Емкостный датчик давления и способ его изготовления

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 51)5 6 01 1 9/12 ЯМ ЗО ОПИСА ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЬПРИ ГКНТ СССР ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ 1(71) Научно-исследовательский институт физических измерений(54) ЕМКОСТНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ ИСПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ(57) Изобретение относится к измеритель, ной технике, а именно к емкостным датчикам давления и способам их изготовления,Целью изобретения является повышение надежности датчика. В корпусе 1 установлено опорное кольцо с мембраной 2 с электродами 4, имеющими контактные площадки. Пластина 6 закреплена на опорном кольце с зазором, причем на ней на диэлектрике 7 выполнены ответные электроды 8 с контактными площадками. Выводные проводники 11 размещены между контактными площадками электродов и изолированными контактными площадками. Электроды и контактные площадки выполнены из двухслойной композиции, что позволяет при прижиме пластины к упругому пальцу через контактные площадки и выводные проводники получить качественное соединение. 4 ил.5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 апазона температур,Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в датчиках для измерения статикодинамического давления в широком диапазоне температур.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 данного датчика 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 емкостных датчиков давления, при высоких температурах происходит диффузия материалов электродов в диэлектрик, что приводит к уменьшению сопротивления диэлектрика и ухудшению характеристик датчика. Применение пленок и выводных проводников иэ сравнительно тугоплавких материалов не меняет положения, так как в 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. Кроме того, недостаточная технологичность и надежность известных емкостных датчиков давления объясняется отслоением металлических пленок от диэлектрика вследствие взаимодействия значительных внутренних термомеханических напряжений, возникающих в металлических электродах при их напылении, и напряжений, возникающих в результате воздействия широкого диапаэона температур иэ-за различия температурных коэффициентов линейного расширения (ТКЛР) металлической пленки и диэлектрика.Технологичность известной конструкции также недостаточна вследствие необходимости длительного процесса напыления для обеспечения нужной толщины электродов,Известен способ изготовления емкостногодатчика, заключающийся в формировании на упругом элементе и пластине тонкопленочных металлических электродов с контактными площадками. размещении ВыВОдных проВодникоВ нд контактных площадках, жестком закреплении пластины на упругом элементе, вакуумировании и герметизации межэлектродного объема,Недостатком такого способа является невозможность изготовления емкостных датчиков с требуемыми технологичностью и надежностью.Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является емкостный датчик давления, содержащий корпус, в котором установлено опорное кольцо, заподлицо с внутренним торцом которого размещена мембрана с центральным электродом, на внутреннем торце кольца размещен кольцевой электрод, а напротив внутреннего торца и мембраны размещена пластина с ответными электродами, при этом электроды снабжены контактными площадками с ответными изолированными проводящими площадками, размещенными соответственно на внутреннем торце кольца и пластины, и между которыми зажаты выводные проводники, причем электроды и площадки снабжены диэлектрической подложкой,Недостатки известной конструкции - сравнительно невысокая технологичность и надежность, связанные со случаями отслоений металлических пленок от диэлектрика вследствие взаимодействия значительных внутренних термомеханических напряжений, возникающих в металлических электродах при их напылении, и напряжений, возникающих в результате воздействия широкого диапазона температур из-за различия ТКЛР металлической пленки и диэлектрика. Технологичность известной конструкции недостаточна также вследствие необходимости длительного времени напыления электродов для обеспечения требуемой толщины электродов. Длительное время напыления приводит не только к увеличению технологического цикла и к появлению неравномерности распределения термомеханических напряжений, но и к формированию на поверхности электродов локальных неоднородностей в виде выпуклостей или "набросав". Вследствие значительной величины "набросов", которые могут существенно превышать толщину электродов, происходит дополнительное снижение надежности, связанное с появлением локальных неоднородностей электрических и механических напряжений в зоне "набросав", которые в силу очень малых величин