ЕМКОСТНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ И СПОСОБ ЕГО СБОРКИ Российский патент 1998 года по МПК G01L9/12 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля уровней давления, силы в автоматизированных системах управления и контроля в промышленности, охранной сигнализации объектов разного рода.

Емкостные пленочные датчики давления известны [1].

Известен емкостный матричный датчик высокого давления, позволяющий измерить давление без дренирования на поверхности изделия, предназначенный для использования в авиационной технике. Конструкция датчика разработана на базе четырех металлизированных и неметаллизированных пленок. На одной подложке диэлектрической пленки сформировано несколько чувствительных элементов (ЧЭ), между обкладками - перфорированная диэлектрическая пленка для повышения чувствительности датчика. ЧЭ защищен от внешних помех [2].

Такое решение в указанной конструкции обеспечивает измерение давления, силы и т.д. путем наклейки датчика на поверхности изделий.

Этот датчик обладает несколькими недостатками, затрудняющими его применение в народном хозяйстве. К ним относятся: высокая гибкость, трудность реализации подачи давления ЧЭ датчика с размерами ЧЭ 4х6 мм, толщиной датчика 180-160 мм, маленькие приращения емкости при воздействии давления, низкая надежность при работе длительное время и т.д.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является способ изготовления матричного емкостного датчика давления. Конструкция этого датчика разработана на базе четырех диэлектрических пленок. Из них одна пленка перфорированная и расположена между обкладками конденсаторов с целью повышения чувствительности датчика. На двух диэлектрических пленках сформированы обкладки конденсаторов с выводами и боковые экраны. На четвертой диэлектрической пленке сформирован основной экран для защиты от внешних электромагнитных помех.

В способе изготовления матричных емкостных датчиков давления путем склеивания формируют пакет металлизированных и неметаллизированных диэлектрических пленок. До формирования пакета между слоями этих пленок наносят клей толщиной 8-16 мкм, выдерживают при 60-70^oC в течение 6-10 мин, затем повышают температуру до 150-170^oC и выдерживают 15-20 мин. После этого формируют пакет путем сжатия под давлением 2-3 МПа при 150-170^oC в течение 120-160 мин и охлаждают до температуры окружающей среды [3].

Такое решение в указанной конструкции позволяет измерить в широком диапазоне пульсации и статическое давление. Однако такой датчик обладает некоторыми недостатками, затрудняющими его применение в системе контроля и управления в народном хозяйстве: датчик предназначен для измерения давления в потоке газа в авиационной технике, затруднено измерение давления, возникающего от воздействия твердых веществ от десятков миллиграммов для нескольких килограммов, конструкция датчика гибкая.

Задача изобретения - расширение области применения за счет использования емкости компенсации и оснащения верхней поверхности мембраны пленкой.

Технический результат достигается тем, что в емкостный датчик давления, содержащий первую диэлектрическую пленку, на верхней поверхности которой сформированы обкладка конденсатора с выводом и боковой экран, и расположенную над первой пленкой чувствительную к давлению мембрану, введены компенсационная обкладка, вторая диэлектрическая пленка, квадратная диэлектрическая пленка и кольцо из твердого диэлектрика, при этом первая диэлектрическая пленка является основанием датчика и металлизирована с двух сторон слоем фольги, толщина которого меньше толщины диэлектрической пленки в 5-14 раз, слой фольги на нижней поверхности первой диэлектрической пленки является основным экраном датчика, компенсационная обкладка сформирована на верхней поверхности первой диэлектрической пленки и расположена с зазором между обкладкой конденсатора и боковым экраном, мембрана выполнена из металлической фольги и на ее нижнюю поверхность нанесена вторая диэлектрическая пленка, а на верхнюю поверхность наклеена квадратная диэлектрическая пленка толщиной δ , определяемой из соотношения δ = (8·10¹²- 1,3)δ₁ где δ₁ - толщина мембраны с нанесенной на нее диэлектрической пленкой, при этом между первой диэлектрической пленкой и мембраной установлено кольцо из твердого диэлектрика, выполненное с углублением на нижней поверхности, высота δ₃ которого меньше высоты δ₂ кольца в 0,4-250 раз, а ширина a больше ширины c компенсационной обкладки в 0,6-2,2 раза, высота δ₂ кольца больше ширины δ₁ мембраны в 8-200 раз, внутренний диаметр D_в кольца выбирают из соотношения D_в=(0,88-1,07)•d, где d - диаметр обкладки конденсатора, который меньше внутреннего диаметра d_в компенсационной обкладки в 1,08-1,3 раза, а наружный диаметр d_н компенсационной обкладки составляет 0,96-1,0 диаметра квадратной диэлектрической пленки, при этом в основании датчика выполнено отверстие для выравнивания статического давления за мембраной.

