CZ28681U1 - Tlakový kapacitní keramický senzor - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká tlakového kapacitního keramického senzoru s leštěnou membránou, jehož využití je zejména pro přesné měření nízkých tlaků v prostředích s agresivním médiem.

Dosavadní stav techniky

Stávající senzory pracující na kapacitním principu sestávají ze dvou elektrod, z nichž jedna elektroda je tvořena keramickou základnou a druhou elektrodou je snímací membrána. V závislosti na vnějším tlaku dochází k deformaci membrány a tudíž i ke změně vzájemné polohy obou elektrod. Snímanou veličinou je poté elektrický náboj. Membrána i základna jsou vyrobeny z keramiky a pro správnou funkci senzoru je nezbytné vytvořit jejich hermetické spojení. Konvenční systémy využívají pro spojování těchto dvou částí technologii sesklívání. Pro nanášení skelné vrstvy tvořící spoj a současně distanční mezeru se používá technologie sítotisku. Jak je uvedeno, pro vytvoření prostoru mezi tlakoměmou membránou a základnou, který tvoří dielektrikum kondenzátoru kapacitního snímače tlaku, se používá sítotiskové nanášení skelných nebo keramických vrstev po obvodu základny senzoru, s následným spojením s tlakoměmou membránou. Toto řešení umožňuje spojení dvou planámích vrstev tvořících dielektrikum, přičemž tloušťka spojovací vrstvy mezi základnou a tlakoměmou membránou musí být min. 50 pm. S horšími parametry určujícími kvalitu povrchu (drsnost, rovinnost) roste i tloušťka spojovací vrstvy. Přesnost měření tlaku je nepřímo úměrná výšce spojovací vrstvy. Proto mají stávající senzory vyráběné dosavadním způsobem své meze v použitelnosti v obom přesného měření nízkých tlaků, zejména z důvodu vysoké hystereze a nelinearity výstupního signálu. Tato konstrukce se spojovací a vymezující skleněnou vrstvou je nevýhodná z hlediska vetší tloušťky spojovací skleněné mezi vrstvy a následné větší chybě, díky odlišným materiálovým parametrům spojovací vrstvy a použité keramiky pro membránu a základnu.

Známé kapacitní senzory mají značná omezení, která lze shrnout následně:

- výrobní přesnost tloušťky spojovací vrstvy v jednotkách mikrometrů,

- přesnost výroby tloušťky distanční mezery je dána přesností technologie sítotisku a následného slinutí skleněné pasty,

- velká tloušťka vrstvy elektrody,

- výrazná nelinearita senzoru vyrobeného stávajícím způsobem,

- výrazná hystereze senzoru vyrobeného stávajícím způsobem,

- negativní vliv parazitní vlhkosti na přesnost měření u senzoru vyrobeného stávajícím způsobem,

- poréznost membrány,

- horší těsnící vlastnosti při montáži,

- nízká chemická odolnost membrány,

- vyšší smáčivost membrány.

Podstata technického řešení

Nedostatky známých tlakových kapacitních senzorů odstraňuje kapacitní keramický senzor sestávající z keramické základny spojené s tlakoměmou membránou spojovací vrstvou nanesenou po obvodu keramické základny. Na přivrácených stranách keramické základny a membrány je vytvořen elektrodový systém a krycí vrstva pro měření tlaku. Tlakoměmá membrána je spojena s vodivou elektrodou. Podstata technického řešení spočívá v tom, že keramická membrána je vy

-1 CZ 28681 U1 tvořena z oboustranně leštěné keramiky, přičemž na straně působení tlakového média vykazuje membrána drsnost povrchu R_a < 0,05 pm.

Výhoda technického řešení spočívá ve vytvoření rovnější plochy membrány s nižší drsností, což umožňuje na jedné straně vytvoření přesnějšího elektrodového systému s menší tloušťkou elektrod a přesnějšího spojení membrány a základny s nižší spojovací vrstvou. Spoj po vnějším obvodu membrány a základy je vakuově těsný a vytváří distanční mezeru mezi elektrodovými systémy na základně a membráně. Distanční mezera určuje velikost dielektrika kapacitního senzoru tlaku. Menší výška spoje tak umožňuje přesnější měření tlaku.

Kapacitní keramický senzor podle technického řešení s oboustranně leštěnou membránou vykazuje tyto výhody: zlepšení kvality měření v oblasti nízkých tlaků,

- lepší chemická odolnost membrány,

- snížení poréznosti membrány,

- lepší těsnící vlastnosti při montáži,

- menší smáčivost membrány,

- dlouhodobá stabilita v agresivním prostředí,

- přesnější elektrodový systém s menší tloušťkou,

- tloušťka sesklívací vrstvy na rovné ploše je pod 40 pm pro spojení keramické základny s měřicí membránou, což zlepšuje výsledné parametry senzoru a to zejména hysterezi a linearitu.

