Емкостный датчик давления и способ его изготовления

(5 ИСАНИ ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ й институт ф в, В,6.Мари ль Чугу 742,преобразователь метра ВД. "Электть", 1984, Ь 1, с.82 -ИЯ(54) ЕМКОСТ 6 ЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕ 6 И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ(57) Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения: снижение разброса по чувствйтельности и уменьщение нелинейности градуировочной характеристики. Сущность изобретения: емкостный 4 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССРГОСПАТЕНТ СССР)(56) Патент США В 456кл. О 01 1 9/12, 1986.Деформацион ныйдавления ПДДвакуумронная промышленноспрототип. ОБРЕТЕНИЯ датчик давления содержит корпус 1, внутри которого размещена мембрана 2, закрепленная в корпусе 1 с помощью обоймы 3.Требуемое натяжение мембраны обеспечивается с помощью кольца 4. Под мембн раной 2 паэмещена диэлектрическаяподложка 5, закрепленная гайкой 6. 6 а подложку 5 нанесены обкладки измерительного 7 и эталонного 8 конденсаторов и слой 9, обеспечивающий рабочий зазор.Способ изготовления датчика осуществля- .ют, закрепляя мембрану 2 между корпусом 1 и обоймой 3, затем натягивают мембрану 2 кольцом 4 при контроле параллельности ее поверхности отйосительно базовой поверхности корпуса 1, далее закрепляют подложку 5 гайкой 6, обеспечивая контакт мембраны 2 с металлизированным слоем 9, Положительный эффект; снижение нелинейности в 3 раза, снижение разброса по чувствительности в 10 раз. 2 с. и 1 з и. ф-лы, 4 ил.1783333 30 40 электрического звена, компенсирующего 45 бочей) емкости, но также и с нелинейным характером изменения эталонной емкости,50 Изобретение .относится к измерительной технике и может быть использовано присоздании датчиков механических величин, вчастности емкостных датчиках абсолютногодавления, предназначенных для измерениямалых значений давления жидких и газообразных сред.Известен вакуумметрический датчик,использующий деформационный преобразователь давления с плоской мембраной,которая является чувствительным элементом й разделяет обьем преобразователя надве камеры-. иэмерительйую и опорную. Вопорной камере около мембраны установлен электрод, образующий совместно смембраной конденсатор. При изменениидавления мембрана отклоняется от своегоначального положения, изменяется величинаемкости конденсатора, которая являетсямерой давления,Известно также устройство, в которомкамера опорного давления откачена и герметизирована. При этом остаточное давление в камере создается на 2-3 порядка. ниже, чем предельно измеряемое нижнеедавление,Недостатками указанных известных ва. куумметрических датчиков является их температурная нестабильность, т,е. влияниеизменения окружающей температуры напоказания измерительного прибора и большая нелинейность их рабочей характеристики. " Наиболее близким" к датчику давленияпо технической сущности и достигаемому эффекту является деформационный преобразователь давления ПДДвакуумметра ВД. В атом преобразователе содержится размещенная в корпусе плоская мембрана, .: с одной стороны котооой расположена ка- мера измеряемого давления, а с другой -ойорного давления, в которой размещен керамический диск с,.двумя измерительными электродами - , центральНым и перифериййым наодинаковом расстоянии от мембраны. Дляумеяьшейия влияния изменения окружающей температуры на показания прибора измерение величины давления проводится по разности изменений емкостей между мембраной и центральным электродом с одной -: стороны и мембраной и периферийнымэлектродом с другой стороны. В данном преобразователе также предусмотрена, за счет электронной схемы, коррекция нелинейности градуировочной характеристики по всем диапазоне измеряемых давлений; при этом относительная погрешность от нелинейности снижается до 5. 