ЕМКОСТНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G01L9/12 

Изобретения относятся к области измерительной техники и могут быть использовано в автоматизированных системах управления и контроля, а также в системах охранной сигнализации.

Известен тонкопленочный пироэлектрический датчик давления, основание которого выполнено из стекла, на поверхности стекла расположена металлизированная обкладка конденсатора, покрытая диэлектрической пленкой, обладающей пироэффектом, и ответная обкладка (Беляев С.В. и др. Регистрация акустической волны в газовой среде тонкопленочными пироэлектрическими датчиками, Акустический журнал, том XXX, N 4, 1984, с. 428-431).

В процессе изготовления датчика на стеклянную пластинку осаждают полиимидную подложку, на которую затем последовательно напыляют обкладки, слой чувствительного элемента (ЧЭ) из пироэлектрического материала и верхнюю обкладку.

Недостатками известных способа и устройства является низкая надежность ЧЭ из кристалла и контактов пайки, плохая адгезия со стеклом, ЧЭ и выводы не защищены от внешних электромагнитных помех, пироэлектрический слой может обеспечить надежную работу датчиков только при ±60^oC.

Наиболее близким к заявленному датчику является емкостный датчик давления, содержащий четыре слоя диэлектрической пленки, расположенные последовательно с образованием пакета. На поверхности второго слоя, обращенной к первому слою-основанию, сформирован основной экран, на противоположной поверхности второго слоя, обращенной к третьему слою, выполненному перфорированным, сформированы обкладка конденсатора и дополнительный экран, а на внешнюю поверхность четвертого слоя, являющегося мембраной, нанесен слой металлической фольги (Пленочные датчики давления и их применение. Перевод N E-32663, 1983, с. 9, рис. 4).

Датчик такой конструкции обеспечивает измерение давления на поверхности изделий авиационной техники.

Способ изготовления датчика давления заключается в соединении слоев диэлектрической пленки, один из которых является мембраной, в пакет клеем на эпоксидно-каучуковой основе при заданном режиме по температуре, давлению и времени выдержки.

Недостатками известных датчика давления и способа его изготовления являются гибкость конструкции, трудность подачи давления на ЧЭ датчика с размерами ЧЭ 4х6 мм и толщиной датчика 80-160 мм, что приводит к ложному срабатыванию системы контроля.

Технический результат, создаваемый изобретениями, состоит в повышении надежности датчика.

Указанный результат достигается тем, что в известном датчике давления четвертый слой диэлектрической пленки имеет выпуклую форму, а на поверхности второго слоя, между обкладкой конденсатора и дополнительным экраном, сформирована компенсационная емкость, при этом толщина третьего слоя составляет (0,01-100)δ, где d толщина мембраны, а размеры сторон основания выбраны из соотношений: l (0,13 37)d, где d диаметр обкладки конденсатора, L (0,145-8,85)l.

Для достижения указанного результата при осуществлении известного способа перед сборкой пакета формируют выпуклость мембраны путем прессования четвертого слоя пленки под давлением 1,5-2,0•10⁵ Па через резиновую пластинку, установленную на поверхности пленки.

На фиг. 1 а, б показана конструкция датчика давления; на фиг. 2 изображена в сборе заготовка мембраны в технологической оснастке.

Первый слой 1 основание датчика, выполненное из диэлектрической пленки (фиг. 1,а). Основной экран 2 расположен на нижней поверхности второго слоя 3 диэлектрической пленки, на верхней поверхности этого слоя сформированы обкладка 4 конденсатора, компенсационная емкость 5, дополнительный экран 6, отверстия 7 для крепления и отверстие 8 опорного давления. Третьим слоем является кольцо жесткости 9 (перфорированная пленка или лист), а четвертым - выпуклая мембрана из диэлектрической пленки 10, на поверхность которой нанесен слой металлической фольги 11.

Отверстие 8 обеспечивает связь с окружающей средой (с атмосферой), чтобы не образовалась воздушная прослойка за мембраной 10.

Экраны 2, 6 служат для защиты от внешних электромагнитных помех.

