ЕМКОСТНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК G01L9/12 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к емкостным датчикам давления без приемной полости, предназначенным для использования в различных областях науки, техники и народного хозяйства.

Известен емкостный датчик давления, содержащий прогнутую мембрану и плоскую металлическую пластину. На мембране установлены два кольцеобразных электрода, первый является измерительным, второй - эталонным. Эталонная пластина, обращенная в сторону прогнутой поверхности мембраны, также содержит чувствительный элемент, выполненный в форме кольцеобразного электрода, который вместе с электродом мембраны образует емкостный датчик. Механическая распорка, установленная в центральной части пространства между мембраной и эталонной пластиной, поддерживает постоянное расстояние между ними, не препятствуя прогибу мембраны. Эталонная пластина закрывается крышкой, которая по периметру соединяется с мембраной. На крышке укреплен эталонный кольцеобразный электрод, положение которого соответствует эталонному кольцеобразному электроду на мембране. Эти два кольцеобразных электрода образуют эталонный емкостный датчик [1] .

Недостатком известной конструкции является невысокий уровень технологичности, объясняемый необходимостью использования для формирования электродов сложного и дорогого технологического оборудования, требующего специально оборудованных помещений, а также сложностью сборки.

Недостатком известного устройства является также сравнительно невысокая чувствительность, связанная с тем, что мембрана принципиально должна обладать достаточно большой жесткостью для исключения ее нежелательного прогиба под воздействием прикрепленной к мембране эталонной пластины. Недостатком известного устройства также являются ограниченные функциональные возможности, связанные с невозможностью измерения разрежения измеряемой среды, что объясняется угрозой замыкания электродов измерительного и эталонного конденсаторов при воздействии разрежения на мембрану датчика.

Известен способ изготовления емкостного датчика давления, заключающийся в формировании упругого элемента и пластины, нанесении на них электродов, присоединении пластины к упругому элементу через распорку, установленную в центре упругого элемента [1] .

Недостатком известного способа изготовления является невозможность изготовления датчиков с требуемыми технологичностью и чувствительностью и необходимыми функциональными возможностями.

Известен емкостный датчик давления, содержащий корпус, упругий элемент в виде мембраны с жестким центром и с установленной на поверхности упругого элемента, противолежащей его планарной стороне, диэлектрической подложкой, на которой сформированы электроды, соединенные с контактными площадками, контактирующими с выводными проводниками, закрепленную на упругом элементе с межэлектродным зазором пластину с установленной на ее торце второй диэлектрической подложкой, на которой сформированы ответные электроды, соединенные с контактными площадками, контактирующими с выводными проводниками [2] .

Недостатком известной конструкции является невысокий уровень технологичности, объясняемый необходимостью использования для напыления электродов сложного и дорогого оборудования. Кроме того, процесс напыления электродов относится к трудноуправляемым технологическим операциям с ограниченным выходом годных, что также снижает технологичность конструкции. Необходимость полирования диэлектрических подложек перед напылением электродов также снижает технологичность вследствие существенного повышения трудоемкости. Формирование жесткого центра в диэлектрической подложке упругого элемента также связано с определенными технологическими сложностями. Недостатком известной конструкции является также сравнительно небольшая чувствительность, объясняемая сравнительно большой жесткостью диэлектрической подложки упругого элемента.

Кроме того, сравнительно небольшая чувствительность известной конструкции связана с тем, что контактные площадки, расположенные в одной плоскости с электродами, требуют уменьшения площади электродов, что приводит к уменьшению чувствительности. Учитывая, что контактные площадки в известной конструкции расположены на радиусе, большем радиуса электродов, несмотря на сравнительно небольшую площадь самих контактных площадок, при неизменных поперечных размерах необходимо снижение площади электродов примерно в 2 раза для обеспечения расположения контактных площадок. Невысокая чувствительность известной конструкции связана также с невысокой помехоустойчивостью, вызванной принципиальным отсутствием экранирования между выводными проводниками в областях диэлектрической подложки пластины.

Недостатком известной конструкции являются также ограниченные функциональные возможности, связанные с невозможностью измерения разрежения. Это объясняется тем, что воздействие разрежения на мембрану упругого элемента не сопровождается адекватным перемещением подвижного электрода измерительного конденсатора, расположенного в центре диэлектрической подложки упругого элемента, вследствие отсутствия жесткой связи жестких центров диэлектрической подложки и упругого элемента.

