Емкостный датчик давления и способ его изготовления

(%Ц со 1 ью и СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ РЕСПУБЛИКГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР)ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ щевю 4 ф ь 4(71) Научно-исследовательский институт Физических измерений(4) ЕМКОСТНЫИ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ ИСПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ(7) Изобретение предназначено для улучшениядинамических характеристик повышения технологичности и надежности емкостного датчика давления. В емкостном датчике давления диэлектрикиупругого элемента и пластины выполнены в видемонолитных пластин 13 и 14 для обеспечения сохранения требуемого сопротивления изоляции между электродами и упругим элементом при воздействии повышенных температур. Выполнение жесткого центра 15 и опорного основания на диэлектрической пластине упругого элемента позволяет обеспечивать плоскопараллельное перемещение подвижного электрода измерительного конденсатора и неподвижность электродов опорного конденсатора от измеряемого давления, что позволяет повысить надежнорь в работе. Расположение жесткого центра и опорного основания зеркально- симметрично жесткому центру и опорному основанию упругого элемента позволяет повысить надежность в работе датчика, Мембрана 2 упругого элемента вогнута в сторону его диэлектрика для повышения надежности в работе датчика за счет устранения "прохлопьеания" мембраны при переходе через положение равновесия (в случае отсутствия вогнутости). Раатоложение прокладки 19 между торцами жестких центров упругого элемента и его диэлектрика позволяет устранить появление зоны нечувствительности вследствие влияния отклонений Формы и расположения поверхностей торцов жестких центров, что повышает надежность в работе датчика 3 ил. 2 спфнщ5 10 15 20 25 30 35 45 50 55 Изобретение относится к измерительной технике, в частности к емкостным датчикам, предназначенным дляиспользования в различных областях наукии техники. связанных с измерением давления в условиях воздействия повышенныхтемператур,Известен емкостный датчик давления,содержащий упругий элемент в виде круглой мембраны с круглым кольцевым электродом на периферии, в центре которойприкреплен круглый диск с электродом напериферии. зеркально-симметричный электроду упругого элемента, и выводы. присоединенные к контактным площадкамэлектродов и контактам гермопроходника1.Известен способ изготовления датчикадавлени 4, заключающийся в формированиимембраны с круглым кольцевым электродомна периферии, закреплении в центре мембраны круглого диска с электродом на периферии и присоединении выводов кконтактным площадкам электродов и контактам гермопроходника 1,Недостатками известной конструкцииявляются достаточно плохие динамическиехарактеристики вследствие присоединения. к центру мембраны довольно значительнойприсоединительной массы при сравнительно небольшом значении изгибной жесткости мембраны, низкие технологичность инадежность вследствие незначительной на.дежности присоединения круглого диска кцентру мембраны из-зэ воздействия деформаций от измеряемого давления на областьсоединения диска и мембраны,Недостатками способа изготовленияемкостного датчика давления являются то,что он не. позволяет изготавливать датчикис выссцими динамическими характеристи-.ками вследствие необходимости присоединения к центру мембраны круглого диска,сравнительно низкая технологичность .всвязи с наличием сложного присоединениякруглого диска к мембране.Известен емкостный датчик давления,содержащий корпус, установленную на днеглухого отверстия корпуса первую диэлектрическую пластину и расположенную с зазором от нее вторую диэлектрическуюпластину с соответственно закрепленнымина них напротив друг друга с межэлектродным зазором ю подвижным круглым электродом толщиной по и подвижным круглымэлектродом измерительного конденсатора ссоответствующими контактными площадками. а также концентрично им расположенными кольцевыми электродами эталонногоконденсатора с соответствующими контактными площадками, при этом к второй диэлектрической пластине прижата мембрана толщиной Н, закрепленная в глухом отверстии корпуса, а в ней и второй диэлектрической пластине соосно мембране и круглым электродам выполнены напротив друг другу кольцевые проточки, причем между контактными площадками первой и второй диэлектрических пластин расположены контактирующие с ними токоподводящие выводы, соединенные с гермопроходниками, выполненными в виде кабеля с металлической оболочкой и закрепленными герметично в дополнительных отверстиях корпуса 2,Известен способ изготовления емкостного датчика давления, заключающийся в формировании электродов и соответствующих контактныхплощадок на первой и второй диэлектрических пластинах, выполнении жесткого центра в мембране и второй диэлектрической пластине, установке между диэлектрическими пластинами в местах контактных площадок токоподводящих выводов, установке на вторую диэлектрическую пластину мембраны и ее закреплении. полировке диэлектрических пластин со стороны размещения электродов 2).