межэлектродных зазоров приводят к дополнительным отказам датчиков особенно в условиях воздействия широкого диНаиболее близким по техническойсущности к предлагаемому способу является способ изготовления емкостного датчика давления, при котором формируют на опорном кольце с мембраной и пластине на диэлектрической подложке электроды с контактными и изолированными проводящими площадками, размещают между пла стиной и кольцом по площадкам выводныепроводники, зажимают их, прижимая и закрепляя пластину на опорном основании, устанавливают корпус, вакуумируют, нагревают до максимальной рабочей температуры и герметизируют полость датчика;Недостатком известного способа является невозможность изготовления емкостных датчиков с требуемыми и технологичностью и надежностью.Цель изобретения - увеличение технологичности и повышение надежности за счет устранения отслоений металлических пленок от диэлектрика вследствие уменьшения внутренних термомеханических напряжений, возникающих в металлических электродах при их напылении, за счет сокращения времени напыления электродов вследствие уменьшения их толщины, за счет устранения "набросов".Нг фиг, 1 изображен предлагаемый емкостный датчик давления; на фиг. 2 - разрез.А-А и Б-Б на фиг, 1; на фиг. 3 - поперечные разрезы соединения выводных проводников с контактными площадками, узелна"фиг, 1; на фиг, 4 - различные этапы деформации выводных проводников при изготовлении.Соотношения между размерами межэлектродного зазора, толщины электродов и размерами других элементов конструкции для наглядности изменены.Емкостный датчик давления содержитвакуумированный корпус 1, в котором установлено опорное кольцо, заподлицо с внутренним торцом которого размещена мембрана 2, на диэлектрике 3 которой выполнены электроды 4 и их контактные площадки 5. Пластина 6 закреплена на упругом элементе с зазором. На диэлектрике 7 пластины выполнены ответные электроды 8 и соединенные с ними контактные площадки 9. Изолированные контактные площадки 10 расположены зеркально симметрично контактным площадкам. Выводные проводники 11 толщиной, примерно равной величине межзлектродного зазора, размещены между контактными площадками электродов и изолированными контактными площадками, Выводные проводники соединены с гермоконтактами 12 корпуса. Электроды иконтактные площадки выполнены в ви.де двухслойной композиции эпектропроводящего слоя 13 и расположенного межд1 ждуним и диэлектриком 3 адгезионного слоя 5 14, выполненного из материала более тугоплавкого и с большим пределом текучести при максимально допустимой рабочей температуре датчика по сравнению с эпектропроводящим слоем. Толщина зпек О тропроводящего слоя электродов и контактных площадок выполнена в соответствии с соотношением: при йя = 0,1 мкм. Вь = 0,1 мкм, Нэ - 0,1+ 0,1 =-0,2 мкм.Электропроводящий слой электродов и 15 контактных площадок выполнен в видепленки никеля (температура плавления рав.на 1453 С, иэ = 6 МПа). Адгезионный слой выполнен в виде пленки молибдена (температура плавления равна 2610 С, сто = 330 МПа) 20 толщиной 0,04 мкм. Размеры контактныхплощадок 0,25 х 0,26 мм (5 = 0,0625 мм-), Упругий элемент и пластина выполнены из сплава Н 65 М 20 В 15. Выводные проводники также выполнены из сплава Н 65 М 20215, 25 их толщина 30 мкм. При оЪэ= 6 10 Па,3 ь = 30 10 м, К = 0,5, Нэ = 0,2 10м, Еь = =2 10 Па, Еэ=1 10 Па; Е =1 10" Па, Ня = 3 10 м получаем Г =128 Н. Усилие приложенное к центру пластины при числе 30 контактных площадок, равном 3,384 Н или38,4 кг 35 40 45 50 55 Способ реализуется следующим образом,. Формируют на упругом элементе и на пластине диэлектрические слои, Формируют на диэлектрике упругого элемента и пластины тонкопленочные металлические электроды с контактными площадками. Помещают выводные проводники между упругим элементом и пластиной, размещая их на контактных площадках таким образом, чтобы они одной поверхностью касались контактной площадки, а другой - электрически изолированной контактной площадки. Прижимают пластину к упругому элементу усилием, приложенным к центру пластины, Жестко закрепляют пластину на упругом элементе, например при помощи сварки. Причем зоны закрепления выполняют на одинаковом расстоянии от выводных проводников. Прекращают воздействие усилия. Помещают упругий элемент и пластину в корпус, приваривают выводной проводник к гермоконтакту. Помещают датчик в установку электронно-лучевой сварки ОЗЛЭВ-1. создают в камере вакуум 10 Па. Нагревают его до максимально допустимой рабочей температуры 800 ОС. Нагрев датчи55 ка в вакууме приводит к испарению окислов, нитридсв и гидридов с внутренней поверхности датчика и, что особенно важно, с поверхности электродов и выводных проводников, Одновременно с процессами обезгаживания, удаления окислов, нитридов и гидридов происходит процесс взаимной диффузии материалов контактной площадки и выводных проводников под воздействием усилия, температуры и вакуума, т,е. происходит процесс диффузионной сварки в вакууме выводных проводников и контактных площадок, При этом вследствие выполнения адгезионного слоя из материала с большим пределом текучести при максимальной рабочей температуре, по сравнению с электропроводящим слоем, в основном происходит пластическая деформация электрспроводящего слоя, материал которого заполняет неровности поверхности выводных проводников, соприкасающихся с злектропроводящим слоем, как изображено на фиг. 3. Герметизируют датчик, заваривая герметизирующее отверстие.