В способе сборки емкостного датчика давления, содержащего основание из металлизированной диэлектрической пленки и расположенную над основанием мембрану, путем формирования из них пакета, выдержки пакета под давлением при повышенной температуре и последующего охлаждения, используют кольцо из твердого диэлектрика с механически обработанными торцевыми поверхностями, на обработанные поверхности кольца, верхнюю поверхность основания датчика и нижнюю поверхность мембраны наносят тонкий слой жидкого клея на эпоксидно-каучуковой основе, сушат при температуре 70-80^oC в течение 1-2 мин, затем основание, кольцо и мембрану склеивают между собой в пакет, на верхнюю поверхность мембраны таким же образом наклеивают диэлектрическую пленку, а затем весь сформированный пакет выдерживают под давлением в 30-35 кг/см² при температуре 160-170^oC в течение 50-60 мин, а потом охлаждают до температуры 50-60^oC.

На фиг. 1, 2 изображена конструкция датчика давления. Основание датчика выполнено из фольгированной диэлектрической пленки и содержит основной экран 1, диэлектрическую пленку 2, на верхней поверхности которой сформирована обкладка 3 конденсатора с выводом 4, компенсационная обкладка 5 с выводом 6 и боковой экран 7. В основании датчика выполнено отверстие 8 для выравнивания статического давления. Датчик содержит кольцо 9 из твердого диэлектрика и мембрану 10 из металлической фольги, на нижней поверхности которой нанесена диэлектрическая пленка 11, а на верхней поверхности наклеена квадратная диэлектрическая пленка 12. Основание, кольцо и мембрану скрепляют между собой пленкой клея 13. В датчике выполнены отверстия 14 для крепления датчика на объекте (фиг. 2).

Конструкция этого датчика предназначена для применения в автоматизированных системах контроля и управления. На поверхности диэлектрической пленки 2 обкладку 3, компенсационную обкладку 5, экран 7 и клеммники формируют способом фотолитографии. Кольцо 9 изготавливают из твердого диэлектрика. Диэлектрическая пленка 12 предназначена для защиты мембраны от внешних механических повреждений и обеспечивает равномерный прогиб мембраны при нагружении мембраны "грубыми" предметами разной конфигурации. Компенсационная обкладка 5 в конструкции датчика предназначена для компенсации внешних воздействий, т.е. влияния температуры, влажности, старения и т.д. при длительном режиме работы. Нижний основной экран 1 и боковой экран 7 защищают от влияния внешних электромагнитных помех обкладку 3 ЧЭ и компенсационную обкладку 5. Геометрические размеры датчика выбирают следующим образом:
- диаметр обкладки d меньше внутреннего диаметра компенсационной обкладки d_в в 1,08-1,3 раза, что получают из следующих отношений:

- наружный диаметр d_н компенсационной обкладки 5 больше или равен диаметру диэлектрической пленки 12 на верхней поверхности мембраны 10 из металлической фольги в 0,96-1,0 раза, что можно определить из соотношения:

где D - диаметр пленки 12, при этом диэлектрическая пленка 12 опирается на края кольца 9 жесткости через диэлектрическую и металлическую пленки 11, 10;
- внутренний диаметр D_в кольца 9 жесткости выбирают меньше диаметра d обкладки 3 ЧЭ в 0,88-1,07 раза из следующего соотношения:

- толщину δ диэлектрической пленки 12 на верхней поверхности мембраны и толщину δ₁ мембраны определяют из соотношения

- высоту δ₃ углубления на нижней поверхности кольца 9 жесткости выбирают меньше высоты δ₂ кольца 9 жесткости в 0,4-250 раз, как

ширину углубления a выбирают больше ширины c компенсационной обкладки (d_н-d_в) в 0,6-2,2 раза, как

Собранный пакет между собой (основание, кольцо и мембрану) скрепляют клеем на эпоксидно-каучуковой основе марки САФ. Клей марки САФ располагают на верхней поверхности основания, на кольце 9 и нижней поверхности мембраны. До сборки пакета поверхности деталей обезжиривают и сверлят отверстие 8. Отверстия 14 сверлят после сборки пакета. Сформированный пакет датчика размещают между двумя металлическими пластинами и подают давление 30-35 кг/см². Собранный пакет выдерживают при температуре 160-170^oC в течение 50-60 мин.

До наклейки диэлектрической пленки 12 на поверхности мембраны механически обрабатывают нижнюю поверхность пленки ручным или механизированным способом. Такая обработка повышает адгезионные способности между склеиваемыми поверхностями. С такой же целью механически обрабатывают обе поверхности нижнего кольца. Причем после обезжиривания поверхности диэлектрической пленки 12 наносят тонкий слой жидкого клея на эпоксидно-каучуковой основе, затем сушат при температуре 70-80^oC продолжительностью 1-2 мин.