5 10 15 20 25 Недостатком известного устройства является значительная погрешность по нелинейности рабочей характеристики (до 5;ь) и потери по чувствительности измерения, Оба данных обстоятельства связаны с тем, что реализация метода отношения емкостей дает значительный эффект в том случае, когда емкость эталонного конденсатора (т:е. кон-. денсатора, находящегося на периферии), в процессе измерения остается постоянной. В данной ке констоукционной схеме этого не происходит, и хотя изменение емкости эталонного конденсатора по сравнению с изменением емкости измерительного (центрального) конденсатора незначительно, однако является вполне достаточным для сникения чувствительности на 10 - 20 оь. Существенным недостатком данной конструкции явллется также то, что в ней достаточно трудно обеспечить одинаковую чувствительность изготавливаемых приборов, Данное обстоятельство связано с тем, что рабочий зазор между мембраной и керамическим диском достигается за счет набора прокладок, от толщины и количества которых будет зависеть размер между обкладками конденсаторов. Колебания данного размера (рабочего зазора) в каждом изготовленном приборе(за счет набегания допусков отдельных элементов) и приведет к разбросу по чувствительности в изготовленной партии преобразователей. В это, в свою очередь, отрицательно сказывается на взаимозаменяемости и риборов, расшифровке измеряемых параметроь, достоверности результатов измерения и т.д. одним из важных недостатков известного технического решения является услокнение устройства за счет введения в него дополнительного нелинейный характер емкостной схемы преобразования, т,к. в данном случае приходится иметь дело не только с нелинейным характером изменения измерительной (раК тому же, существенного снижения нелинейности не удается достичь и электронной схемой, и, как было указано выше, она еще остается значительной (порядка 5 О).Известен способ изготовления емкостного датчика давления, по которому неподвижный металлический электрод (подложку) емкостного преобразователя предварительно подвергают механической обработке, получая на ее поверхности одну или. несколько впадин; в которые затем наносят изоляционный слой в виде расплава, в результате чего после отверждения расплавленного материала и удаления части слоя,получают плоскую поверхность основания- центральным и периферийным, рэсполоподложки с одной (или несколькими) про- женными нэ одинаковом расстоянии от водящей зоны (зонами), окруженную мембраны, между центральным и перифеслоем изолятора, Недостатками извест- рийным электродом на керамическом диске ного способа выявляются из его сложно нанесенметаллизированныйслой,толщина сти и трудоемкости, которые в конечном которого равна велйчине рабочего зазора счете не обеспечиваюг достаточной .сб- между мембраной и керамическим диском, хранности сопротивления электрйческой причем штуцер выполнен в виде втулки и изоляции емкостного преобразователя, так входящей в нее крышки, а рабочая часть как и в процессе изготовления, и в процессе 10 мембраны натянута йа выполненный в корэксплуатации возможно нарушение нане- . пусе внутренний цилиндрический бурт с по- сенного поверхно "тного изоляционного мощью крышки штуцера.слоя, чтов дальнейшем приведет к замыка- Поставленная цель достигается тем, что нию металлической подложки с корпусом вспособеизготовленияемкостногодатчика прибора.15 давления, заключающемся в выполненииНаиболее близким по технической сущ-: мембранного узла, формировании й разности и достигаемому эффекту к заявляемо-. мещении емкостного чувствительного му способу является способ изготовления элемента в вид 6 керамического диска с емкостного датчика давления, по которому электродами внутри корпуса мембранного после выполнения отдельнйх сборок мемб узла, обеспечении рабочего зазора между рэнного узла и емкостногочувствительного мембраной и чувствительным элементом и элемента; сформированного на диэлектри-". последующем закреплений чувствительноческой подложке, последний закрепляютв го элемента в мембранном узле, осуществкорпусе мембранного узла с помощью за- ляют натяженйе закрепленной с корпусом жимной гайки, йри этом обеспечениера мембраны," регистрируя при этом паралбочего зазора между обкладками лельность ее плоскости, относительно базоконденсаторов осуществляют за счет уста-: . вой поверхностикорпуса,затемзакрепляют . ковки между мембраной и диэлектрйческой " емкостной чувстви 1 ельный элемент в корпуподложкой набора прокладок с гарантиро- се мембранного узла, обеспечив контакт ванным размером толщин. Каждая сбороч мембраны и дополнительного металлизироная единица преобразователя при данной . ванного слоя, выйолненного на керамичетехнологии имеет в конструктивном плане ском диске чувствительного элемента, свои индивидуальные особенности. Недо- одновременно кОнтролируя положение