Известен способ изготовления емкостного датчика давления, заключающийся в изготовлении упругого элемента и пластины, формировании электродов с контактными площадками на диэлектрических подложках упругого элемента и пластины и закреплении пластины на упругом элементе с межэлектродным зазором [2] .

Недостатком известного способа изготовления является то, что он не позволяет изготавливать датчики с необходимыми технологичностью и чувствительностью и функциональными возможностями.

Согласно изобретению в емкостном датчике давления, содержащем размещенные в корпусе упругий элемент в виде мембраны с жестким центром и с установленной на его непланарной стороне первой диэлектрической подложкой, на которой сформированы электроды, соединенные с контактными площадками, контактирующими с выводными проводниками, и расположенную с межэлектродным зазором пластину с установленной на ее торце второй диэлектрической подложкой, на которой сформированы ответные электроды, соединенные с контактными площадками, контактирующие с выводными проводниками, первая и вторая диэлектрические подложки выполнены в виде гибких фольгированных с одной стороны диэлектрических пленок, жестко закрепленных нефольгированными сторонами соответственно на упругом элементе и пластине, а контактные площадки электродов второй диэлектрической подложки размещены на участках подложки, закрепленных на торце пластины, противолежащем торцу с электродами, и на боковой поверхности выступа, выполненного в центральной части пластины, и разделены равномерно размещенными радиальными токопроводящими перегородками, выполненными за одно целое с пластиной и выступом, а анодные проводники выполнены в виде экранированных проводников, экраны которых электрически и механически соединены с выступом и корпусом.

Кроме того, согласно изобретению в способе изготовления емкостного датчика давления, заключающемся в изготовлении упругого элемента, формировании электродов с контактными площадками на диэлектрических подложках упругого элемента и пластины, электроды с контактными площадками формируют на фольгированной стороне гибкой диэлектрической пленки, разделяют ее на отдельные площади с электродами и контактными площадками, наносят на соприкасающиеся поверхности подложек, упругого элемента и пластины клеящий материал, поджимают подложки к упругому элементу и пластине, причем прижатие в областях размещения электродов осуществляют технологическими пластинами с плоскими полированными поверхностями до окончания процесса полимеризации клеящего материала, закрепляют пластину на упругом элементе с межэлектродным зазором, закрепляют экраны выводных экранированных проводников на выполненном в пластине выступе, соединяют выводные проводники с контактными площадками электродов, а экраны выводных проводников - с корпусом датчика.

Использование в качестве диэлектрических подложек упругого элемента и пластины гибких диэлектрических пленок повышает чувствительность вследствие существенно меньшей жесткости гибкой пленки по сравнению с монолитным диэлектриком в прототипе. Кроме того, применение гибких диэлектрических пленок позволяет размещение контактных площадок вне плоскости размещения электродов, а именно на противолежащей поверхности пластины и на боковой поверхности выступа, что дополнительно повышает чувствительность и повышает технологичность вследствие лучшего контактирования выводных проводников с контактными площадками. Применение гибких пленок исключает формирование жесткого центра в диэлектрической подложке, что также повышает технологичность. Применение фольгированных пленок повышает технологичность, так как избавляет от необходимости использования сложного и дорогого оборудования, необходимого для осуществления процесса напыления электродов в прототипе.

Жесткое закрепление нефольгированными сторонами на упругом элементе и пластине диэлектрических пленок расширяет функциональные возможности вследствие возможности измерения разрежения и повышает технологичность вследствие исключения необходимости полировки диэлектрических подложек. Контактные площадки электродов размещены на подложках, закрепленных на торце пластины, противолежащем торцу с электродами, и на боковой поверхности выступа, выполненного в центре пластины для увеличения чувствительности вследствие возможности увеличения площади электродов при одних и тех же поперечных размерах, которые, как известно являются определяющими для присоединительных размеров датчиков давления. Кроме того, такое расположение контактных площадок повышает технологичность вследствие улучшения контактирования выводных проводников с контактными площадками и уменьшает поперечные размеры датчика.