Objasnění výkresu

Obr. 1. schematicky znázorňuje kapacitní senzor sestávající z keramické základny a membrány

Obr. 2. znázorňuje příklad provedení čidla tlaku se senzorem z keramické základny a membrány

Příklady uskutečnění technického řešení

Na obr. 1 je znázorněn tlakový kapacitní keramický senzor o tl. 5 mm a průměru 32 mm s membránou se zvýšenou chemickou odolností. Senzor tohoto provedení se používá pro měření tlaků v rozsahu od 0 bar abs., až po 100 bar abs.

Tlakový kapacitní keramický senzor sestává z keramické základny 1 a tlakoměmé membrány 2, které jsou spolu spojeny spojovací vrstvou 3 vytvořenou po obvodu keramické základny 1. Tato spojovací vrstva 3 je v délce ca 4 až 5 mm. Spojovací vrstva 3 je tvořena skelnou pájkou nanesenou na rovné ploše keramické základny 1 a tlakoměmé membrány 2. Na keramické základně 1 je vytvořen elektrodový systém obsahující měřící elektrodu 4 a stínící elektrodu 4,1, které jsou překryty krycí vrstvou 6. Krycí vrstva 6 překrývá plochu měřící elektrody 4 a celou stínící elektrodu 4.1. Význam krycí vrstvy 6 spočívá v omezení chyby měření senzoru při působení vlhkosti a v prodloužení životnosti senzoru snížením rychlosti degradace elektrovodných vrstev. Otvory v keramické základně 1 je vyváděn měřený signál vně senzoru. Tlakoměmá membrána 2 je spojena s vodivou elektrodou 9 nanesenou na stranu membrány 2 blíže ke krycí vrstvě 6. Tlakoměmá membrána 2 je vytvořena z oboustranně leštěné keramiky, přičemž na straně 2,1. tj. na straně působení tlakového média, vykazuje membrána drsnost povrchu R_a < 0,05 pm. V keramické základně 1 je vytvořen otvor 8 pro přívod atmosférického tlaku. Otvor 8 je zakončen zátkou 7. Tento otvor 8 slouží pro vytvoření vakua v prostoru mezi membránou 2 a keramickou základnou 1.

Na obr. 2. je znázorněno umístění sestavy keramické základny 1 a tlakoměmé membrány 2 do pouzdra 14 snímače tlaku. Pouzdro 14 je vyrobeno z plastu plněného skelnými vlákny a slouží jako ochranná a konstrukční součást mechanického upevnění měřicí části k měřicí elektronice 10 a vyhodnocovací elektronice H · Na vrchní straně vyhodnocovací elektroniky 11 je umístěn ko

-2 CZ 28681 Ul nektor pro připojení elektrických vodičů 12 pro přívod elektrického napájení a signálového připojení senzoru. Ochranná krytka 13 zabraňuje poškození senzoru od výrobní fáze, až do umístění senzoru do finální uživatelské aplikace.

Průmyslová využitelnost

Tlakový kapacitní keramický senzor tlaku podle vynálezu lze použít v širokém spektru aplikací zejména tam, kde je požadována vysoká přesnost měření nízkých tlaků agresivních médií (kyseliny, louhy apod.) s minimální chybou v celém teplotním rozsahu provozních podmínek. Využití senzoru je tak možné v univerzálních průmyslových aplikacích, potravinářském průmyslu, topných a klimatizačních systémech, hydraulických systémech vozidel a strojů, medicínské technice, papírenském průmyslu, ropném a plynárenském průmyslu a pro hydrostatické měření výšky hladiny jako vestavná nebo ponorná sonda.

NÁROKY NA OCHRANU

Claims (1)

1. Tlakový kapacitní keramický senzor sestávající z keramické základny (1) spojené s tlakoměmou membránou (2) spojovací vrstvou (3) nanesenou po obvodu keramické základny (1), ke keramické základně (1) jsou přiřazeny vodivé elektrody (4, 4.1), krycí vrstva (6) a vodivé kontakty (5) pro připojení elektrodového systému naneseného na keramické základně (1), přičemž tlakoměmá membrána (2) je spojena s vodivou elektrodou(9), vyznačující se tím, že keramická membrána (2) je vytvořena z oboustranně leštěné keramiky, přičemž na straně (2.1) působení tlakového média vykazuje membrána drsnost povrchu R_a < 0,05 pm.