Принцип работы датчика. При изменении давления на величину ΔP изменяется расстояние между обкладкой 3 и мембраной 10 из металлической фольги. Изменение этого расстояния приводит к изменению емкости на величину ΔC. По этому изменению судят о величине давления. Сигнал снимается между обкладкой 3 ЧЭ и металлической фольгой. Напряжение поляризации подается на мембрану 10 датчика.

ЦАГИ был проведен способ изготовления датчиков в лабораторных условиях. Для изготовления датчика были использованы материалы: стеклотекстолит толщиной 0,8 мм; клеющая пленка марки САФ; одно- и двухсторонняя фольгированная из меди полиимидная пленка толщиной 60-120 мкм, соответственно. Диаметр обкладки ЧЭ d = 20 мм. Начальная емкость 40 пФ, приращение емкости ΔC = 2,5 пФ при уровне давления 6-10 Па. Вес датчика 3 г, размеры 1,5х30х35 мм.

Такое конструктивное решение и способ его сборки повышает технико-экономическую эффективность, сокращает трудовые и материальные затраты. Датчики могут найти применение в автоматических системах управления и контроля в разных отраслях народного хозяйства.

Использование: изобретение позволяет измерять силу и давление разных предметов любой конфигурации и может быть использовано в автоматизированных системах управления и контроля. Сущность изобретения: мембрану и основание датчика изготавливают из тонкой фольгированной диэлектрической пленки. Датчик содержит компенсационный чувствительный элемент (ЧЭ) с компенсационной обкладкой и измерительный ЧЭ с обкладкой. На верхней поверхности мембраны наклеена диэлектрическая пленка для защиты мембраны от механических повреждений. ЧЭ датчика защищен от внешних электромагнитных помех двумя экранами. Отдельные элементы датчика между собой скрепляют клеем на эпоксидно-каучуковой основе. Собранный пакет выдерживают под давлением 30-35 кг/см² при температуре 160-170^oC в течение 50-60 мин. Изобретение позволяет расширить область применения датчика давления. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

1. Емкостный датчик давления, содержащий первую диэлектрическую пленку, на верхней поверхности которой сформированы обкладка кондесатора с выводом и боковой экран, и расположенную над первой пленкой чувствительную к давлению мембрану, отличающийся тем, что в него введены компенсационная обкладка, вторая диэлектрическая пленка, квадратная диэлектрическая пленка и кольцо из твердого диэлектрика, при этом первая диэлектрическая пленка является основанием датчика и металлизирована с двух сторон слоем фольги, толщина которого меньше толщины диэлектрической пленки в 5 - 14 раз, слой фольги на нижней поверхности первой диэлектрической пленки является основным экраном датчика, на верхней поверхности первой диэлектрической пленки сформирована компенсационная обкладка и расположена с зазором между обкладкой конденсатора и боковым экраном, мембрана выполнена из металлической фольги и на ее нижнюю поверхность нанесена вторая диэлектрическая пленка, а на верхнюю поверхность наклеена квадратная диэлектрическая пленка толщиной δ, определяемой из соотношения δ = (8·10^-2- 1,3)δ₁, где δ₁- толщина мембраны с нанесенной на нее диэлектрической пленкой, при этом между первой диэлектрической пленкой и мембраной установлено кольцо из твердого диэлектрика, выполненное с углублением на нижней поверхности, высота которого меньше высоты кольца в 0,4 - 250,0 раз, а ширина больше ширины компенсационной обкладки в 0,6 - 2,2 раза, высота кольца больше толщины мембраны в 8 - 200 раз, внутренний диаметр D_в кольца выбирают из соотношения D_в = (0,88 - 1,07) • d, где d - диаметр обкладки конденсатора, который меньше внутреннего диаметра компенсационной обкладки в 1,08 - 1,3 раза, а наружный диаметр компенсационной обкладки составляет 0,96 - 1,0 диаметра квадратной диэлектрической пленки, при этом в основании датчика выполнено отверстие для выравнивания статического давления за мембраной. 2. Способ сборки емкостного датчика давления, содержащего основание из металлизированной диэлектрической пленки и расположенную над основанием мембрану, путем формирования из них пакета, выдержки пакета под давлением при повышенной температуре и последующего охлаждения, отличающийся тем, что используют кольцо из твердого диэлектрика с механически обработанными торцевыми поверхностями, на обработанные поверхности кольца, верхнюю поверхность основания датчика и нижнюю поверхность мембраны наносят тонкий слой жидкого клея на эпоксидно-каучуковой основе, сушат при 70 - 80^oC в течение 1 - 2 мин, затем основание, кольцо и мембрану склеивают между собой в пакет, на верхнюю поверхность мембраны так же наклеивают диэлектрическую пленку, затем весь сформированный пакет выдерживают под давлением 30 - 35 кг/см² при 160 - 170^oC в течение 50 - 60 мин, а потом охлаждают до 50 - 60^oC.