Емкостный датчик давления и способ его изготовления Советский патент 1993 года по МПК G01L9/12 

Предполагаемое изобретение относится к измерительной технике, в частности к емкостным датчикам, предназначенным для использования в различных областях науки и техники, связанных с измерением давления в условиях воздействия првышен- ных температур.

Известен емкостный датчик давления, содержащий упругий элемент в виде круглой мембраны с круглым кольцевым электродом на периферии, в центре которой прикреплен круглый диск с электродом на периферии, зеркально-симметричный электроду упругого элемента, и выводы, присоединенные к контактным площадкам электродов, и контактами гермопроходника.

Известен способ изготовления емкостного датчика давления, заключающийся в формировании мембраны с круглым кольцевым электродом на периферии, закреплении в центре мембраны круглого диска с электродом на периферии и присоединении выводов к контактным площадкам электродов м контактам гермопроходника.

Недостатком известной конструкции являются достаточно большие габариты и масса вследствие наличия гермопроходника. Динамические характеристики датчика также весьма несовершенны вследствие присоединения к центру мембраны довольно значительной присоединенной массы. Недостатком известной конструкции является также низкая технологичность и надежность вследствие недостаточной надежности.присоединения круглого диска к центру мембраны из-за воздействия деформаций от измеряемого давления на место соедине- . нйя диска и мембраны.

Недостатком известного способа изготовления емкостного датчика давления является то, что он не позволяет изготавливать датчики с достаточно малыми габаритами, массой. Динамические характеристики датчиков, изготовленных по известному способу, также весьма несовершенны вследствие необходимости присоединения к центру мембраны круглого диска. Недостатком известного способа является сравнительно низкая технологичность в связи со сложным процессом присоединения круглого диска к мембране.

Известен емкостный датчик давления, содержащий корпус, закрепленную в отверстии корпуса мембрану с жёстким центром, утолщенным основанием и кольцевой проточкой между ними, при этом на поверхности мембраны со стороны жесткого центра закреплена первая диэлектрическая пластина с кольцевой проточкой, расположенной над кольцевой проточкой мембраны,

причем над первой диэлектрической пластиной размещена вторая диэлектрическая пластина, при этом на обращенных одна к другой поверхностях пластин сформированы соответственно в центре над жестким центром мембраны круглые электроды измерительного конденсатора с соответству- . ющими контактными площадками, а над периферийным основанием мембраны 0 кольцевые электроды эталонного конденсатора с соответствующими контактными площадками, причем между диэлектрическими пластинами расположены контактирующие с соответствующими контактными площад5 ками токоподводящие выводы, которые герметично закреплены в изоляционной оболочке гермопроходников, закрепленных герметично в соответствующих дополнительных отверстиях корпуса.

0

Известен способ изготовления емкостного датчика давления, включающий выполнены мембраны с жестким центром и утолщенным периферийным основанй5 ем, выполнение диэлектрической пластины с жестким центром, выполнение второй диэлектрической пластины, полирование поверхности мембраны и каждой диэлектрической пластины и формирование на этих поверхно0 стях электродов конденсаторов, установку между ними в местах контактных площадок выводов гермопроходников, установку гермопроходников герметично в дополнительных отверстиях корпуса, а также включающий ус5 тановку и герметизацию мембраны по ее периферии в корпусе.

Недостатком известного емкостного датчика давления являются достаточно большие габариты и масса вследствие нали0 чия гермопроходника, необходимости обеспечения определенного зазора между контактами гермопроходника и электродами, а также вследствие сравнительно большой массы жесткого центра мембраны.

5 Недостатком известного емкостного датчика являются также сравнительно низкие динамические характеристики, вызванные сравнительно большой массой жесткого центра упругого элемента. Кроме того, изве0 стная конструкция обладает низкой технологичностью и надежностью, объясняемой избыточным количеством элементов с ограниченной надежностью и технологичностью: гермопроходники, тонкие выводные

5 проводники и т.д., а также сложностью и большим количеством межэлектродных связей и ограниченной надежностью и тех- . нелогичностью: различного рода конструкционных сварок, микросварок выводных проводников.

Недостатком известного способа изготовления является то, что он не позволяет изготавливать емкостные датчики с достаточно малыми габаритами и массой. Недостатком известного способа являются также сравнительно низкие динамические характеристики, объясняемые небольшой собственной частотой упругого элемента вследствие определенной массы жесткого упругого элемента. Другими недо- статками известного способа изготовления являются низкая технологичность и надежность, объясняемые избыточным количеством сложных трудноуправляемых технологических операций с конечным вы- ходом годных и ограниченной надежностью: микросварка выводных проводников на контакты гермопроходника и на контактные площадки электродов, присоединение жил кабелей к контактам гермопроходника, присоединение гермопроходника и т.д.