Недостатком известного емкостного датчика давления являются сравнительно низкие динамические характеристики, вызванные низким значением собственной частоты и декремента затухания, за счет малой изгибной жесткости мембраны упругого элемента по сравнению с массой жесткого центра. Кроме того, известная конструкция обладает низкой технологичностью и надежностью, объясняемой наличием избыточного количества элементов с ограниченной надежностью и технологичностью - гермопроходник, тонкие выводные проводники и т,п., а также сложностью и большим количеством межэлектродных свя. зей с ограниченной надежностью и технологичностью: различного рода конструкционных сварок, микросварок выводных проводников,Недостатком известного способа изготовления является то, что он не позволяет изготавливать высокотемпературные емкостные датчики с достаточно хорошими динамическими характеристиками из-за небольшой собственной частоты вследствие низкого соотношения изгибной жесткости мембраны и массы жесткого центра, Другими недостатками способа являются низкая технологичность и надежность, обьясняемые наличием избыточного количества сложных трудноуправляемыхтехнологических процессов с конечным выходом годных и ограниченной надежностью: микросварка выводных проводников на контакты гермопроходника и на контактные площадки электродов, присоединение жил колебаний к контактам гермопроходника и т.д.Целью изобретения является улучшение динамических характеристик вследствие повышения собственной частоты и декремента затухания за счет повышения отношения изгибной жесткости мембраны к массе его жесткого центра, а также повышение технологичности и надежности эа счет исключения избыточного количества элементов с ограниченной надежностью и технологичностью и уменьшения количества операций с конечным выходом годных и ограниченной надежностью, а также за счет повышения устойчивости работы вследствие устранения "выхлопов" мембраны в результате предварительной деформации элементов конструкции,На фиг.1-3 изображен предлагаемый емкостный датчик давления. Соотношения между размерами межэлектродного зазора, вогнутости мембраны, толщин электродов и размерами других элементов конструкции для наглядности изменены.Емкостный датчик давления содержит корпус 1, в котором размещены упругий элемент в виде мембраны 2 с жестким центром 3, выполненнойза одно целое с опорным основанием 4, круглый электрод 5 измерительного конденсатора, расположенный на диэлектрике в области жесткого центра, кольцевой неподвижный электрод 6 опорного конденсатора, размещенный на диэлектрике в области опорного основания, зеркально-симметричные неподвижные электроды измерительного 7 и опорного 8 конденсаторов, расположенные на диэлектрике пластины 9, закрепленной с зазором на упругом элементе, и кабели 10 в герметичной оболочке, жилы 11 которых соединены с контактными площадками 12 соответствующих электродов. Жесткий центр мембраны направлен в сторону, противоположную измеряемой среды. Диэлектрик упругого элемента и пластины выполнены в виде круглых монолитных пластин 13 и 14 соответственно. На монолитной пластике упругого элемента выполнен жесткий центр 15 и опорное основание 16, расположенные зеркально-симметричнр жесткому центру и опорному основанию упругого элемента. Пластина 9 выполнена за одно целое с корпусом 1, В корпусе выполнена внутренняя полость диаметром, равным диаметру упругого элемента, и .три радиальных, равномерно расположенн -; по периметруотверстия 17, продольные оси которых размещены в плоскости, равноудаленкой от плоскостей электродов опорного 5 конденсатора. В отверстиях герметично закреплены, например, при помощи непрерывной лазерной сварки кабели в герметичной оболочке, орцы которых защищены герметиэирующим:.