статок известного способа-прототипа как мембраны относительно базовой поверхнораз и выявляется из индивидуальных осо стикорпусайэлектрическоесопротивление бенностей изготовления сборок. Наличиемежду корпусом и дополнительным метал- определенной размерной цепи и нэбегайиелизированным. слоем на чувствительном допусков в ней практически не позволит элементе, В процессе измерения давления получить между обкладками конденсаторов" начальное значение эталонной емкости соодинаковый рабочий зазор во всех собран храняется потому; что практически отсутстных преобразователях. Данное обстоятель- вуют прогиб кольцевого участка мембраны, ство, как уже было сказано выше, ведет к.составляющего одйу из обкладок эталонноразбросу по чувствительности измеритель- го конденсатора, т.к. мала его эффективная ных цепей преобразователей и, в сво 1 о оче- площадь и, кроме того, при прогибе центредь, отражается на взаимозаменяемости 45 ральнойчасти мембраны(обклэдкиизмериприборов, достоверности их показаний и тельного конденсатора) происходит его т,д. ,дополйительное натяжение, ПостоянствоЦель изобретения - снижение разброса: рабочего зазора во всех изготавливаемых по чувствительности изготавливаемых дат- изделиях в данном случае достигается тем; чиков и уменьшение нелинейности их граду что предварительно фиксируют положение ировочной характеристики. мембраны относительно базовой поверхноПоставленная. цель достигается тем, сти корпуса, например, с помощью цифрочто в емкостном датчике давления, со- ваго индикатора, а затем обеспечивают держащем корпус с входным штуцером, койтактмембрэныстехнологическимслоемзакрепленную между ними плоскую метал на подложке, йе нарушая при этом положелическую мембрану, с одной стороны кото- ние мембраны и контролируя момент замырой расположена камера измеряемого кания между ними, например, с помощью давления, а с другой-камера опорногодав- омметра; Достигаемый,с точки зрения поления, в которой рэзмещей керамический, ставлейнай цели; результат также обусловдисксдвумя измерительными электродами: лен прежде всего тем, что тонкопленочная1783333 7. технология позволяет сформировать допол осуществляется следуощим образом: а) закрепляют мембрану 2 между корпусом 1 и кольцом 3. Затем прайзводят натяжение занительный металлизированный слой с размерам его высоты, с точностью до одного микрона, при э-.ом, конечно же, необходимо крепленной с корпусом 1 мембраны 2, прйучитывать, что высота дополнительного 5 ложив усилие Р к кольцу 4 и, регистрируя слоя должна быть в несколько раз больше приэтомпараллельностьееплоскостиотнавысоты информативных слоев. И, наконец, сительно базовой поверхности Б корпуса 1,технология сборки позволяет эакрепйть чувствительный элемент таким образом в мемнапример, с помощью цифрового индикато-.ра 11,б) закрепляют емкастнай чувствительбранном.узле, что рабочий зазор между 10. мембраной и подложкой чувствительногоный элементвкорпусе мембранногоузла с элемента для всех изготовлейных изделий . помощьюгайки 6, обеспечивая контакт мембудет-оставаться постоянным и не будет браны 2 с металлйзйрованным слоем 9 на зависеть ат наличия допусков всех элемен-подложке 5, не нарушая при этом положе-: товразмерной цепи : . : ."..15 ние мембраны и контролируя момент-замыНа фиг.1 представлена конструкциякания между" йими, напрймер, с помощьюпредлагаемого емкастнаго датчика давле- омметра 12. ния, 1 - корпус; 2 - мембрана; 3 - обойма; 4, . Емкостнай датчик давления работает- кольцо; 5 - диэлектрическая подложка; б. следующим образай.- гайка; 7 - обкладка измерительного конПри подаче давленйя визмерйтельную го размещена мембрана 2, закрепленная в 30 вии надатчикизмеряемогодавления проискорпусес помощью обоймы 3, Требуемоеходит изменение отношения емкостей натяжение мембраны обеспечивается с па-. "эталонного и измерительного конденсата- мощью кольца 4, которое вместе с мембра- ров Сэ/Си в:чувствительном элементе, что и най ограничивает измерительную полость .используется для дальнейшего преобразоприбора, В корпусе 1 под мембраной 2 так ванйя. ПричемСи изменяется линейно, а Сз же размещена диэлектрическая подложка 5, " - остается практически постояннал величизакрепленная гайкой 6. На торцовой, абра-ной, поэтомуи выходная функция С/Си бущенной к мембране стороне, подложки 5, дет изменяться линейно.