В связи с выполнением электродов и контактных площадок в виде двухслойной композиции электропроводящего и расположенного между ним диэлектриком адгезионного слоя, выполненного из более тугоплавкого материала, по сравнению с электропрсводящим слоем, диффузия материалов выводных проводников и электропрсводящего слоя в диэлектрик не происходит, так как адгезионный слой в силу своей большей температуры плавления выполняет роль барьерного слоя. препятствующего диффузии.Выполнение толщины электропроводяшего слоя электродов и контактных площадок, равной сумме наибольших высот неровностей поверхности диэлектрика и поверхности выводных проводников, позволяет обеспечить гарантированное максимальное значение площади соприкосновения выводных проводников и контактных площадок, а также обеспечить малую величину толщины электропроводящего слоя, необходимую для минимизации термомеханических напряжений.На фиг.З обозначены наибольшие высоты неравностей.Если толщина электропроводящего слоя меньше суммы наибольших высот неровностей поверхности диэлектрика и поверхности выводных проводников, то в этом случае не все неровности выводных проводников будут заполнены материало.л злектрспроводящего слоя и площадь поверхности контактирования выводных 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 проводников с контактными площадкамибудет меньше необходимой за счет образо-,вания внутренних полостей 15, а следовательно, будет низка и надежность соединения выводных проводников и контактных площадок см. фиг, Зб).Если же толщина электропроводящего слоя будет больше суммы наибольших высот неровностей поверхности диэлектрика и поверхности выводных проводников, то неоправданно увеличится толщина электро- проводящего слоя, а следовательно, и термомеханические напряжения в нем, что также приведет к понижению надежности работы датчика. Кроме того, увеличение толщины электропрсводящего слоя требует увеличения технологического времени, что ухудшает технологичность. В случае равенства толщины электропроводящего слоя сумме наибольших высот неровностей поверхности диэлектрика и поверхности выводных проводников, обеспечивается гарантированное максимальное значение поверхности контактирования выводных проводников и контактных площадок в сочетании с приемлемым значением внутренних термомеханических напряжений злектропроводящей пленки (см. фиг. Зв).На фиг. 4 схематично приведены различныее состояния выводных проводников. В начальный момент (фиг. 4 а) выводной проводник располагают между контактными площадками упругого элемента и пластины. Под воздействием усилия Р выводной проводник, электропроводящие и диэлектрические слои деформируются (фиг, 4 б) в области упругой деформации. В связи с принципиально малой толщиной адгезионного слоя, по сравнению с толщиной выводов, его деформациями можно пренебречь. После снятия усилия и нагревания датчика до максимально допустимой рабочей темпера.уры выводной проводник и диэлектрические слои стремятся достичь первоначального состояния и деформируют электропроводящие слои контактных площадок упругого элемента и пластины, Величина усилия, необходимая для пластической деформации электропроводящего слоя одного выводного проводника, при максимально допустимой рабочей температуре будет равна Р 2= ЯОтэили в соответствии с законом ГукаЫг ввгГ 2=3 Ев - =Я Ев1 в 1 в где Еь - модуль упругости выводного проводника.+2 КЯ ЕВНэЯ Сгтэ ++ 2 ЕвНв + 2 ЕвНв, вЕэ -вЕд 10 1.в 2 = 1 в 1 - 2НэК -или в другом виде т-в 1 т-в 2 2НэК+. Г 1-3Ев Х Учитывая, что получим: 1 в. Величина усилия, необходимая для упругой деформации выводного проводника с запасом для последующей пластической деформации электропроводящего слоя, равна Ь 1.1 е-в т-в 2Е 1" ЯЕв - = ЯЕвв 1 вАнализируя фиг. 4 б и в и учитывая деформацию электропроводящего слоя, можно записать Е 1 Е 1Подставляя полученное выражение всоотношение для Г 1, получим 1 Е 1в - .в 2 + 2КНэ - 2Нэ -- 2 Нд8 Еэ 3 ЕХв Запишем полученное выражение в виде Е 1=Я Ев +Я Евх в - 1.в 2 т-в(2КНэ -2 Н,) - 2 Ндх тв тв 2ЯЕВ =Я сгтэ,1 в2КЯ Ев НэЕ 1=Я;Отэ+в Е 1 Е 1 2ЯЕвНэ, - 2 Нд - ЕвЯ Е Е 2 ЕвНэЕ 1 + 2 ЕвНд Е 1Е 1+.эЕэ После преобразования учитывая, что сила Е 1 есть искомая сила Е, получаем Я Отэ 1 в+2 К НэЕв ЕэЕд151.