атериалом 18.10 Мембрана упругого элемента вогнута в сторону его диэлектрика. Между торцами жестких центров упругого элемента и его диэлектрика расположена прокладка 19, Она может быть выполнена в аиде колпачка 15 из фольги, жестко закрепленного, например, при помощи лазерной сварки на жестком центре упругого элемента. Жилы кабеля расположены междудиэлектрическими пластинами с предварительной деформацией в 20 пределах упругости.Соотношения размеров элементов конструкции выбраны в соответствии с предлагаемыми соотношениями. Корпус, пластика и упругий элемент датчика выполнен из 25 сплава 70 НХБМЮ ( Е- 1,10 10 Паиа =0,3). Диэлектрические пластины выполнены из керамики ВК-1(Е 2 = 3,8 10 Па, ,и 2 0,25). Электроды выполнены в виде структуры ванадий-никель общей толщиной 30 1 мкм. В качестве кабеля с герметичной оболочкой применен нагревостойкий кабель в металлической оболочке с минеральной изоляцией и никелевой токопровадящей жилой типа КНМСН. В качестве герметизи рующего материала используется стеклокерамика СК, Величина зазора между электродами измерительного конденсатораюомкм.Предлагаемый способ изготовления 40 осуществляют следующим образом,Формируют жесткий центр и опорноеоснование диэлектрической пластины упругого элемента. Формирование осуществляется непосредственно в процессе спекания 45 керамики ВК. Полируют диэлектрические пластины со стороны размещения электродов до шероховатости не более 0,05-0,1 мкм при помощи механической полировки, На поверхности диэлектриче ских пластин формируют электроды термическим испарением на установке магнетронного испарения. Вогнутость мембраны упругого элемента осуществляют в сторону его диэлектрика величиной, равной 55 и 200 мкм, при помощи механической обработки, защищают торцы кабелей герметизирующим материалом СК, Операция проводится на кабелях, еще не установленных в корпус. Диэлектрическую пластину снепоцвижными электродами помещают в корпус и вводят кабели в отверстия корпуса так, чтобы их расплющенные токоведущие жилы касались с одной стороны контактной площадки соответствующего электрода, а с другой - диэлектрика. Герметично закрепляют кабели в отверстия корпуса, например, при помощи лазерной сварки. В корпус устанавливают диэлектрическую пластину упругого элемента и упругий элемент, прижимают упругий элемент к пластинам усилиями. приложенными к периферии упругого элемента в зонах контактирования жил кабелей с контактными площадками электродов. Приваривают торец упругого элемента к торцу корпуса при воздействии этого усилия,Емкостный датчик давления работает следующим образом,Вследствие первоначальной вогнутости мембраны упругого элемента при изготовлении, заведомо превышающей величину деформации упругого элемента, в результате сборки после завершения изготовления образуется вогнутость упругого элемента, которая даже при отсутствии давления не позволит мембране перейти через положение устойчивости, т.е. совершить "выхлоп", что существенно повышает надежность в работе датчика. Применение прокладки толщиной. определяемой га заявляемому соотношению, позволяет устранить все возможные люфты в передаточном звене .мекду упругим элементом и его диэлектриком, что также повышает надежность в работе вследствие несовершенств их поверхностей,Под воздействием измеряемого давления на мембрану датчика и жесткий центр мембраны упругого элемента, а следовательно и жесткий центр диэлектрической пластины и расположенный в области жесткого центра подвижный электрод измерительного конденсатора перемещаются в направлении неподвижного электрода измерительного конденсатора, В результате этого межэлектродный зазор измерительного конденсатора уменьшается, а его емкость соответственно увеличивается, Емкость опорного конденсатора не зависит от измеряемого давления вСледствие расположения его электродов на неподвижных элементах конструкции, Значения емкостей измерительного и опорного конденсаторов через их контактные площадки и кабели передаются на нормируащее устройство (не показано), которое формирует выходной сигнал, зависяций от отношения опорной и измерительной емкостей, а следовательно, и от измеряемого давления. При еоздейст вии на датчик повышенной температуры вследствие применения монолитной диэлектрической пластины сравнительно большой толщины электрическое сопротивление изоляции и также диэлектрических потерь между электродами и токоведущими элементами конструкции сохраняется при более высоких значениях температур по сравнению с применением тонкопленочного диэлектрика, Вследствие практически планарного расположения электродов измерительного и опорного конденсаторов характер изменения их емкостей от температуры весьма близок. Поэтому выход 15 ной сигнал с нормирующего устройства в значительной мере минимизирован в частивоздействия температуры. Жесткий центр мембраны направлен в сторону, противопо 203035 40 45 5055 ложную измеряемой среде для обеспечения плосконаправленности перемещения подвижного электрода.