ЕМКОСТНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК G01L9/12 

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

Известен емкостный датчик давления, содержащий корпус, упругий элемент с жестким центром, выполненный за одно целое с опорным основанием, на котором жестко закреплена пластина с зазором относительно поверхности упругого элемента, при этом на упругом элементе и пластине размещены электрически изолированные диэлектрической пленкой электроды, образующие рабочий и эталонный конденсаторы и выводные проводники, соединяющие электроды с внешней схемой, причем в электродах выполнены сквозные отверстия [1]
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. Необходимость полирования диэлектрических подложек перед напылением электродов также снижает технологичность вследствие существенного повышения трудоемкости. Недостатком известной конструкции является также невысокая надежность, связанная с возможным замыканием электродов в процессе эксплуатации.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой конструкции является емкостный датчик давления, содержащий упругий элемент в виде мембраны с утолщенной периферийной частью, установленную на мембране первую диэлектрическую подложку, на которой сформированы электроды, соединенные с контактными площадками, контактирующимии с первыми выводными проводниками, и расположенную с межэлектродным зазором пластину с установленной на ее торце второй диэлектрической подложкой, на которой сформированы ответные электроды, соединенные с соответствующими контактными площадками, контактирующими с вторыми выводными проводниками [2]
Недостатком известной конструкции является невысокая технологичность, связанная с замыканием электродов как между собой, так и на "корпус" в процессе изготовления. Кроме того, технологичность известной конструкции низка вследствие низкого выхода годных после операции закрепления пластины на упругом элементе за счет попадания брызг расплавленного металла упругого элемента в межэлектродный зазор. Технологичность известной конструкции недостаточна также в связи со сложностью выставления межэлектродного зазора, равномерно распределенного на всей поверхности мембраны, из-за неравномерной деформации мембраны вследствие неравномерности распределения геометрических размеров мембраны при изготовлении. Кроме того, технологичность известной конструкции низка вследствие отрыва выводных проводников от контактных площадок при изготовлении. Надежность известной конструкции также не удовлетворяет потребителя из-за возможного замыкания электродов вследствие неравномерной деформации мембраны при воздействии измеряемого давления. Надежность известной конструкции недостаточна также вследствие возможного прорыва мембраны при воздействии измеряемого давления выше предельно допустимого или при наличии неоднородностей в мембране. Кроме того, надежность известной конструкции снижена вследствие возможного отрыва выводных проводников вследствие воздействия значительных механических воздействий при эксплуатации.

В емкостном датчике давления, содержащем упругий элемент в виде мембраны с утолщенной периферийной частью, установленную на мембране первую диэлектрическую подложку, на которой сформированы электроды, соединенные с контактными площадками, контактирующими с первыми выводными проводниками, и расположенную с межэлектродным зазором пластину с установленной на ее торце второй диэлектрической подложкой, на которой сформированы ответные электроды, соединенные с соответствующими контактными площадками, контактирующими с вторыми выводными проводниками, первая и вторая диэлектрическая подложки выполнены в нем в виде гибких фольгированных с одной стороны диэлектрических пленок, при этом диэлектрическая пленка мембраны установлена на ней нефольгированной стороной, а диэлектрическая пленка пластины установлена на ней фольгированной стороной, пластина хотя бы частично со стороны размещения электродов выполнена из диэлектрического материала, а контактные площадки электродов размещены на боковой поверхности утолщенной периферийной части мембраны. При этом пластина закреплена на мембране при помощи связующего материала.

Кроме того, согласно предлагаемому изобретению пластина выполнена из связующего материала, а профиль пластины со стороны упругого элемента совпадает с конфигурацией мембраны при воздействии на нее максимально допустимого измеряемого давления, при этом концы первых и вторых выводных проводников в местах присоединения их к соответствующим площадкам залиты связующим материалом.

На фиг. 1 показана конструкция емкостного датчика давления по п.1; на фиг. 2 фрагмент датчика, поясняющий п.2 изобретения. Соотношения между размерами межэлектродного зазора, толщин электродов, толщин диэлектрических подложек и размерами других элементов для наглядности изменены.

Емкостный датчик давления содержит упругий элемент 1 в виде мембраны 2 с установленной на ней диэлектрической подложкой 3, на которой сформированы электроды 4, соединенные с контактными площадками 5, контактирующими с первыми выводными проводниками 6, и расположенными с межэлектродным зазором пластину 7 с установленной на ее торце второй диэлектрической подложкой 8, на которой сформированы ответные электроды 9, соединенные с контактными площадками 10, контактирующими с вторыми выводными проводниками 11. Диэлектрические подложки выполнены в виде гибких фольгированных с одной стороны диэлектрических пленок, и диэлектрическая пленка упругого элемента установлена на нем нефольгированной стороной. Пластина хотя бы частично со стороны размещения электродов выполнена из диэлектрического материала, диэлектрическая пленка 8 пластины установлена на ней фольгированной стороной и контактные площадки 5, 10 электродов размещены на боковой поверхности упругого элемента, а пластина закреплена на упругом элементе при помощи связующего материала 12. В соответствии с п.2 формулы пластина выполнена из связующего материала, а профиль пластины со стороны упругого элемента совпадает с конфигурацией мембраны при воздействии максимально допустимого измеряемого давления. Выводные проводники в области присоединения к контактным площадкам залиты связующим материалом.