Контактные площадки разделены равномерно размещенными радиальными токопроводящими перегородками, выполненными за одно целое с пластиной и выступом, что повышает чувствительность вследствие увеличения помехоустойчивости за счет экранирования от взаимного влияния выводных проводников друг на друга. Кроме того, такое выполнение перегородок повышает технологичность вследствие исключения необходимости изготовления отдельных экранов. Выполнение выводных проводников в виде экранированных проводников, экраны которых электрически соединены с выступом пластины, также повышает помехоустойчивость, а следовательно, и чувствительность. Механическое закрепление экранов проводников повышает технологичность вследствие минимизации требований к прочности соединения диэлектрической подложки с пластиной и прочности соединения выводных проводников с контактными площадками. Электрическое соединение экранов с корпусом повышает чувствительность вследствие уменьшения влияния помех за счет экранирования внутренних цепей датчика от внешних электрических полей. Механическое соединение экранов выводных проводников с корпусом датчика повышает чувствительность вследствие исключения наружного влияния усилий, воздействующих на выводные проводники в процессе эксплуатации, на пластину и устранения вследствие этого паразитной модуляции выходного сигнала. Для этого же служит разнесение в пространстве места закрепления экранов к корпусу и к выступу пластины. Формирование электродов с контактными площадками на фольгированной стороне гибкой диэлектрической пленки повышает технологичность за счет исключения необходимости применения сложного и дорогого оборудования и повышает чувствительность вследствие возможности увеличения площади электродов за счет возможности размещения контактных площадок вне плоскости электродов. Кроме того, формирование электродов на фольгированной пленке и последующее ее разделение на отдельные подложки повышает технологичность вследствие возможности групповой технологии формирования электродов. Нанесение на соприкасающиеся поверхности подложек, упругого элемента и пластины клеящего материала, прижатие подложек к упругому элементу и пластине в областях размещения электродов с помощью технологических пластин с плоскими полированными поверхностями до окончания процесса полимеризации клеящего материала повышает технологичность за счет исключения необходимости полирования каждой диэлектрической подложки. Выдержка до окончания процесса полимеризации необходима для полного завершения процесса формирования гладкой поверхности электродов. В случае, если воздействие усилия прекратится до полной полимеризации клеящего материала, в процессе завершения полимеризации могут появиться искажения формы поверхности электродов, что приведет к ухудшению чувствительности. Выдержка после окончания процесса полимеризации нецелесообразна вследствие неоправданного увеличения технологического времени. Временная последовательность выполнения операций: закрепление экранов выводных проводников на выступе пластины и соединение выводных проводников с контактными площадками электродов, а экранов проводников - с корпусом датчика обеспечивает необходимую технологичность, так как в случае предварительного соединения выводных проводников с контактными площадками усилия, возникающие в выводных проводниках при их дальнейшей сборке, могут повлечь к отрыву контактных площадок от диэлектрической основы, т. е. к снижению технологичности.

На фиг. 1 изображен предлагаемый емкостный датчик давления; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 - разрез В-В на фиг. 1.

Соотношения между размерами межэлектродного зазора, толщин электродов, толщин диэлектрических подложек и размерами других элементов конструкции для наглядности изменены.

Емкостный датчик давления содержит корпус 1, упругий элемент 2 в виде мембраны 3 с жестким центром 4 и с установленной на поверхности упругого элемента, противолежащей его планарной стороне, диэлектрической подложкой 5, на которой сформированы электроды 6, соединенные с контактными площадками 7, контактирующими с выводными проводниками 8. На упругом элементе закреплена, например, при помощи лазерной сварки, с межэлектродным зазором пластина 9 с установленной на ее торце второй диэлектрической подложкой 10, на которой сформированы ответные электроды 11, соединенные с контактными площадками 12, контактирующими с выводными проводниками 8. Диэлектрические подложки упругого элемента и пластины выполнены в виде гибких фольгированных диэлектрических пленок, жестко закрепленных, например, при помощи клеящего материала, нефольгированными сторонами на упругом элементе и пластине. Контактные площадки электродов размещены на подложках, закрепленных на торце пластины, противолежащем торцу с электродами, и на боковой поверхности выступа 13, выполненного в центральной части пластины, и разделены равномерно размещенными радиальными токопроводящими перегородками 14, выполненными за одно целое с пластиной и выступом, а выводные проводники выполнены в виде экранированных проводников, экраны 15 которых электрически и механически соединены с выступом и корпусом. Экраны соединяются с выступом при помощи бандажа и последующей пайки припоем. Соединение экранов с корпусом также осуществляется при помощи пайки припоем 16. Для предотвращения попадания припоя внутрь датчика используется прокладка из упругого материала, например, из кремнийорганической резины или политетрафторэтилена, армированного металлом. Прокладка поджимается разрезной гайкой 18. Одновременно припой 16, упругая прокладка 17, гайка 18 обеспечивают необходимую герметизацию внутренней полости датчика. Диэлектрические подложки выполнены из полиамидной пленки ФН толщиной 20 мкм, фольгированной никелевой фольгой толщиной 10 мкм. Величина межэлектродного зазора - 40 мкм. В качестве экранированных выводных проводников использован провод АВКТ-4.