Цель изобретения - уменьшение массы и габаритов, улучшение динамических характеристик, повышение технологичности и надежности за счет исключения избыточ- ного количества элементов с ограниченной надежностью и технологичностью (гермопроходника, тонких выводных проводников), увеличения собственной частоты упругого элемента вследствие уменьшения массы жесткого центра упругого элемента за счет уменьшения количества операций с конечным выходом годных и ограниченной надежностью.

На фиг. 1,2,3 изображен предлагаемый емкостный датчик давления. Соотношения между размерами межэлектррдного зазора, толщин электродов и размерами других элементов конструкции для наглядности изме- нены. Емкостный датчик давления содержит корпус 1, в котором размещены упругий элемент в виде мембраны 2 с жестким центром 3, выполненной за одно целое с опорным основанием 4, круглый подвижный электрод 5 измерительного конденса- тора, расположенный на диэлектрике в области жесткого центра, кольцевой неподвижный электрод 6 опорного конденсатора, размещенный на диэлектрике в области опорного основания, зеркально симмет- ричные неподвижные электроды измерительного 7 и опорного 8 конденсаторов, расположенные на диэлектрике пластины 9, закрепленной с зазором на упругом элементе, и кабели 10 в герметичной оболочке, жилы 11 которых соединены с контактными площадками 12 соответствующих электродов. Жесткий центр мембраны направлен а сторону, противолежащую измеряемой среде. Диэлектрики упругого элемента и пластины

выполнены в виде круглых монолитных пластин 13 и 14 соответственно, диаметр которых равен диаметрам упругого элемента и пластины. На монолитной пластине упругого элемента выполнен жесткий центр 15 и опорное основание 16, расположенные зеркально-симметрично жесткому центру и опорному основанию упругого элемента. Пластина 9 выполнена за одно целое с корпусом 1. В корпусе выполнена внутренняя полость диаметром, равным диаметру упругого элемента, и три радиальных равномерно расположенных по периметру отверстия 17, продольные оси которых размещены в плоскости, равноудаленной от плоскостей подвижного и неподвижного электродов измерительного конденсатора. В отверстиях герметично закреплены, например, при помощи непрерывной лазерной сварки кабели в герметичной оболочке, торцы которых защищены герметизирующим материалом 18, Токоведущие жилы частично выполнены толщиной, большей величины межэлектродного зазора на величину их толщины электрода и расположены между диэлектрическими пластинами. Торец корпуса жес- . тко соединен при помощи аргонодуговой сварки по периферии с торцом упругого элемента с предварительной деформацией в пределах упругости части токоведущ их жил, заключенных между диэлектрическими пластинами. Жесткие центры упругого элемента и его диэлектрической пластины выполнены в виде колец. Толщина стенки кольца жесткого центра упругого элемента равна толщине мембраны упругого элемента. Толщина стенки кольца жесткого центра диэлектрической пластины упругого элемента равна толщине мембраны диэлектрической пластины. Корпус, пластина и упругий элемент датчика выполнены из ниобий-циркониевого сплава НЦУ. Диэлектрические пластины выполнены из алю- мооксидной керамики ВК 100-1. Электроды выполнены в виде структуры ванадий-никель. Общая толщина структуры 1 мкм. В качестве кабеля с герметичной оболочкой применен нагревостойкий кабель в металлической оболочке с минеральной изоляцией и никелевой токопроаодящей жилой типа КНМСН. В качестве герметизирующего материала используется стеклокерамика СК-100.Беличина межэлектродного зазора равна 50 мкм. При толщине электрода, равной 1 мкм, толщина части токопроводящей жилы кабеля равна 51 мкм.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом. Формируют жесткий центр и опорное основание диэлектрической пластины упругого элемента. Формирование осуществляется непосредственно в процессе спекания керамики 8К-100. Со стороны жестких центров доводят поверхности упругого элемента и его диэлектрической пластины до получения неплоскостности порядка 0,5 мкм.. Полируют диэлектрические пластины со сторон размещения электродов до шероховатости не более 0,05-0,1 мкм при помощи механической полировки..

