Емкостный датчик давления

)5 О 0 ГОСУДАРСТВЕ ННОЕ ПАТЕ НТНВЕДОМСТВО СССР(ГОСПАТЕНТ СССР) ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ьский институт ф ство СССР2, 1990,ИК ДАВЛЕНИЯ ретение относится и может быть иси статико-динами- фиксированных 7 4 1 ОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(57) Использование: изобк измерительной техникепользовано при иэмеренических давлений при температурах. Цель: уменьшение температурной мультипликативной погрешности, Сущность изобретения: в емкостном датчике давления, содержащем мембрану 1, опорное основание 2, круглый электрод 3, кольцевой электрод 4, закрепленную с зазором на опорном основании пластину 5 с ответными электродами 6, 7, выводные проводники 8, выводные проводники выполнены. иэ материала с оп ределенным температурным коэффициентом линейного расширения, Изобретение позволяет уменьшить мультипликативную температурную погрешность в 2 раза без введения новых элементов конструкции, 2 ил.Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в датчиках для измерения статикодинамических давлений при фиксированных температурах.Известен емкостный датчик давления, содержащий вакуумированный корпус, упругий элемент, пластину, закрепленную с зазором на упругом элементе, тонкопленочные металлические электроды с контактными площадками, расположенные на упругом элементе и пластине, и выводные проводники, присоединенные к контактным площадкам при помощи сварки,Недостатком известной конструкции является невысокий уровень надежности и технологичности, особенно в области высоких температур. связанный с использованием сравнительно легкоплавких материалов: золота, алюминия и т,п, При эксплуатации известных датчиков давления при высоких температурах происходит диффузия материалов электродов в диэлектрике, что приводит к уменьшению сопротивления диэлектрика и ухудшению характеристик датчика. Применение пленок и выводных проводников из сравнительно тугоплавких материалов не спасает положение. так какв этом случае происходит повреждение сравнительно тонкой диэлектрической пленки при сварке выводного проводника и контактной площадки вследствие необходимости обеспечения высокой температуры (не менее температуры плавления) материалов, разогрева контактной площадки и выводного проводника,Недостатком известной конструкции является большая мультипликативная температурная погрешность, связанная с отсутствием компенсации изменения модуля упругости упругого элемента от температуры.Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой конструкции является емкостный датчик давления, содержащий мембрану, выполненную за одно целое с опорным основанием, круглый электрод, размещенный в центре мембраны, и кольцевой электрод. расположенный на опорном основании. закрепленную на опорном основании пластину с ответными электродами, выводные проводники, частично расположенные между опорным основанием и пластиной,Недостатком известной конструкцииявляется сравнительно высокая мультипликативнэя температурная погрешность, вызванная изменением чувствительности датчика с изменением температуры вследствие изменения модуля упругости мембрэ 30 35 40 45 50 55 Со = Ео гдето=т-то, радиусы алек Аналогично: енний и наружныйемпературе т., г 2 - вн ода пр оо1+а,Сх= Ео+ (6)ода при температур Схт = обо где го - радиу то,1 +гь злект 5 10 15 20 25 ны с изменением температуры, т.к. температурный коэффициент модуля упругости (ТКМУ) не равен нулю,Изобретение направлено на уменьшение мультипликативной температурной погрешности,Согласно изобретению в емкостном датчике давления, содержащем мембрану, выполненную за одно целое с опорным основанием, круглый элекрод, размещенный в центре мембраны, и кольцевой электрод, расположенный на опорном основании, закрепленную с зазором на опорном основа. нии пластину с ответными электродами, выводные проводники, частично расположенные между опорным основанием и пластиной, характеристики элементов конструкции связаны соотношением1 аЬ где аь - ТКЛР выводных проводников;.ам - ТКЛР мембраны и опорного основания;- ТКМУ мембраны;Лт - диапазон температур.Обоснование заявляемого решения проведен следующим образом,Для того, чтобы аддитивная погрешность заявляемого емкостного датчика была равна О, необходимо: Со Сот(2) Сх Схтгде Со - емкость опорного конденсатора при температуре то;Сот - емкость опорного конденсатора при температуре т;Сх - емкость измерительного конденсатора при температуре то,Схт - емкость измерительного конденсатора при температуре т,Емкости конденсаторов равны: - при температуре тос, = е, -- Р)бо- при температуре т(7) 5 А 31,1 - ро) Сро Оо величина межэлектродного зазапри температуре со.ТогдаС. Я - дСх г 2Со г 3 гСхс(9) Со СосСх СхсДля обеспечения нулевого значения мультипликативной температурной погрешности необходимо:Со СоСхр Схрсгде Схр, Схрс - емкость измерительного конденсатора при воздействии измеряемого давления и температуры т, 20 Емкости конденсаторов Схр, Схрс равныКРСхр = Ео (11)Го - Мо Во, В - радиус мембраны при температуре то, т соответственно; Ь, Ь - толщина мембраны при температуре ьо, т соответственно;Ео, Ет - модуль упругости материала мембраны при температуре то, т соответственно,С= (17)ВжцВжц - радиус жесткого центра;до ит - коэффициент Пуассона материала мембраны при температуре то, т, соответственно.