Емкостный датчик давления и способ его изготовления

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в датчиках для измерениястатического и динамического давленияв широком диапазоне температур.Известен емкостный датчик давления, содержащий прогибающуюся мембрану и плоскую эталонную пластину. Намембране установлены два кольцеобразных электрода; первый является чувствительным элементом, второй - эталонньи. Эталонная пластина, обращеннаяв сторону прогибаемой поверхностимембраны, также содержит чувствительный элемент, выполненный в формекольцеобразного электрода, которыйвместе с электродом мембраны образуетемкостный датчик. Механическая рас"порка, установленная в центральнойчасти пространства между мембранойи эталонной пластиной, поддерживаетпостоянное расстояние между ними,не препятствуя прогибу мембраны,Эталонная пластина закрывается крышкой, которая по периметру соединяется с мембраной. На крышке укрепленэталонный кольцеобразный электрод,положение которого соответствуетэталонному кольцеобразному электродуна мембране. Эти два кольцеобразных электрода образуют эталонный емкостный датчик.Недостатком известного устройства являются довольно значительные габаритные размеры, особенно в направлении, перпендикулярном продольной оси, связанные с плоским расположением электродов измерительного и опорного конденсаторов. Температурная погрешность известного устройства также весьма велика вследствие неидентичности изменения емкостей измерительного и эталонного конденсаторов оттемпературы.Известен также способ изготовления емкостного датчика давления, заключающийся в формировании упругого элемента и пластины, нанесении на них электродов присоединения пластины к упругому элементу через распорку, установленную в центре упругого элемента.Недостатком известного способа является сравнительно невысокий уро.вень технологичности, связанный с невозможностью изготовления датчиков с приемлемой точностью в условя" ях воздействия температуры. Наиболее близким к предлагаемомупо технической сущности является емкостный датчик давления, содержащиймембрану с жестким центром и периферийным цилиндрическим опорным основанием, образующим с крышкой вакуумированную полость, внутри которой намембране через первую прокладку за 10 креплен первый диск, два емкостныхпреобразователя, каждый из которыхвыполнен в виде двух противолежащихэлектродов, причем один электрод первого емкостяого преобразователя рас 1 положен на мембране, а второй электрод - на поверхности первого диска.Недостатком известного датчика являются сравнительно большие габарит ные размеры, связанные с планарным0 расположением электродов и наличиемконсольного участка у упругого элемента. Причем размеры увеличены в направлении, перпендикулярном продольнойоси датчика, т,е. именно те размеры,которые определяют установочные характеристики: присоединительную резьбу и т,д,Кроме того, недостатком известной,конструкции является повышенная тем 30пературная погрешность, что объясняется неодинаковой величиной изменения.емкости первой и второй пары от температуры.Наиболее близким к предлагаемомупо технической сущности является спо 35 соб изготовления емкостного датчикадавления, заключающийся в формировании электродов измерительного емкостного преобразователя соответственнона мембране, выполненной с периферий-"0 ным цилиндрическим опорным основани-,ем, и диске, закрепленном через прокладку диска на мембране, и формировании электродов эталонного емкостного преобразователя.Недостатком известного способаизготовления емкостного датчика давле"ния является сравнительно невысокийуровень технологичности, связанныйс невозМожностью изготовления датчиф 0 кав с приемлемой точностью в условиях.воздействия температур.Целью изобретения является уменьшение габаритов и увеличение точностиза счет уменьшения температурной по грешности а также повышение технологичности.На чертеже изображен предлагаемыйемкостный датчик давления,5 1Емкостный датчик давления содержитвакуумировашпй корпус 1, мембрану 2с жестким центром и цилиндрическимопорным основанием 3, диск 4, закрепленный на мембране при помощи прокладки 5, емкостный преобразовательдеформаций в виде двух пар противолежащих электродов. Первая параэлектродов 6 и 7 расположена по центру мембраны и диска соответственно.Один из электродов 8 второй пары расположен на стороне диска, более удаленной от мембраны, а другой электрод9 второй пары размещен на пластине10, установленной при помощи прокладки 11 на расположенном в одной плоскости с более удаленной от мембраныповерхностью диске .втулки 12, размещенной концентрично мембране и диску.Втулка жестко присоединена противолежащим торцом к опорному основаниюмембраны, например, при помощи лазерной сварки. Величина межэлектродногозазора первой пары электродов равнавеличине межэлектродного зазора второй пары электродов и равна 40 мкм.Электроды электрически соединены свыводами гермопроходника 13 при помощи тонких выводных проводников 14.