Формируют на поверхности диэлектрических пластин электроды термическим испарением на установке магнетронного напыления. Формирование части токоведу- щих жил толщиной, большей межэлектрод- ного зазора на величину толщины электрода проводят путем обжима в калиброванных губках. При величине межэлектродного зазора, равной 50 мкм, толщина части токове- дущих жил равна 51 мкм. Защищают торцы кабелей герметизирующим материалом Операция проводится на кабелях, еще не установленных в корпус. Помещают диэлектрическую пластину с неподвижными электродами в корпус. При этом осуществляется ориентация и фиксация пластины при помощи дополнительных выступов, пазов или штифтов (на фиг. не показаны). Вводят кабели в отверстия корпуса таким образом, чтобы их расплющенные токоведущие жилы касались с одной стороны контактной площадки соответствующего электрода, а с другой - диэлектрика. Герметично закрепляет кабели в отверстиях корпуса, например, при помощи лазерной или аргоно-дуговой свар- ки. Помещают внутрь корпуса диэлектрическую пластину упругого элемента и упругий элемент с одновременной их ориентацией и фиксацией аналогично диэлектрической пластине с неподвижными электродами. Прижимают упругий элемент к пластинам усилием, равномерно распределенным по периферии, и приваривают торец упругого элемента к торцу корпуса при воздействии этого усилия.

Емкостный датчик давления работает следующим образом. Измеряемое давление воздействует на мембрану датчика. Подвоз- действием измеряемого давления жесткий центр мембраны упругого элемента, а, еле- довательно, и жесткий центр диэлектрической пластины и расположенный в области жесткого центра подвижный электрод измерительного конденсатора перемещается, в направлении неподвижного электрода из- мерительного конденсатора. В результате этого межэлектродный зазор измерительного конденсатора уменьшается, а его емкость соответственно увеличивается. Емкость опорного конденсатора не зависит

от измеряемого давления вследствие расположения его электродов на неподвижных элементах конструкции. Значения емкостей измерительного и опорного конденсаторов через их контактные площадки и кабели передаются на нормирующее устройство (на фиг. не показано), которое формирует выходной сигнал, зависящий от отношения опорной и измерительной емкостей, а, следовательно, и от измеряемого давления. При воздействии на датчик повышенной температуры вследствие применения монолитной диэлектрической пластины сравнительно большой толщины электрическое сопротивление изоляции и тангенс диэлектрических потерь между электродами и токо- лроводящими элементами конструкции будет сохраняться при более высоких значениях температур, по сравнению со случаем применения тонкопленочного диэлектрика, Вследствие пленарного расположения электродов измерительного и опорного конденсаторов характер изменения их емкостей от температуры будет аналогичен. Поэтому выходной сигнал с нормирующего устройства будет в значительной мере минимизирован в части воздействия температуры.

Выполнение глухого отверстия в корпусе и установление на его дне второй диэлектрической пластины минимизирует геометрические размеры и массу и повышает технологичность и надежность, так как позволяет устранить избыточное количество элементов конструкции. Выполнение гермопроходников в виде кабелей в герметичной оболочке, выводы из которых герметизированы по торцу кабеля, а кабели вставлены герметично в сквозные отверстия, которые выполнены с боковых сторон корпуса на уровне межэлектродного зазора, напротив соответствующих контактных площадок также уменьшает геометрические размеры и массу и повышает технологичность и надежность вследствие устранения избыточного количества элементов конструкции (гермоколодку, выводные проводни- ки и т.д.) с определенными размерами, массой и ограниченной надежностью. Кроме того, герметизация кабелей обеспечивает герметизацию внутренней плоскости датчика и устранение негативного влияния окружающей среды на характеристг ики датчика, т.е. повышает надежность. Уменьшение габаритных размеров и массы одновременно улучшает динамические характеристики датчика вследствие повышения собственной (резонансной) частоты датчика.

Выполнение в жестком центре мембраны и в первой диэлектрической пластине

цилиндрических углублений, расположенных соосно и напротив друг друга присохранении плоско-параллельного перемещения неподвижного электрода. Уменьшение массы жесткого центра приводит не только к уменьшению массы датчика в целом, но и, что наиболее важно, позволяет существенно увеличить собственную частоту измерительного канала датчика, а, следовательно, и улучшить динамические характеристики: Это объясняется тем, что собственная частота мембраны с жестким центром обратно пропорциональна квадратному корню массы жесткого центра. В зависимости от размеров жесткого центра предлагаемое решение позволяет уменьшить массу жесткого центра в 5-10 раз. Поэтому собственная частота мембраны повышается в 2-3 раза.

Если толщина стенки кольца будет больше соответствующей мембраны, то неоправданно возрастает масса жесткого центра, а следовательно, динамические характеристики датчика ухудшаются. Если толщина стенки кольца будет меньше толщины стенки, то динамические характеристики датчика ухудшаются вследствие недостаточной жесткости кольца. Кроме того, в этом случае возникает дополнительная нелинейность, связанная с неточностью передачи деформации мембраны упругого элемента на подвижный электрод измерительного конденсатора.