Так как величина С является отношением радиусов мембраны и жесткого центра, то термические расширения мембраны и жесткого центра взаимно компенсируются за счет их отношения,а величина коэффициента Пуассона в квадрате мала по сравнению с 1, можно сделатьвывод;Аро = Ар (18) Тогда 15"(10) Схр 1 = Ео где во, во - прогибы жесткого центра под воздействием измеряемого давления при температуре то и 1 соответственно.В соответствии с (Пономарев С,Д., Ьнд реева Л.Е; "Расчет упругих элементов ма- шин и приборов", ММашиностроение, 1980, с,242) величины прогибов мембраны равны Со-- ооСхрдо оо ттго . (19)3до Ар Ео Ьо з бразования получи(25)г (+Р Л )ьод,.р 4 1+а,Лс1+8, Лсгсь = -- у -- , (26)На фиг,1 изображен предлагаемый емкостный датчик давления; на фиг,2 - местона фиг,1,Соотношения между размерами межэлектродного зазора, толщин электродов иразмерами других элементов конструкциидпя наглядности изменены, Емкостный датчик давления содержит мембрану 1, выполненную за одно целое с опорнымоснованием 2, круглый электрод 3, размещенный в центре мембраны, и кольцевойэлектрод 4, расположенный на опорном ос Оновании, закрепленную с зазором на опорном основании пластину 5 с ответнымиэлектродами 6 и 7, выводные проводники 8,частично расположенные между опорнымоснованием и пластиной, Характеристикиэлементов конструкции связаны заявляемымсоотношением. При выполнении мембраны иопорного основания иа сплела 70 НХБМ Юг %н13 10 еС 1 = -ЗОО 10 еС ) и М = бООС, и,= О,бф 10 С, Дпя обеспечения столь малого ЗОзначения ТКЛР выводов они выполняются изплоских кварцевых голосок толщиной 40мкм, покрытых с обеих поверхностей пленкойникеля толщиной 0,5 мкм. К контактам гермопереходника выводы припаиваются специапьным припоем. Соотношение толщиныкварцевых полс 1 сок и никелевых пленок принеобходимости обеспечивается требуемымТКЛР выводов.Заявляемый датчик работает следующим образом, Измеряемое давление воздействует на мембрану. Под воздействиемизмеряемого давления круглый электрод,расположенный в центре мембраны, перемещается к ответному электроду 6 пластины. Вследствие этого емкостьизмерительного конденсатора, образованного этими (3 и 6) электродами, увеличивается. Емкость опорного конденсатора,образованного электродом 4, расположенным на опорном основании, и ответнымэлектродом 7 пластины, не зависит от величины измеряемого давления вследствие существенно большей жесткости опорногооснования по сравнению с жесткостью мембраны, Значения измерительной и опорной емкостей поступают через гермоконтакты Ч в нормирующее устройство (на фиг,1 не по казан), которое формирует выходной сигнал, зависящий от отношения значений опорной емкости к измерительной емкости.При работе датчика давления при стационарной температуре, отличающейся от температуры нормальных климатических условий, например, при повышенной температуре, вследствие изменения модуля упругости материала мембраны от температуры, емкость измерительного конденсатора под воздействием измерительного давления бу; дет отличаться от емкости измерительного конденсатора при воздействии измеряемого давления при температуре нормальных климатических условий. Но вследствие подбора характеристик элементов конструкции выходной сигнал нормирующего устройства, сформированный по тому же алгоритму, что и для нормальных климатических условий, не зависит от воздействующей температуры,Таким образом, преимуществом изобретения является уменьшение мультипликативной температурной погрешности за счет компенсации изменения модуля упругости материала мембраны от температуры термическим изменением размеров элементов конструкции, а также то, что уменьшение погрешности достигнуто без введения новых элементов конструкции.Формула изобретения Емкостный датчик давления, содержащий мембрану, выполненную за одно целое с опорным основанием, круглый электрод, размещенный в центре мембраны, и кольцевой электрод, расположенный на опорном основании, закрепленную с зазором на опорном основании пластину с ответными электродами, выводные проводники, частиц- но расположенные между опорным основанием и пластиной, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью уменьшения мультиппикативной температурной погрешности, в нем выводные проводники выполнены из материала, температурный коэффициент линейного расшире- нияз которого определен из соотношения1+а,Ьс,Лтаь -где ам - температурный коэффициент линейного расширения материала мембраны;3 м - температурный коэффициент мг,- дуля упругости материала мембраны:Ьс - диапазон рабочих температурСоставитель Е.БелозубовТехред М.Моргентал Корректор М,Максимишинец Редактор Производсгвеннп-издательский комбинат "Патент". г. Ужгород, ул.Гагарина. 101 Заказ 4185 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж. Раушская наб., 4/5