкостным измерительным преобразователям давления.Известен емкостный дифференциальный датчик давления, содержащий полый корпус, являющийся общим электродом конденсаторов, и две мембраны, расположенные на противоположных торцах корпуса, на одной из которых по центру через изолятор крепится электрод первого кон- денсатора в виде подвижной пластины, а на второй по периферии через изолирующую 10 прокладку - неподвижная пластина, представляющая собой электрод второго конденсатора,Недостатком указанного датчика является значительная динамическая температурная погрешность измерения из-за неизбежного градиента температуры между ность нелинейности, обусловленная тем,что электроды конденсаторов располагаются над деформируемыми участками мембран, вследствие чего не удается получить функцию преобразования линейного вида,Наиболее близким к предлагаемому является емкостный датчик давления, содержащий выполненную за одно целое с корпусом мембрану с жестким центром,25 30 первый тонкопленочный электрод рабочего конденсатора, нанесенный на жесткий центр мембраны, первый тонкопленочный электрод эталонного конденсатора, нанесенный на корпус, и расположенную с зазором пластину, на которой зеркально-симметрично расположены вторые тонкопленочные электроды рабочего и эталонного конденсаторов,Недостатком известного датчика является значительная погрешность от нелинейности, обусловленная гиперболической зависимостью емкости рабочего конденсатора от прогиба мембраны. Размещение электрода рабочего конденсатора на жестком центре мембраны неизбежно приводит к уменьшению емкости до единиц и долей пикофарады, что с учетом влияния паразитных емкостей и кабельных эффектов не позволяет дистанционно и в широком диапазоне изменения температуры измерять емкость с достаточной точностью.Цель изобретения - повышение точности измерения.Поставленная цель достигается тем, что в емкостном датчике давления, содержащем выполненную за одно целое с корпусом мембрану с жестким центром, первый тонкопленочный электрод рабочего конденсатора, нанесенный на жесткий центр 35 40 45 50 55 конденсаторами, расположенными на противоположных торцах корпуса, и погрешмембраны, первый тонкопленочный электрод эталонного конденсатора, нанесенный на корпус, и расположенную с зазором пластину, на которой зеркально-симметрично расположены вторые тонкопленочные электроды рабочего и эталонного конденсаторов, пластина разделена на полукруглые подвижную и неподвижную части, подвижная часть пластины жестко соединена с жестким центром мембраны, а неподвижная часть скреплена по периферии с корпусом, вторые тонкопленочные электроды рабочего и эталонного конденсаторов расположены на неподвижной части пластины, при этом в датчик введен дополнительный рабочий конденсатор, подвижный тонкопленочный электрод которого расположен на периферии подвижной части пластины, а неподвижный тонкопленочный электрод - зеркально-симметрично на недеформируемом участке корпуса.Предлагаемая конструкция датчика позволяет реализовать дифференциальный принцип преобразования, функция которого Р 1=(С 2- С 1)/(С 2+ С 1) обеспечивает линейность выходного напряжения от прогиба мембраны при равенстве начальных зазоров между электродами конденсаторов и начальных значений емкостей С 1 и С 2,При колебаниях температуры начальные зазоры между электродами конденсаторов изменяются на одну и ту же величину, что обеспечивает резкое снижение аддитивной температурной погрешности, Однако для этого нужно добиться идентичности функций преобразования обеих половин емкостного чувствительного элемента. Для дифференциального емкостого чувствительного элемента может быть использована наиболее точная уравновешиваемая измерительная цепь,Функциональные возможности предлагаемого датчика можно значительно расширить, а требования к его конструктивно-технологическим параметрам снизить, заменив дифференциальную схему измерения квазидифференциальной, что позволяет применять более дешевые по сравнению с преобразователями диффере иальной схемы измерения отработанные вторичные преобразователи на основе автокомпенсационной схемы, имеющие линейную относительно прогиба мембраны функцию преобразования Рг = Со/Сх, где С, Сх - емкости соответственно опорного и рабочего конденсаторов. Предлагаемая конструкция емкостного датчика с избыточностью позволяет также реализовать два автономных канала изме1744539 40 С 1 - д (1+Л)л 2 обо(1 - Л)45 55 рения, что повышает точность измерения в 6 раз.На фиг.1 изображена конструкция ем-. костного датчика давления, в которой верхняя пластина разделена на два полукруга, 5 один из которых соединен с корпусом и является неподвижным; на фиг.2 - топология электродов, нанесенных по микроэлектронной технологии на подвижную и неподвижную части пластины. 10Датчик содержит выполненную за одно целое с корпусом 1 мембрану 2 с жестким центром 3, неподвижный электрод 4 первого конденсатора С 1, расположенный на недеформируемом участке корпуса, 15 подвижный электрод 5 второго конденсатора С 2, расположенный на жестком центре 2, подвижную пластину 6 с электродом 7 конденсатора С 1, скрепленную с жестким центром мембраны лазерной сваркой 8 в 20 нескольких точках, неподвижную пластику 9 с электродом 10 конденсатора С 2 и электродом 12 конденсатора Со, скрепленную лазерной сваркой 11 с недеформируемой частью корпуса в нескольких точках. 25Емкостный датчик давления работает следующим образом.При действии давления мембрана 2 прогибается. При этом зазор между электродами 5 и 10 уменьшается (емкость С 2 уве личивается), а зазор между электродами 4 и 7 увеличивается за счет перемещения пластины 6 (емкость С 1 уменьшается). Опорная емкость Со, образованная неподвижными электродами на пластине 9 и корпусе 1, ос тается неизменной от давления.Так как электроды расположены над недеформируемыми участками мембраны 2 и корпуса 1, емкости С 1 и С 2 будут равны: где 31, Я 2 - площади электродов;бо - начальный зазор между электродами;Л = В//бо - глубина модуляции заза ра;Ю - прогиб жесткого центра мембраны; оо - диэлектрическая проницаемость воздуха.При равенстве площадей 31 = Я 2 функция преобразованияГ = (С 2 - С 1)(С 2+ С 1) = Лявляется линейной относительно прогиба,Функции преобразования при использовании квазидифференциальной схемы измерения могут иметь вид: Е 2= (1 -- ) =(1 - Л); С 2 оо Рз= (1+ ) =(1+Л),и являются также линейными относительно прогиба.При колебаниях температуры начальные зазоры бо.между электродами конденсаторов С 1, С 2 и Со изменяются на одну и ту же величину, что обеспечивает многократное снижение температурной погрешности.Формула изобретения Емкостный датчик давления, содержащий выполненную за одно целое с корпусом мембрану с жестким центром, первый тонкопленочный электрод рабочего конденсатора, нанесенный на жесткий центр мембраны, первый тонкопленочный электрод эталонного конденсатора, нанесенный на корпус, и расположенную с зазором пластину, на которой зеркально-симметрично расположены вторые тонкопленочные электроды рабочего и эталонного конденсаторов, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности, в нем пластина разделена на полукруглые подвижную и неподвижную части, подвижная часть пластины жестко соединена с жестким центром мембраны, а неподвижная часть скреплена по периферии с корпусом, вторые тонкопленочные электроды рабочего и эталонного конденсаторов расположены на неподвижной части пластины, при этом в датчик введен дополнительный рабочий конденсатор, подвижный тонкопленочный электрод которого расположен на периферии подвижной части пластины, а неподвижный тонкопленочныйй электрод - зеркально-симметрично на недеформируемом участке корпуса.1744539Составитель Д. Лебедев Редактор А. Лежнина Техред М.Моргентал Корректор М. Кучерявая Заказ 2190 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5оизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101