Упругий элемент, диск и пластинавыполнены из сплава 70 НХБМ 10 (0 --=13,5 10С ), втулка выполненаиз сплава 20 Х 13 (с =: 10, 1 10 6 0 С ).На поверхности мембраны и пластинынанесена диэлектрическая пленка ввиде композиции А 103 -ЯО. Электроды выполнены в виде композицииИо-н.%Заявляемый способ осуществляетсяследующим образом,формируют на мембране и диске методом тонкопленочной технологии электроды первой пары. Формируют методомтонкопленочной технологии электродывторой пары на стороне диска болееудаленной от мембраны, и напластине.Определяют значения емкости первой,пары электродов при наименьшей и наибольшей температуре рабочего диапазона температур. Закрепляют диск намембране при помощи прокладки лазерной сваркой по периферии диска и упругого элемента (не показано) .Изготавливают втулку из материала.,с ТВЛР, отличньм от ТКЛР упругогоэлемента. Длину втулки определяютв соответствии с заявляемым соотношением, В нашем случае при Ь 00 40 мкм,73;.201С 3,4 пъ, Схо 2 ь 1 пф, ж, 13,5 к600 С по Формуле5 д 1 схс - суп 1 +б (с сй 1Ь С,(М-К,) й - .)получаем 1, = 3,4 - ,1 1 ++ 13,5 10 (600 25) -.7,6 мм. 10Устанавливают торец втулки в од-ной плоскости с поверхностью Лиска,наиболее удаленной от мембраны. Установка может проводиться различнымобразом, например при помощи установки поверхности диска и торца втулкина эталонной поверхности. На торцевтулки 3 устанавливают при помощипрокладки пластину и закрепляют еелазерной сваркой по периФерии с втулкой.Емкостный датчик давления работаетследующим образом .Под воздействием измеряемого давления на мембрану датчика жесткийцентр мембраны, а следовательно, ирасположенный в области жесткого центра подвижный электрод измерительногоконденсатора перемещаются в направлении неподвижного электрода. В резульЗ 0,тате этого межэлектродный зазор этойпары электродов уменьшается, а егоемкость соответственно увеличивается .Емкость второй пары электродов независит от измеряемого давления вследЗ 5 ствие сравнительно массивного опорного основания. Значения емкостей первой и второй пары электродов черезих контактные площадки и гермопроходники передаются на нормирующее 49.устройство (не показаны), котороеформирует выходной сигнал, зависящийот отношения емкостей второй парыэлектродов и первой, а следовательно,и от измеряемого давления. При воз действии на датчик повышенной температуры емкость электродов первойпары изменяется в силу различныхпричин, Емкость электродов второйпары также изменяется, но так как 50 .длина втулки выбрана исходя из заявляемых соотношений, то изменениеемкости электродов второй пары будеттаково, что отношение емкостей второй и первой пары электродов в мини мальной степени будет зависеть оттемпературы. Один из электродов вто"рой пары расположен на стороне диска,более удаленной от мембраны, а другой электрод второй пары размещен(8) на пластине, установленной при помощи прокладки на расположенном в одной плоскости с более удаленной отмембраны поверхностью диска торце1втулки, размещенной концентричномембране и диску, для обеспеченияуменьшения габаритных размеров, особенно в направлении, параллельномплоскости мембраны. Жесткое присоединение противолежащего торца втулкик опорному основанию также позволяетуменьшить габаритные размеры и температурную погрешность. Равенствовеличины межэлектродного зазора первой величине межэлектродного зазоравторой пары позволяет уменьшить температурную погрешность вследствиеобеспечения идентичности температурных зависимостей второй и первой пары электродов. формирование электродов второй пары на стороне диска,более удаленной от мембраны, и напластине также преследует цельуменьшить габаритные размеры. Установка втулки из материала с ТКЛР,отличным от ТКЛР упругого элемента,в одной плоскости с поверхностЬюдиска, наиболее удаленной от мембраны, позволяет минимизировать температурную погрешность емкостного датчика, вследствие обеспечения термозависимости емкости второй пары электродов, близкой к термозависимости первой пары электродов,Рассмотрим более подробно конструкцию дат 4 йка. Пусть при температуре с величина емкости измерительногоконденсатора равна С , а при температуре С СХ.Несмотря на изменение емкостиизмерительного конденсатора от температуры выходной сигнал,. образован- .ный в соответствии с выбранньм алгоритмом, не должен изменяться от температуры. Общепринятый алгоритм образова-ния выходного сигнала для емкостныхквазидифференциальных датчиков имеетследующий вид.Х где Со - емкость образованного конденсатора;С - емкость измерительногоХконденсатора; К, К - коэффициенты преобразования.