в ЕэЕд + 2 НэЕвЕд + 2 НдЕвЕэ Изобретение позволяет полностью исключить брак по отслоению металлических пленок от диэлектрика, что достигается за20 счет уменьшения толщины электродов и минимизации вследствие этого локальных внутренних термомеханических напряжений в пленке.Предлагаемое решение позволяет также практически полностью исключить техотход датчиков по причине наличия "набросов" на поверхности электродов изза длительного времени Напыления электродов. Возможность уменьшения толщины электродов позволяет также существенно, примерно в 4-5 раз, уменьшить время фсрмирования электродов, Если время фортирования электродов по известному решению составляло не менее 14 мкм, то5 время формирования электродов по предлагаемому решению не превышает 3 мкм.Таким образом, технико-экономическим преимуществом предлагаемых решений, по сравнению с прототипом, является повышение технологичности за счет устранения отслоений металлических пленок от диэлектрика, а вследствие уменьшения внутренних тертломеханических напряжений при их напылении за счет устранения5 "набросов" вследствие уменьшения толщины электродов и за счет сокращения технологического цикла вследствие уменьшения времени формирования электродов. Кроме того, повышается надежность за счет устранения отслоений металлических электродов от диэлектрика в процессе эксплуатации вследствие минимизации локальных термомеханических напряжений в пленке. за счет исключения отказов датчиков в процессе 55 эксплуатации по при.ине нали,я .набросов" на пленке вследствие исключения на.брасов", за счет устранения диФФузии материалов в диэлектрике вследствие вы.полнения адгезионного слоя из тугоплавкого материала и за счет повышения качестваконтактирования выводных проводников сконтактными площадками,Результатом повышения надежностиявляется значительное повышение ресурса 5при высоких температурах. Ресурс непрерывной работы при температуре 800 С емкостного датчика давления, выполненного всоответствии с прототипом, составляет 5мин. Ресурс непрерывной работы при температуре 800 С емкостного датчика давления, выполненного в соответствии сизобретением, составляет не менее 60 мин.Формула изобретения1. Емкостный датчик давления, содержащий корпус в виде стакана, в которомустановлено опорное кольцо, заподлицо свнутренним торцом которого размещенамембрана с центральным электродом, причем на внутреннем торце кольца размещен 20кольцевой электрод, а напротив внутреннего торца и мембраны размещена пластина сответными электродами, при этом электроды снабжены контактными площадками сответными изолированными проводящими 25площадками, размещенными соответственно на внутреннем торце кольца и пластине,и между которыми зажаты выводные проводники, причем электроды и площадкиснабжены диэлектрической подложкой, о т.л и ч а ю щ и й с я тем, что, с цельюповышения надежности и технологичности,в нем электроды и площадки выполнены ввиде двухслойной композиции электропроводящего слоя и адгезионного слоя, выполненного из материала более тугоплавкого ис большим пределом текучести. при максимальной рабочей температуре, чем материал электропроводящего слоя. толщина Нэкоторого выбрана из соотношения 40Нз=йд+ Кв,где йд - наибольшая высота неровностей поверхности диэлектрической подложки;Вв - наибольшая высота неровностей поверхности выводных проводников, обращенной к площадкам.2. Способ изготовления емкостного датчика давления, при котором формируют на опорном кольце с мембраной и пластине на диэлектрической подложке электроды с контактными и изолированными проводящими площадками, размещают между пластиной и кольцом по площадкам выводйые проводники, зажимают их, прижимая и закрепляя пластину на опорном кольце, устанавливают корпус, вакуумируют, нагревают до максимальной рабочей температуры и ерметизируют полость датчика, о т л и ч а- а щ и й с я тем, что, с целью повышения технологичности, пластину прижимают усилием г., величину которого для одного выводного проводника. определяют из соотношенияЯ Стз 1-в+2 К НзЕв ЕзЕд1-в ЕзЕд + 2 НзЕвЕд + 2 НдЕвЕзгде Я - контактная площадь выводного проводника и площадки;СЪэ - предел текучести материала электропроводящего слоя площадки при максимальной рабочей температуре;1-в, Нэ, Нд - толщины выводных проводников, электропроводящего слоя и диэлектрической подложки соответственно;К - коэффициент, учитывающий величину пластической деформации электропроводящего слоя;Ев, Еэ, Ед - модули упругости материалов соответственно выводных проводников, электропроводящего слоя и диэлектриче- СКОЙ ПОДЛОЖКИ.1727009 Х,5 0 Составитель Е.БелозубоТехред М.Моргентал Корректор Н.Ре М.Банду Ре Заказ 1273 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва. Ж, Раушская наб 4/5 роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 10