Способ реализуется следующим образом. Изготавливают при помощи известных методов механической обработки упругий элемент и пластину. На фольгированной пленке методом фотолитографии формируют электроды с контактными площадками как для упругого элемента, так и для пластины, причем для повышения технологичности и экономии материала целесообразно применять групповой способ формирования электродов с контактными площадками, т. е. когда на одной подложке формируется одновременно большое количество электродов с контактными площадками. Разделяют пленку на отдельные подложки с электродами и контактными площадками. Разделение в простейшем случае осуществляется специальными ножницами или штампами, а при изготовлении больших партий - при помощи автоматической резки, например, лазерным лучом. Наносят на соприкасающиеся поверхности подложек, упругого элемента и пластины клеящий материал, например, клей ВС-350. Толщина клеящего материала зависит, в частности, от неровностей упругого элемента и пластины и от отклонения формы и расположения жесткого центра от плоскости непланарной стороны упругого элемента. Прижимают подложки к упругому элементу и пластине. Прижатие к торцам упругого элемента и пластины со стороны размещения электродов осуществляется при помощи технологических пластин с плоскими полированными поверхностями до окончания процесса полимеризации клеящего материала. Для ускорения процесса полимеризации и повышения пластичности клеящего материала для более качественного заполнения неровностей полимеризацию проводят при температуре +250-270^оС в течение 1-1,5 ч. Усилие прижатия 2-4 кг/см². При этом клеящий материал заполняет неровности и шероховатости упругого элемента и пластины, а поверхность электродов упругого элемента и пластины будет повторять поверхность технологических пластин. Нанесение клеящего материала и прижатие подложки с контактными площадками 7 электродов упругого элемента к пластине целесообразно проводить после присоединения пластины к упругому элементу. Присоединение пластины проводится при помощи, например, лазерной сварки. После присоединения пластины подложки с контактными площадками 7 электродов упругого элемента переворачивают таким образом, чтобы они касались пластины только нефольгированной стороной (см. фиг. 2-4). Для обеспечения касания пластины подложкой с контактными площадками упругого элемента только фольгированной стороной возможно и другое расположение этой подложки, например петлеобразное. Закрепляют экраны выводных проводников на выступе пластины при помощи проволочного бандажа (на фиг. 1-4 не показано) с последующей пайкой. Соединяют выводные проводники с контактными площадками электродов при помощи пайки. Уплотняют промежуток между экранами и отверстием корпуса за счет смятия упругой прокладки при помощи разрезной гайки. Присоединяют экран проводов к корпусу датчика при помощи припоя.

Емкостный датчик давления работает следующим образом. Под воздействием измеряемого давления мембрана упругого элемента, а следовательно, и жесткий центр 4 и диэлектрическая подложка 5, закрепленная на упругом элементе 2, прогибаются в сторону пластины 9. Вследствие этого подвижный электрод 6 измерительного конденсатора, размещенный в центре мембраны, также переместится к неподвижному электроду 11 измерительного конденсатора, размещенного в центральной части пластины. Поэтому емкость измерительного конденсатора увеличивается. Емкость эталонного конденсатора, образованного электродами, размещенными на периферии упругого элемента и пластины, не зависит от измеряемого давления вследствие большой жесткости опорного основания по сравнению с мембраной. Значения емкостей измерительного и эталонного конденсаторов через контактные площадки 12 и выводные проводники 8 передаются на нормирующее устройство (на фиг. 1-4 не показано), которое формирует выходной сигнал, зависящий от отношения измерительной и эталонной емкостей. При измерении разрежения вследствие жесткой сварки жесткого центра упругого элемента и центральной части диэлектрической подложки упругого элемента подвижный электрод измерительного конденсатора отслеживает перемещение жесткого центра мембраны под действием разрежения. При этом подвижный электрод измерительного конденсатора удаляется от неподвижного, а следовательно, емкость измерительного конденсатора при измерении разрежения уменьшается. Дальнейшее преобразование осуществляется аналогично случаю измерения давления.