При нагружении датчика с выпуклой стороны мембраны высотой Dd (фиг. 1,а) она сжимается. Если выпуклость достаточно велика, то при некотором критическом давлении P_к мембрана теряет устойчивость и скачком изменяет свой прогиб. При дальнейшем увеличении давления прогиб мембраны будет снова нарастать плавно.

При разгрузке мембрана прогибается также скачком, но возвращается на начальный участок градуировочной характеристики при меньшем давлении, чем P_к.

Толщину слоя 9 (кольца жесткости), выполненного со сквозным отверстием, выбирают в пределах 20-1000 мкм, при этом толщина d мембраны с учетом толщины диэлектрической пленки 10 и металлической фольги 11 равняется d=10-2000 мкм. Диаметр d обкладки 4 конденсатора из металлической фольги выбирают в диапазоне 3-100 мм. Размер мембраны квадратной формы l=13-110 мм, при этом размер L основания датчика квадратной формы с обкладкой составляет L=16-115 мм. Длина b контактных выводов равняется b=3-5 мм (фиг. 1,б).

Толщина t перфорированного слоя 9 составляет t=20-1000 мкм. t/δ=0,01-100; l/d=0,13-37; L/l=0,145-8,85.

Выпуклость на поверхности мембраны выполняют путем прессования материала заготовки 13 через резиновую пластинку 14, расположенную между пуансоном 12 и матрицей 15 (фиг. 2). Резиновая пластинка предохраняет от механического повреждения мембрану по периферии окружности матрицы и пуансона.

После формирования выпуклой мембраны собирают пакет из слоев диэлектрической пленки (фиг. 1, а). Сформированный пакет выдерживают под давлением (3,0-3,5)•10⁵ Па/см² при температуре 160-170^oC в течение 50-60 мин. Слои пленки скрепляют между собой клеем на эпоксидно-каучуковой основе. Собранный пакет охлаждают до температуры 50-60^oC, разбирают и нарезают датчики поштучно.

В процессе измерения под действием давления изменяется расстояние между обкладкой 4 и выпуклой мембраной 10, что вызывает изменение емкости. Сигнал снимается с вывода "a" обкладки 4 относительно мембраны с металлизацией 11.

Сущность изобретений: датчик давления содержит четыре слоя диэлектрической пленки (1, 3, 9, 10), собранных в пакет. Перфорированный слой 9 является кольцом жесткости. Слой 10 имеет выпуклую форму и представляет собой мембрану, на которую нанесен слой металлической фольги 11. Основной 2 и дополнительный 3 экраны служат для защиты от внешних электромагнитных помех. На поверхности слоя 3 сформирована обкладка 4 конденсатора. Выбранные соотношения размеров элементов датчика обеспечивают его высокую надежность. В процессе изготовления слои диэлектрической пленки склеивают при заданном режиме по температуре, давлению и времени выдержки. Перед сборкой пакета формируют выпуклость мембраны путем прессования слоя пленки 10 под определенным давлением. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

1. Емкостный датчик давления, содержащий четыре слоя диэлектрической пленки, расположенные последовательно с образованием пакета, при этом на поверхности второго слоя, обращенной к первому слою-основанию, сформирован основной экран, на противоположной поверхности второго слоя, обращенной к третьему слою, выполненному со сквозным отверстием, сформированы обкладка конденсатора и дополнительный экран, а на внешнюю поверхность четвертого слоя, являющегося мембраной, нанесен слой металлической фольги, отличающийся тем, что четвертый слой диэлектрической пленки имеет выпуклую форму, а на поверхности второго слоя между обкладкой конденсатора и дополнительным экраном сформирована компенсационная емкость, при этом толщина третьего слоя составляет (0,01 - 100,0)δ, где δ толщина мембраны, а размеры сторон основания выбраны из соотношения
l (0,13 37,0)d,
где d диаметр обкладки конденсатора;
L (0,145 8,85)l. 2. Способ изготовления емкостного датчика давления, заключающийся в соединении четырех слоев диэлектрической пленки, один из которых является мембраной, в пакет клеем на эпоксидно-каучуковой основе при заданном режиме по температуре, давлению и времени выдержки, отличающийся тем, что перед сборкой пакета формируют выпуклость мембраны путем прессования четвертого слоя пленки под давлением (1,5 2,0)• 10⁵ Па через резиновую пластинку, установленную на поверхности пленки.