Емкостный датчик давления работает следующим образом. Под воздействием измеряемого давления мембрана 2 упругого элемента 1, а следовательно, и диэлектрическая подложка 3, закрепленная на мембране упругого элемента, прогибается в сторону пластины 7. Вследствие этого подвижный электрод 4 измерительного конденсатора, размещенного в центре мембраны, также переместится к неподвижному электроду 9 измерительного конденсатора, размещенного в центральной части пластины, поэтому емкость измерительного конденсатора увеличивается. Емкость эталонного конденсатора, образованного электродами, размещенными по периферии упругого элемента и пластины, не зависит от измерительного давления вследствие большей жесткости опорного основания по сравнению с мембраной. Значение емкостей измерительного и эталонного конденсаторов через контактные площадки 5, 10 и выводные проводники 6, 11 передаются на нормирующее устройство (на фиг.1, 2 не показано), которое формирует выходной сигнал, зависящий от отношения измерительной и эталонной емкостей, а следовательно, и от измеряемого давления. В случае воздействия давления, превышающего предельно допустимое, мембрана 2 упирается в пластину 7. В связи с совпадением профиля пластины со стороны упругого элемента с конфигурацией мембраны при воздействии максимально допустимого измеряемого давления мембрана соприкасается с пластиной по всей поверхности, что исключает появление локальных перенапряжений в мембране, а следовательно, повышает надежность. Причем, в связи с расположением диэлектрической пленки пластины фольгированной стороной к пластине, замыкания электродов не происходит, что также повышает надежность.

Предлагаемая конструкция позволяет исключить замыкание электродов как при изготовлении, так и в процессе эксплуатации, что повышает технологичность и надежность, позволяет осуществить изготовление пластины в едином технологическом цикле с ее закреплением на упругом элементе и дополнительным креплением выводных проводников, что дополнительно повышает технологичность и надежность. Предлагаемый датчик давления выдерживает без прорыва мембраны и с последующим сохранением метрологических характеристик воздействие давления, равное 4-10 номинальным давлениям, в то время как известные конструкции выдерживают давление не более 1,5 номинального давления.

Использование: измерительная техника, в частности емкостные датчики, может быть использовано в различных областях науки, техники и народного хозяйства. Сущность изобретения: с целью повышения технологичности и надежности датчик давления содержит мембрану с утолщенной периферийной частью и диэлектрической подложкой, на которой сформированы электроды, соединенные с контактными площадками, контактирующими с первыми выводными проводниками, и расположенную с зазором пластину с второй диэлектрической подложкой, на которой сформированы ответные электроды, соединенные с соответствующими контактными площадками, контактирующими в вторыми выводными проводниками. Первая и вторая диэлектрические подложки выполнены в виде гибких фольгированных с одной стороны диэлектрических пленок, при этом диэлектрическая пленка мембраны установлена на ней нефольгированной стороной, а диэлектрическая пленка пластины установлена на ней фольгированной стороной, пластина хотя бы частично со стороны размещения электродов выполнена из диэлектрического материала, а контактные площадки электродов размещены на боковой поверхности мембраны, пластина закреплена на мембране при помощи связующего материала. Пластина может быть выполнена из связующего материала, а профиль пластины со стороны мембраны совпадает с конфигурацией мембраны при воздействии максимально допустимого измеряемого давления, при этом концы первых и вторых выводных проводников в местах присоединения к контактным площадкам залиты связующим материалом. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. ЕМКОСТНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ, содержащий упругий элемент в виде мембраны с утолщенной периферийной частью, установленную на мембране первую диэлектрическую подложку, на которой сформированы электроды, соединенные с контактными площадками, контактирующими с первыми выводными проводниками, и расположенную с межэлектродным зазором пластину с установленной на ее торце второй диэлектрической подложкой, на которой сформированы ответные электроды, соединенные с соответствующими контактными площадками, контактирующими с вторыми выводными проводниками, отличающийся тем, что в нем первая и вторая диэлектрические подложки выполнены в виде гибких фольгированных с одной стороны диэлектрических пленок, при этом диэлектрическая пленка мембраны установлена на ней нефольгированной стороной, а диэлектрическая пленка пластины фольгированной стороной, пластина хотя бы частично со стороны размещения электродов выполнена из диэлектрического материала, а контактные площадки электродов размещены на боковой поверхности утолщенной периферийной части мембраны, при этом пластина закреплена на мембране при помощи связующего материала. 2. Датчик давления по п. 1, отличающийся тем, что в качестве диэлектрического материала пластины использован связующий материал, а профиль пластины со стороны мембраны совпадает с конфигурацией мембраны при действии на нее максимального допустимого измеряемого давления, при этом концы первых и вторых выводных проводников в местах присоединения их к соответствующим площадкам залиты связующим материалом.