Предварительное формирование жесткого центра и опорного основания диэлектрической пластины объясняется технологической, целесообразностью, т.к. сначала необходимо сформировать форму, а затем проводить операции, требующие особых условий к чистоте окружающей среды. Из этих же соображений операция доводки поверхностей упругого элемента и его диэлектрической пластины проводится до операции полирования, требующей особенно бережного последую- щего отношения во избежание возможного повреждения полированной поверхности. Кроме того, доводка необходима для обеспечения минимальной неплоскостности поверхности соприкосновения упругого элемента

и его диэлектрической пластины. Полирование диэлектрических пластин необходимо для обеспечения последующего формирования электродов по тонкопленочной технологии. :

Технико-экономическим преимуществом предлагаемого решения, по сравнению с прототипом, является уменьшение массы более чем в 6 раз, уменьшение габаритов примерно 7 раз за счет устранения избыточного количества элементов с ограниченной надежностью и технологичностью (гермоп- роходника, тонких выводных проводников) и элементов их крепления. Другим преимуществом предлагаемого решения является

улучшение динамических характеристик вследствие повышения в 2 раза собственной частоты воспринимающей части за счет уменьшения массы жесткого центра при сохранении плоскопараллельного характера

перемещения подвижного электрода измерительного конденсатора. Преимуществом предлагаемого решения является также повышение технологичности и надежности за счет уменьшения количества операций с конечным выходом годных и ограниченной надежностью (сварки выводных проводников с контактными площадками электродов и контактами колодки; изготовление и присоединение гермопроходника и т.д.).

Использование: изобретение предназначено для измерения давления в условиях воздействия повышенных температур. Цель изобретения - уменьшение массы и габаритов, улучшение динамических характеристик, повышение технологичности и надежности. Сущность: при воздействии на датчик повышенной температуры вследствие применения монолитной диэлектрической пластины 16 электрическое сопротивление изоляции и тангенс диэлектрических потерь между электродами 5, 7 и 6, 8 и токопроводящими элементами конструкции будет сохраняться при более высоких значениях температур и минимальных габаритах, 3 ил.

Формула изобретения 1. Емкостный датчик давления, содержащий корпус, закрепленную в отверстии корпуса мембрану с жестким центром, утолщенным периферийным основанием и кольцевой проточкой между ними, при этом на поверхности мембраны со стороны жесткого центра закреплена первая диэлектрическая пластина с кольцевой проточкой, расположенной над кольцевой проточкой мембраны, причем над первой диэлектрической пластиной размещена вторая диэлектрическая пластина, при этом на обращенных одна к другой поверхностях пла-. стин сформированы соответственно в центре над жестким центром мембраны

круглые электроды измерительного конденсатора с соответствующими контактными площадками, а над периферийным основанием мембраны - кольцевые электроды эталонного конденсатора с соответствующими контактными площадками, причем между диэлектрическими пластинами расположены контактирующие в соответствующими контактными площадками токопроводящие выводы, которые герметично закреплены в изоляционной оболочке, гермопроходни- ков, закрепленных герметично в соответствующих дополнительных отверстиях корпуса, отличающийся тем, что, с целью уменьшения массы и габаритов, повышения динамических характеристик, технелогичности и надежности, в нем отверстие в корпусе выполнено глухим и на его дне установлена вторая диэлектрическая пластина, дополнительные отверстия выполнены с боковых сторон корпуса на уров- не зазора между диэлектрическими пластинами, а гермопроходники выполнены в виде кабеля с металлической оболочкой, в которой герметично закреплена изоляционная оболочка, при этом в жестком центре мембраны и в первой диэлектрической пластине соосно выполнены напротив друг друга цилиндрические углубления, причем толщина стенки между боковой цилиндрической поверхностью углубления в жестком центре и боковой цилиндрической поверхностью жесткого центра равна толщине мембраны.

Фи8,2

ние первой диэлектрической пластины с жестким центром, второй диэлектрической пластины, полирование поверхности мембраны и каждой диэлектрической пластины и формирование на этих поверхностях электродов конденсаторов, установку между ними в местах контактных площадок выводов гермопроходников, установку гермопроход- ников герметично в дополнительных отверстиях корпуса, а также включающий установку и герметизацию мембраны по ее периферии в корпусе, отличающийся тем, что, с целью повышения технологичности/до полирования первой диэлектрической пластины и мембраны в каждой из них выполняют цилиндрическое углубление, а затем после полирования их соприкасающиеся поверхности доводят до минимальной неплоскостноети, при этом перед герметизацией мембраны ее прижимают к первой пластине усилием, равномерно распределенным по ее периферии.