Диэлектрики упругого элемента и пластины выполнены в виде монолитных пластин для обеспечения сохранения требуемого сопротивления изоляции между электродами и упругим элементом при воздействии повышенных температур, Выполнение жесткого центра и опорного основания на диэлектрической пластине упругого элемента позволяет обеспечивать плоскопараллельное перемещение подвижного электрода измерительного конденсатора и неподвижность электрода опорногоконденсатора от измеряемого давления, что повышает надежность в работе, Расположение жесткого центра и опорного основания зеркально-симметрично жесткому центру и опорному основанию упругого элемента позволяет повысить надежность, в работе датчика. Мембрана упругого элемента вогнута в сторону его диэлектрика для повышения надежности в работе датчика за счет устранения "прохлопывания" мембраны при переходе через положение равновесия (в случае отсутствия вогнутости), Расположениепрокладки между торцами жестких центров упругого элемента и его диэлектрика позволяет устранить появление зоны нечувствительности вследствие влияния отклонений формы и расположения поверхностей торцов жестких центров. что повышает надежность в работе датчика, Кроме того. введение прокладки позволяет создатьпредварительное напряженное состояние упругого элемента и его диэлектрика. что повышает значение изгибной жесткости системы упругий элемент-диэлектрик, а следовательно, повышает собственную частоту идекремент затухания этой системы. Причем применение прокладки наиболее техноло 183923610 15 20 25 30 35 40 гично, так как при помощи прокладки наиболее просто выставлять требуемый натяг (порядка нескольких мкм) нг фоне размеров упругого элемента и его диэлектрика (порядка нескольких мм). Закрепление прокладки на жестком центре упругого элемента наиболее надежно и технологично. так как оно позволяет жесткое закрепление при применении обычной лазерной сварки.При выборе толщины прокладки учитывались следующие соббражения. Для обеспечения надежной работы беэ проявления зоны нечувствительности вследствие неидеальности поверхностей торцов жестких центров упругого элемента и его диэлектриков необходимо, чтобы толщина прокладки была более суммарных отклонений формы и расположения поверхностей торцов этих жестких центров и прокладки на величину гарантированного натяга Гарантированный натяг выбран равным 0,1 ао, так как если гарантированный натяг будет больше этой величины, то неоправданно сузится динамический диапазон изменения выходной величины и уменьшится надежность в работе датчика вследствие неопределенного увеличения напряжений при воздействии максимальных измеряемых давлений, Уменьшение гарантированного натяга менее 0,1 во также нежелательно, т.к. это, вопервых, приводит к возможности появления зоны нечувствительности, а следовательно, и к понижению надежности, во-вторых, к уменьшению изгибной жесткости, а следовательно, и к уменьшению собственной частоты и декремента затухания датчика, Толщина жилы кабеля выбрана превышающей сумму зазора между электродами измерительного конденсатора и толщины электрода на половину толщины прокладки для обеспечения равномерного прогиба упругого элемента и его диэлектрика, Только при одинаковых прогибах мембран упругого элемента и его диэлектрика достигается максимальное повышение надежности, изгибной жесткости и декремеита затухания системы упругий элемент - диэлектрик вследствие идентичной изгибной жесткости составляющих эту систему отдельных элементов,Предварительное формирование жесткого центра и опорного основания диэлектрической пластины упругого элемента объясняется технологической целесообразностью, так как сначала необходимо сформировать форму, а затем проводить операции, требующие особых условий к чистоте окружающей среды, Полирование диэлектрических пластин необходимо для обеспечения последующего формирования электродов по тонкопленочной технологии. Величина вогнутости мембраны упругого элемента выбрана из соображений обеспечения гарантированного устранения "выхлопа", мембраны упругого элемента при переходе через положенные устоичивости при воздействии давления,Технико-экономическим преимуществом заявляемого решения по с равнению с прототипом является улучшение динамических характеристик вследствие повышения не менее чем в 3-4 раза собственной