Преимуществом заявляемого решения является увеличение более чем на порядок чувствительности за счет уменьшения жесткости диэлектрической подложки упругого элемента, за счет возможности увеличения площади электродов вследствие размещения контактных площадок вне плоскости электродов, за счет повышения помехоустойчивости вследствие полного экранирования выводных проводников. Другим преимуществом заявляемой конструкции и способа изготовления является повышение технологичности за счет исключения необходимости использования дорогого и сложного оборудования для полировки диэлектрических подложек и напыления электродов, исключения необходимости формирования жесткого центра диэлектрической подложки упругого элемента и за счет заявляемой последовательности выполнения технологических операций. Повышение технологичности приводит к существенному уменьшению трудозатрат, необходимых для изготовления датчика, а следовательно, и стоимости датчика, что позволяет широко использовать эти датчики в тех отраслях народного хозяйства, где этот фактор является определяющим. Преимуществом заявляемых решений является также расширение функциональных возможностей за счет возможности измерения разрежения вследствие жесткой связи жесткого центра упругого элемента с его диэлектрической подложкой. (56) 1. Патент США N 4562742, кл. G 01 L 9/12, 1985.

2. Авторское свидетельство СССР N 1727008, кл. G 01 L 9/12, 1989.

Использование: датчик относится к измерительной технике и может быть использован для измерения давления различных сред. Цель: повышение технологичности, чувствительности и расширение области применения. Сущность изобретения: в емкостном датчике давления, содержащем корпус, упругий элемент в виде мембраны с жестким центром и с установленной на поверхности упругого элемента диэлектрической подложкой, на которой сформированы электроды, соединенные с контактными площадками, контактирующими с выводными проводниками, закрепленную на упругом элементе с межэлектродным зазором пластину с установленной на ее торце второй диэлектрической подложкой, на которой сформированы ответные электроды, соединенные с контактными площадками, контактирующими с выводными проводниками, диэлектрические подложки выполнены в виде гибких фольгированных диэлектрических пленок, жестко закрепленных нефольгированной стороной на упругом элементе и пластине, а контактные площадки электродов размещены на подложках, закрепленных на торце, противолежащем торцу с электродами, и на боковой поверхности выступа, выполненного в центральной части пластины, и разделены равномерно размещенными радиальными токопроводящими перегородками, выполненными за одно целое с пластиной и выступом, а выводные проводники выполнены в виде экранированных проводников, экраны которых электрически и механически соединены с выступом и корпусом. Способ изготовления заключается в том, что изготавливают упругий элемент и пластину, формируют электроды с контактными площадками на фольгированной стороне гибкой диэлектрической пленки, разделяют на отдельные подложки с электродами и контактными площадками, наносят на соприкасающиеся поверхности подложек упругого элемента и пластины клеящий материал, прижимают подложки к упругому элементу и пластине, причем прижатие в областях размещения электродов осуществляют технологическими пластинами с плоскими полированными поверхностями до окончания процесса полимеризации клеящего материала, закрепляют пластину на упругом элементе с зазором, закрепляют экраны выводных проводников на выступе пластины и соединяют выводные проводники с контактными площадками электродов, а экраны выводных проводников - с корпусом датчика. 2 с. п. ф - лы, 4 ил.

ЕМКОСТНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
1. Емкостный датчик давления, содеpжащий pазмещенные в коpпусе упpугий элемент в виде мембpаны с жестким центpом и с установленной на его непланаpной стоpоне пеpвой диэлектpической подложкой, на котоpой сфоpмиpованы электpоды, соединенные с контактными площадками, контактиpующими с выводными пpоводниками, и pасположенную с межэлектpодным зазоpом пластину с установленной на ее тоpце втоpой диэлектpической подложкой, на котоpой сфоpмиpованы ответные электpоды, соединенные с контактными площадками, контактиpующими с выводными пpоводниками, отличающийся тем, что, с целью повышения технологичности, чувствительности и pасшиpения области пpименения, пеpвая и втоpая диэлектpические подложки выполнены в виде гибких фольгиpованных с одной стоpоны диэлектpических пленок, жестко закpепленных нефольгиpованными стоpонами соответственно на упpугом элементе и пластине, а контактные площадки электpодов втоpой диэлектpической подложки pазмещены на участках подложки, закpепленных на тоpце пластины, пpотиволежащем тоpцу с электpодами, и на боковой повеpхности выступа, выполненного в центpальной части пластины, и pазделены pавномеpно pазмещенными pадиальными токопpоводящими пеpегоpодками, выполненными за одно целое с пластиной и выступом, а выводные пpоводники выполнены в виде экpаниpованных пpоводников, экpаны котоpых электpически и механически соединены с выступом и коpпусом.