нанесены металлические слои, образую- . .: И, наконец, технология сборки позволящие две обкладки кандейСаторов изме ет закрепить чувствительный элемент в рйтельнаго 7 и эталонного 8 и слоя 9, обеспечивающего рабачийзазор, Распаломембранном узле таким образом, чта рабочийзазор между мембранной и подложкой жение обкладок конденсаторов Сэ и Си чувствительнагаэлементадлявсехизготов(см.фиг.2) на поверхности подложки 5 вы- , ленных изделий будет оставаться постоянполнено таким образам, что обкладка 8 эта ным и тем самым снимается разброс по лоннай емкости Сэ располагается па чувствительности периферии поверхности, а обкладка 7 изме- . Использование изобретения по сравнерительнайемкости Си - в центре, Указанное нию с прототипам позволяет: нелинейность расположение абкладок конденсаторов да- . градуировочнай характеристики снизить в 3 ет возможность использовать в предлагае раза; диапазон измерения в сторону низкомой конструкции емКорстиога датчика метод преобразования электрического сигнала, связанный с отношением емкостей (Сэ/Си). Между обкладками эталонного и измерительного конденсаторов нанесен металлиго давления расширить в 10 раз; разброс почувствительности уменьшить в 10 раз. Формула изобретения1, Емкастный датчик давления, содержащий. корпус с входным штуцером,зираванный слой 9, высота которого определяет величину рабочего зазора между мембраной 2 и подложкой 5, Способ иззакрепленную -между ними плоскую металлическую мембрану, с одной стороны которой расположена камера измеряемого давления, а с другой - камера опорного давления, в которой размещен керамический готовления заявляемого емкостного датчика давления представлен на фиг.3, 4 и денсзтора; 8 - обкладка эталойного кон- полость датчика прогибается центральная денсатора; 9 - слой," обеспечивающийчасть мембраны 2 (участак от центра до-мезазор; на фиг,2 отдельно показана павер- таллизированнаго слоя) и измейяетсязнахностьдиэлектрической подложки 5:емка- . чение измерительной емкости С, а стнаго прзобразозателя.с топологйческим 25 значениеэталонной емкости Сэ остается по- . размещением обкладок измерительного 7 и " стоянным т;к; бтсутствует прогиб кольцеваэталонного 8 конденсаторов, а также метаМ-" гоучастка мембраны 2, расположенного по лизированного слоя 9, Емкостйой датчик перлферйи(от металлизированного слоя до давления содержит корпус 1, внутри катара- края мембраны), Таким образом, при дейстдисксдвумя измерительными электродами элемента ввиде керамического диска с - центральным и периферийным, располо- . электродами внутри корпуса мембранного женными на одинаковом расстоянии от узла, обеспечении рабочего зазора между мембраны, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с мембраной и чувствительным элементом и целью снижения разброса по чувствитель последующем закреплении чувствйтельного ности и уменьшения нелинейности, в нем элемента в мембранном узле, о т л и ч а юмежду центральным и периферийным алек- щ и й с я тем, что с целью снижения разброса тродами на керамическомдиске нанесен по чувствительности изготавливаемых "датметаллизированный слой, толщина которо- чиков, осуществляют натяжение закрепленго равна величине рабочего зазора между 10 ной с корпусом мембраны, регистрируя при мембраной и керамическим диском. "этом параллельность ее йлоскости относи 2. Датчик по п.1, о т л и ч а ю щ и й с я тельно базовой поверхности корйуса, затем тем, что в нем штуцер выполнен в виде втул- закрепляютемкостныйчувствительный алеки и входящей в нее крышки, причем рабо- мент вкорпусе мембранного узла; обеспечая часть мембраны натянута на 15 чив контакт мембраны и дополнительного выполненный в корпусе внутренний цилин- металлизированйого слоя, выполненного на дрический бурт с помощью крышки штуце- керамическом диске чувствительного элерамента, одновременно контролируя положение мембраны относительно базовойЗ.Способизготовленияемкостногодат поверхности корпуса и электРическое сочика давления, заключающийся в выполне- противление между корпусом и дополнинии мембранного узла, формировании и: тельным металлизировайным слоем на размещении емкостного чувствительного чувствительном элементе,.Гагарина, 101 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужго каз 4507 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по.изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5