Емкостный матричный датчик давления Советский патент 1993 года по МПК G01L9/12 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления и деформации при аэродинамических и натурных испытаниях авиационной техники.

Известен пленочный датчик с чувствительным элементом (ЧЭ) из пироэлектрического материала. На стеклянную пластину осаждают полимерную подложку. На эту подложку последовательно запыляют электроды и слой ЧЭ пироэлектрического материала и верхний электрод. Такой способ сборки датчиков не обеспечивает измерения давления на поверхности изделия без дренирования.

К недостаткам следует отнести: низкую надежность контактов пайки, плохую адге- зию пироэлектрика со стеклом, незащищенность от внешних электромагнитных помех и трибоэлектрического эффекта.

Наиболее близким к предложенному изобретению техническим решением является пленочный емкостный датчик давления, который состоит из четырех слоев диэлектрической пленки, выполненных из однородного материала. Первая пленка является изолятором. На второй пленке снизу металлизированный сплошной экран, сверху на поверхности этой пленки металлизированные верхние обкладки датчика. Вторые обкладки датчиков металлизированы на наружной поверхности четвертой пленки. Между второй и четвертой пленками расположена третья перфорированная пленка. Соединение четырех пленок между собой и установка датчика на поверхность исследуемой модели осуществляется с помощью клея.

Такое решение в указанной конструкции обеспечивает измерение давления на поверхности исследуемого объекта без дренирования.

Недостаток этого датчика заключается в том, что не позволяет измерять одновременно давление и деформации и недостаточно помехозащищен.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет одно- временного измерения давления и деформации.

Технический результат достигается тем, что в емкостном матричном датчике давления, содержащем четыре диэлектрические пленки, соединенные клеевым соединением в пакет, первая из которых является основанием датчика, при этом на верхних поверхностях первой и второй пленки и на нижней поверхности четвертой пленки

сформированы соответствующие экраны, кроме того, на верхней поверхности второй пленки и на нижней поверхности четвертой пленки сформированы обкладки конденсаторов с выводами, а третья пленка выполнена перфорированной, на верхней поверхности первой пленки сформированы изолированные от экрана пленочные тен- зорезисторы, расположенные противо0 положно обкладкам конденсаторов, сформированные на поверхности второй пленки, на участках между их выводами, при этом экран и тензорезисторы, расположенные на верхней поверхности первой пленки,

5 выполнены из металлической ф ольги, толщина которой больше толщины обкладок конденсаторов в 6...3,3 раза, причем первая, вторая и четвертая пленки выполнены одинаковой толщины, которая составляет

0 0,4...1,0 от толщины третьей перфорированной пленки.

На чертеже изображены элементы конструкции емкостного матричного датчика давления и тензочувствительного элемента,

5 Основанием датчика является первый слой диэлектрической пленки 1, содержащий выводы 2 тензочувствительного элемента 3 и экран 4 (Сеч. А-А). Вторая диэлектрическая пленка 5содержит выводы 6, обкладки 7, ЧЭ

0 давления и экран 8 (сеч. Б-Б). Третья диэлектрическая пленка 9 перфорированная. Четвертая диэлектрическая пленка 10 является мембраной датчика и содержит вывод 11 для подачи напряжения поляризации, экран

5 12 и обкладки 13 (сеч. Г-Г). Все пленки скрепляют между собой клеем (сеч. Д-Д). Все металлизированные элементы на поверхности диэлектрических пленок (за исключением первой диэлектрической пленки

0 1) образованы способом вакуумного налы- -. ления.

Введение на поверхности первой диэлектрической пленки 1 фольги (из никеля, константана и т.д.) полиамидокислотного

5 лака по известной технологии позволяет на верхней поверхности диэлектрической пленки способом фотолитографии сформировать тензочувствительный элемент3 и выводы 12. для измерения деформации модели

0 одновременно с давлением. Место расположения тензочувствительного элемента на нижней части.первой диэлектрической пленки обусловлено возникновением максимального значения усилия и деформации

5 на этом участке. При этом ЧЭ давления (обкладки 7, 13) на верхнем участке второй и четвертой диэлектрической пленки 5, 10. расположены на том месте, где ожидается максимальное значение пульсаций давлений. Симметричное смещение обкладок 7,

13 относительно тезочувствительных элементов 3 исключает взаимное влияние выводов б, 11 с тнезочувствительными элементами 3 и выводов 2 между собой и рационально используются поверхности диэлектрических пленок 1,5, 10.

Конструкция тензочувствительного элемента выбрана чисто символической. Она может быть любой конструкции, исходя из требования проводимого измерения дефор- мации.

Если реальная толщина металлической фольги для изготовления современных тезочувствительных элементов составляет 3-10 мкм, то толщина метала металлизиро- ванных диэлектрических пленок находится в пределах 300-500 А. Тогда отношение толщины фольги к толщине металлизированной пленки находится в пределах 6...33.

В конструкции датчика первая 1, вторая 5 и четвертая 10 пленки выполнены одинаковой толщины, которая составляет 0,4-1,0 от толщины третьей перфорированной пленки 9.

Принцип работы датчика заключается в следующем. При воздействии давления в месте соединения тензочувствительных элементов 3 возникают напряжения деформации. На поверхности датчика через диэлектрические пленки 10, 9 и 5 тензочувствительные элементы испытывают действие усилия (давления). При этом деформация модели определяется величиной электрического напряжения на выходе тензочувствительного элемента после уси- ления и определения коэффициента тензо- чувствйтельности. При изменении давления Р диэлектрическая пленка 10 изгибается внутрь ячейки перфорации диэлектрической пленки 9, а емкость С изменяется про-

порционально давлению на величину ДС. При этом выходное напряжение, снимаемое с выводов б ЧЭ давления, пропорционально напряжению поляризации и соотношению

A f

-р- U. По изменению емкости судят о давлении.

Формула изобретения Емкостный матричный датчик давления, содержащий четыре диэлектрические пленки, соединенные клеевым соединением в пакет, первая из которых является основа нием датчика, при этом на верхних поверхностях первой и второй пленок и на нижней поверхности четвертой пленки сформированы соответствующие экраны, кроме того, на верхней поверхности второй пленки и на нижней поверхности четвертой пленки сформированы обкладки конденсаторов с выводами, а третья пленка выполнена перфорированной, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет одновременного дополнительного измерения деформации, в нем на верхней поверхности первой пленки сформированы изолированные от экрана пленочные тензорезисторы, расположённые противоположно обкладкам конденсаторов, сформированных на поверхности второй пленки, на участках между их выводами, при этом экран и тензорезристоры, расположенные на верхней поверхности первой пленки, выполнены из металлической фольги, толщина которой больше толщины обкладок конденсаторов в 6-33 раза. причем первая, вторая и четвертая пленки выполнены одинаковой толщины, которая составляет 0,4-1,0 от толщины третьей перфорированной пленки.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для одновременного измерения давления и деформации. На поверхности исследуемых объектов на первой диэлектрической пленке 1 образован чувствительный элемент деформации 3 из фольги, на второй 5 и четвертой 10 диэлектрических пленках обкладки 7,13, экран 12 и выходы 6,11 чувствительного элемента давления. С целью повышения чувствительности датчика по давлению, третья диэлектрическая пленка 9, расположенная между второй и четвертой пленками, перфорируется. Толщина фольги больше остальных металлизированных пленок в 6...33 раз, а толщина первой, второй и четвертой диэлектрических пленок одинаковая и составляет 0.4-1,0 от толщины третьей перфорированной пленки. 1 ил. Д-Л, а Ё