частоты и повышения в 3 раза декремента затухания за счет увеличения изгибной жесткости и введения предварительного механического напряжения механической системы датчика. непосредственно воспринимающей давление. Преимуществом заявляемого решения является также повышение технологичности и надежности за счет уменьшения количества опеоаций с конечным выходом годных и ограниченной надежностью, а также за счет повышения устойчивости работы вследствие устранения "выхлопов" мембраны в результате предварительной деформации элементов конструкции. Технологичность повышается также за счет устранения необходимости точной механической доводки поверхностей жестких центров и опорных оснований упругого элемента и его диэлектрика, так как все несовершенства этих поверхностей выбираются предварительным натягом,Другим преимуществом заявляемого решения является уменьшение массы более чемв 6 раз.(56) Патент США М 4562742,кл. О 01 1 9 12, 1985,50 Авторское свидетельство СССРМ 1796930, кл, 6 01 Е 9/12, 1989.1 нЬ 1 дЬ12где Ь 1; Ь 2.Ьз - максимальные суммарФормупа изобретенияные отклонения формы и расположе 1, Емкостный датчик давления, содер-. ния поверхности соответственножащий корпус, установленную на дне глу-:мембранЪ 1, второй диэлектрическойхого отверстия корпуса первую пластины и прокладки;диэлектрическую пластину и расположен-Е 1, щ, Е 2,р 2 .,модуль упругости и коэфную с зазором к ней,"вторую дФлектриче.-. циент ПуаСсона соответственно маскую пластину с соответственно териала мембраны и второйзакрепленными на них напротив друг дру- диэлектрической пластины.га с межэлектродным зазором що подвиж 2. Способ изготовления емкостногоным круглым электродом толщиной по и датчика давления, заключающийся в форнеподвижным круглым электродом изме-, мировании электродов и соответствующихрительного конденсатора с соответствую- контактных площадок на первой и второйщими контактными площадками, а также диэлектрических пластинах, выполненииконцентрично им расположенными кольце жесткого центра в мембране и второй диэвыми электродами эталонногоконденсато- лектрической пластине, установке междура с соответствующими контактными, диэлектрическими пластинами в местахплощадками, при этом к второй-диэлектри; контактных площадок токоподводящих выческой пластине прижата мембрана толщи водов, установке на вторую диэпектриченой НО, закрепленная в глухом отверстии 20 скую пластину мембраны и еекорпуса, а в ней и втоРой диэлектрической закреплении, полировке диэлектрическихпластине соосно с мембРаной и круг"ым: пластин со стороны размещения электроэпектродом выполнены одна напротив дру . дов, отличающийся тем, что, с целью повыгой кольцевые проточки, причем мекду шения технологичности, до установкиконтактными площадками первой и второй 25 мембраны между ней и второй диэлектридиэлектрических пластин Расположены ческой пластиной устанавливают введенконтактирующие с ними токоподводящие .ную в датчик прокладку и формируют ввыводы; соединенные с гермопроходника- центральной части мембраны выпуклость .ми, выполненными в виде кабеля с метал- величиной О,Б,0)(Ь+Ь 1+Ь 2+Ьз), а за-лической оболочкой и закрепленными теРтем прижимают мембрану к второй диэлекметично в дополнительных отверстиях трической пластине усилиями,корпуса, отличающийся тем, что с целью приложенными в местах контактированияулучшения динамических характеристик токоподводящих выводов с контактнымиповышения технологичности и надежно- площадками, величиной, удовлетворяющейсти, в него введена прокладка, котораяЗ 5 соотношениюрасположена соосно с мембраной и круглым электродом измерительного конденса- р 015 Е " Ь 1 Ь 2 Ь Н 1+2тора между мембраной и второй Р 1диэлектрической пластиной, при этом мем- +3 ат;брана и вторая диэлектрическая пластина403 1 2) с 2 1 пгсв месте установки прокладки выгнуты в р -сторону неподвижного круглого электродаизмерительного конденсатора, причем толщина прокладки й, толщина токоподводя- гощих выводов А и толщина второй где й - радиус мембраны;-45диэлектрической пластины Н удовлетворя- го - радиус жесткого центра мембраны;ют соотношениям 5 - площадь соприкосновения токоподМ 0,1 оО+Ь 1+Ь 2+Ьз, водящего вывода с контактной плоА вО+0,5 Ь+ЙО, 60Н=НО Е 1(1-,и )Ег(1-Р ) ,3 От - предел текучести материала токоподводящего вывода,,4-,4 Риг. У ставитель Е.Белозуб хред М.Моргентал Ку Корре Реда кторМ,Стрельникова Тираж Подписно НПО "Поиск"Росоатента3035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 аказ 3 венно-издательский комбинат Патент", г, Ужгород, ул. Гагарина, 10 Про