Емкостный датчик давления и способ его изготовления Советский патент 1992 года по МПК G01L9/12 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в датчиках для измерения статикодинамиче- ского давления в широком диапазоне температур.

Известен емкостный датчик давления, содержащий вакуумировзнный 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 из 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 диапазона температур из-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 емкостного датчика, заключающийся в формировании на упругом элементе и пластине тонкопленочных металлических электродов с контактными площадками, размещении выводных проводников на контактных площадках, жестком закреплении пластины на упругом элементе , вакуумировании и герметизации межэлектродного обьема.

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, свя-занные 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 набросов. 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 набросов, которые в силу очень малых величин межэлектродных зазоров приводят к дополнительным отказам датчиков особенно в условиях воздействия широкого диапазона температур.

Наиболее близким по технической сущности 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 пластиной и кольцом по площадкам выводные проводники, 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 ем- костных датчиков с требуемыми 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.

На 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, узел I на фиг. 1; на фиг. 4 - различные этапы деформации выводных проводников при изготовлении.

Соотношения между размерами меж- злектродного зазора, толщины электродов и размерами других элементов конструкции для наглядности изменены.

Емкостный датчик давления содержит вакуумированный корпус 1. в котором установлено опорное кольцо, заподлицо с внут- ренним 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 межэлектродного зазора, размещены между контактными площадками электродов и изолированными контактными площадками. Выводные проводники соединены с гер- моконтактами 12 корпуса. Электроды и

контактные площадки выполнены в ои- де двухслойной композиции электропрово- дя щего слоя 13 и расположенного между ним и диэлектриком 3 адгезионного слоя

14, выполненного из материала более тугоплавкого и с большим пределом текучести при максимально допустимой рабочей температуре датчика по сравнению с электропроводящим слоем. Толщина электропроводящего слоя электродов и контактных площадок выполнена в соответствии с соотношением: при Rg 0.1 мкм. Rb 0,1 мкм, Нэ 0,1+0,1 0,2 мкм.

Электропроводящий слой электродов и

контактных площадок выполнен в виде пленки никеля (температура плавления равна 1453°С. Огэ 6 МПа). Адгезионный слой выполнен в виде пленки молибдена (температура плавления равна 2610°С, От 330 МПа)

толщиной 0,04 мкм. Размеры контактных площадок 0,25 х 0,26 мм (5 0,0625 мм2). Упругий элемент и пластина выполнены из сплава Н65М20В15. Выводные проводники также выполнены из сплава Н65М20Е15,

их толщина 30 мкм. При сНэ 6- 106 Па, U 30 106 м, К 0.5, Нэ 0. м, Еь 2 -1011Па. Ез-1 -1010na;Eg 1- 1011 Па. Нд 3 -10 6 м получаем F 128 Н. Усилие приложенное к центру пластины при числе

контактных площадок, равном 3,384 Н или 38,4 кг.

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- 80-1. создают в камере вакуум Ю 3 Па. Нагревают его до максимально допустимой рабочей температуры 800°С. Нагрев датчи

ка в вакууме приводит к испарению окислов, нитридов 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 электропроводящего слоя, материал которого заполняет неровности поверхности выводных проводников, соприкасающихся с электропроводящим 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 электропроводящим слоем, диффузия материалов выводных проводников и электропроводящего слоя в диэлектрик не происходит, так как адгезионный слой в силу своей большей температуры плавления выполняет роль барьерного слоя, препятствующего диффузии.

Выполнение толщины электропроводящего 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 елся, 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 материалом электропроводящего слоя и площадь поверхности контактирования выводных

проводников с контактными площадками будет меньше необходимой за счет образе- % вания внутренних полостей 15, а следовательно, будет низка и надежность

соединения выводных проводников и контактных площадок (см. фиг. 36).

Если же толщина электропроводящего слоя будет больше суммы наибольших высот неровностей поверхности диэлектрика и

0 поверхности выводных проводников, то неоправданно увеличится толщина электропроводящего слоя, а следовательно, и термомеханические напряжения в нем, что также приведет к понижению надежности

5 работы датчика. Кроме того, увеличение толщины электропроводящего слоя требует увеличения технологического времени, что ухудшает технологичность. В случае равенства толщины электропроводящего слоя

0 сумме наибольших высот неровностей поверхности диэлектрика и поверхности выводных проводников, обеспечивается гарантированное максимальное значение поверхности контактирования выводных

5 проводников и контактных площадок в сочетании с приемлемым значением внутренних термомеханических напряжений электропроводящей пленки (см. фиг. Зв).