Прй температуре С ВСоФ,ьыя 1 К 1 д 2я 6 При температуре С 5 Соо ьЫхо 102 о С яоДля обеспечения независимости выходного сигнала от температуры необ ходимо, чтобы"ьыя"еыхоРасшифровывая выражения, получим Кщ(Крр -- " ) = К(К -- ) (5)Сх Учитывая, что коэффициенты преобразования определяются электронным преобразователем, располагающимся на 2 О некотором расстоянии от датчика инепосредственно не подвергающимся воздействию температуры измеряемой среды, можно записатьКо = КЬфКо = Ка 1(6) Тогда выражение (5) приводитсяк видуСор Со 1ЗО Емкость образцового конденсаторапри температуре С равна(9) О где Е - относительная диэлектрическая проницаемость вакуума;- абсолютная диэлектрическаяпроницаемость;8 оо - площадь поверхности электродов при температурейо,Ь ".,межэлектродный зазор при,температуре йо.Вякость образцового конденсаторапри температуре й с учеЪом инвариант-ности относительной и абсолютной диэлектрической проницаемости вакуумаот температуры будет равна 5где 8 о 1 " площадь поверхности электродов при .температуре й;о - межэлектродный зазор притемпературе й.10 со.ею 51 О 9 17Площадь электродов образцового конденсатора при температуре 1 рав- на где ю - радиус электрода при темООпер атур е. Площадь электродов образцового конденсатора в случае выполнения пластины из материала упругого элемента при температуре й равна предпагаемьм решением сставляет 510С , Температурная погрешо ность в диапазоне температур 25-600 С известного емкостного датчика давления составляет 2 10 " С . Таким образом, технико-экономическим преимуществом, по сравнению с прототипом, является уменьшение габаритных размеров на 307 и температурной погрешности за счет обеспечения одинакового относительного изменения емкостей первой и второй пары электродов.При изменении температуры от довеличина межэлектродного) зазора эталонного конденсатора изменится от О на величину, определенную по соотйошению8 Д(щ = Ь,(Ф(,) ( - Йо), (13) где Ь - высота втулки.Тогда межэлектродный зазор эталонного конденсатора при температуре й будет равено =доо ддоо (14Поэтому емкость эталонного конденсатора при температуре й будет равнар о( Е рЯф К ( оР06 од . ф 6 - Ь Подставляя выражения (9) и (15) в выражение (8), после преобразований получимДооси - =СДС откудаЬ 1 С Емкостный датчик давления в соответствии с предлагаемым решением имеет присоединительные размеры с резьбой И 18 х 1,5. Емкостный датчик давления, выполненный в соответствии с прототипом, имеет присоединительные размеры с резьбой М 24 х 1,5. Габаритные размеры предлагаемого емкостиого датчика давления 20 х 30 мм, а габаритные размеры известных датчиков 27 х 30 мм. Температурная погрешность в диапазоне температур 25-600 С емкостного датчика давления в соответствии сФормула изобр етения л ро ля об изготовления емкостного вления, заключающийся в ии электродов измерительтного преобразователя соотна мембране, выполненной с ьм цилиндрическим опорньми диске, закреплении ладку диска на мембране ании электродов эталонного преобразователя, о т л ий с я тем, что с целью 2. Сподатчика дформированого емковетственнпериферийоснованиемчерез проки формировемкостногоч а ю щ и 1. Емкостный датчик давления,содержащий мембрану с жестким цент О ром и периФерийным цилиндрическимопорньм основанием, образующим скрышкой вакуумированную полость,внутри которой на мембране черезпервую прокладку закреплен первый 25 диск, два емкостных преобразователя,каждый из которых выполнен в видедвух противолежащих электродов, причем один электрод первого емкостногопреобразователя расположен на мембране, а второй электрод на поверхностипервого диска, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью уменьшениягабаритов и увеличения точности засчет уменьшения температурной погрешности, в него введены второй диск 35 и втулка, которая закреплена на цилиндрическом опорном основании кон-центрично мембране, причем торец вту -ки установлен заподлицо с внешнейповерхностью диска, при этом на внешнеи поверхности диска закреплен пер -вый электрод второго емкостного преобразователя., а на торце втулки через введенную вторую прокладку закреплен второй диск, на внутренней поверхф 5 ности которого закреплен второй электд второго Емкостного преобразовате12 1732201 Ыр- температурный коэффициентЬлинейного расширения соответственно мембраны и втулки Составитель Е. Белозубов Техред А, Кравчук Корректор М. Самборская Редактор Л.Гратилло Заказ 1576 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, -35, Раушская наб., д. 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г.Ужгород, ул. Гагарина, 101 повышения технологичности, Формируютпервый электрод эталонного преобразователя на внешней стороне диска, измеряют емкость измерительного преоб", .разователя при верхней и нижней тем"пературе рабочего диапазона, определяют длину Ь втулки по соотношению2161 у С уо 1 +о(е ь)3 ГС(М - ) ( - ,)где- межэлектродный зазор;СйС о - емкость измерительного.емкостного преобразователя,соответственно, при верх-ней и нижней температурерабочего диапазона, - соответственно верхняяи нижняя температура рабочего диапазона1 О и закрепляют втулку на цилиндрическом опорном основании заподлицо с диском, а затем закрепляют на торцевтулки через дополнительную прокладку дополнительный диск с .предварительно сформированным на нем вторымэлектродом эталонного емкостногопреобразователя .