Нз фиг. 4 схематично приведены раз0 личные состояния выводных проводников. В начальный момент (фиг. 4а) выводной проводник располагают между контактными площадками упругого элемента и пластины. Под воздействием усилия F выводной

5 проводник, электропроводящие и диэлектрические слои деформируются (фиг. 46) в области упругой деформации. В связи с принципиально малой толщиной адгезионного слоя, по сравнению с толщиной выво0 дов. его деформациями можно пренебречь. После снятия усилия и нагревания датчика до максимально допустимой рабочей темпера уры выводной проводник и диэлектрические слои стре5 мятся достичь первоначального состояния и деформируют электропроводящие слои контактных площадок упругого элемента и пластины. Величина усилия, необходимая для пластической деформации электропроводя0 щего слоя одного выводного проводника, при максимально допустимой рабочей температуре будет равна

F2 S Отэ

5 или в соответствии с законом Гука/

с с- с A L2 с с LB - La2

F2 S Ее-;S Евj.

LBue

где Еь - модуль упругости выводного проводника.

Величина усилия, необходимая для упругой деформации выводного проводника с запасом для последующей пластической деформации электропроводящего слоя, равна

+

2 S ЕвНэ U

Отсюда

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.

Fi S

F Atl c

I- В .w

LB LB2

U -a

LB

Анализируя фиг. 46 и в и учитывая деформацию электропроводящего слоя, можно записать

или в другом виде

Ui U2-2-НЭ-К+.

4- 2 Нэ (- 2 Нв

S -Е,

S

Подставляя полученное выражение в соотношение для FI, получим

F1-S -ЕВХ

LB -1в2 +2 К-НЭ -2 На Нд

- Запишем полученное выражение в виде F,S Ев U 1в2 + S -Евх

(2.К-Нэ-2Нэ) Ез

Учитывая, что

С . с, LB Le2 - Q . rr

5 ЕВ:о Отэ ,

-в

получим:

FI 5-0тэ +

2 К S Ев Н

В Г1Э

2 -S ЕвНэТ -2Нд| Ев Ь СэЬд

FI +

2 EBH3Fi +2 EBHAFi La Еэ

Fr

SOrs-f

2 К S ЕвНэ

1 i 2 ЕВНЭ , 2 EBHf LBE3 L8EA

0

5

0

5

0

5

0

Изобретение позволяет полностью исключить брак по отслоению металлических пленок от диэлектрика, что достигается за счет уменьшения толщины электродов и минимизации вследствие этого локальных внутренних термомеханических напряжений в пленке.

Предлагаемое решение позволяет также практически полностью исключить техот- ход датчиков по причине наличия набросов на поверхности электродов из- за длительного времени Напыления электродов. Возможность уменьшения толщины электродов позволяет также существенно, примерно в 4-5 раз, уменьшить время формирования электродов. Если время формирования электродов по известному решению составляло не менее 14 мкм, то 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 термомеханических напряжений при их напылений за счет устранения 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 термо- мехзнических напряжений в пленке, за счет исключения отказов датчиков в процессе эксплуатации по причине наличия мабро- сов на пленке вследствие исключения набросов. за счет устранения диффузии материалов в диэлектрике вследствие выполнения адгезионного слоя из тугоплавкого материала и за счет повышения качества контактирования выводных проводников с контактными площадками.

Результатом повышения надежности является значительное повышение ресурса при высоких температурах. Ресурс непрерывной работы при температуре 800°С емкостного датчика давления, выполненного в соответствии с прототипом, составляет 5 мин. Ресурс непрерывной работы при тем- пературе 800°С емкостного датчика давления, выполненного в соответствии с изобретением, составляет не менее 60 мин.

Формула изобретения

Нэ RA + RB,

где RA - наибольшая высота неровностей поверхности диэлектрической подложки;

Re - наибольшая высота неровностей поверхности выводных проводников, обращенной к площадкам.

S (Огэ LB + 2 К НэЕв) ЕэЕд 1вЕэЕд+2 НэЕвЕд + 2 НдЕвЕз

где S - контактная площадь выводного проводника и площадки;

Огэ - предел текучести материала электропроводящего слоя площадки при максимальной рабочей температуре;

LB. Нэ, НА-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 диэлектрической подложки.

У////

////

лллл

Nk

M

v

////