RU1783333C - Емкостный датчик давлени и способ его изготовлени - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике. Цель изобретени : снижение разброса по чувствительности и уменьшение нелинейности градуировочной характеристики . Сущность изобретени : емкостный датчик давлени  содержит корпус 1, внутри которого размещена мембрана 2, закрепленна  в корпусе 1 с помощью обоймы 3. Требуемое нат жение мембраны обеспечиваетс  с помощью кольца 4. Под мембраной 2 оазмещена диэлектрическа  подложка 5, закрепленна  гайкой 6. На подложку 5 нанесены обкладки измерительного 7 и эталонного 8 конденсаторов и слой 9, обеспечивающий рабочий зазор. Способ изготовлени  датчика осуществл ют , закрепл   мембрану 2 между корпусом 1и обоймой 3, затем нат гивают мембрану 2кольцом 4 при контроле параллельности ее поверхности относительно базовой поверхности корпуса 1, далее закрепл ют подложку 5 гайкой б, обеспечива  контакт мембраны 2 с металлизированным слоем 9. Положительный эффект: снижение нелинейности в 3 раза, снижение разброса по чувствительности в 10 раз. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил. (Л С

Description

Фи&1

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано при создании датчиков механических величин, в частности емкостных датчиках абсолютного давлени , предназначенных дл  измерени  малых значений давлени  жидких и газообразных сред.

Известен вакуумметрический датчик, использующий деформационный преобразователь давлени  с плоской мембраной, котора   вл етс  чувствительным элементом и раздел ет объем преобразовател  на две камеры - измерительную и опорную. В опорной камере около мембраны установлен электрод, образующий совместно с мембраной конденсатор. При изменении давлени  мембрана отклон етс  от своего начального положени , измен етс  величина емкости конденсатора, котора   вл етс  мерой давлени .

Известно также устройство, в котором камера опорного давлени  откачена и герметизирована . При этом остаточное давление в камере создаетс  на 2-3 пор дка ниже, чем предельно измер емое нижнее давление.

Недостатками указанных известных ва- куумметрических датчиков  вл етс  их температурна  нестабильность, т.е. вли ние изменени  окружающей температуры на показани  измерительного прибора и больша  нелинейность их рабочей характеристики .

Наиболее близким к датчику давлени  по технической сущности и достигаемому эффекту  вл етс  деформационный преобразователь давлени  ПДД-1 вакуумметра ВД-1. В этом преобразователе содержитс  размещенна  в корпусе плоска  мембрана, с одной стороны которой расположена камера измер емого давлени , а с другой - опорного давлени , в которой размещен керамический диск с двум  измерительными элчектро- дами - центральным и периферийным на одинаковом рассто нии от мембраны. Дл  уменьшени  вли ни  изменени  окружающей температуры на показани  прибора измерение величины давлени  проводитс  по разности изменений емкостей между мембраной и центральным электродом с одной Стороны и мембраной и периферийным электродом с другой стороны. В данном преобразователе также предусмотрена, за счет электронной схемы, коррекци  нелинейности градуировочной характеристики по всем диапазоне измер емых давлений, при этом относительна  погрешность от нелинейности снижаетс  до 5%.

Недостатком известного устройства  вл етс  значительна  погрешность по нелинейности рабочей характеристики (до 5%) и потери по чувствительности измерени , Оба данных обсто тельства св заны с тем, что реализаци  метода отношени  емкостей дает значительный эффект в том случае, когда емкость эталонного конденсатора (т.е. конденсатора , наход щегос  на периферии), в процессе измерени  остаетс  посто нной. В данной же конструкционной схеме этого не происходит, и хот  изменение емкости эталонного конденсатора по сравнению с изменением емкости измерительного (центрального ) конденсатора незначительно, однако  вл етс  вполне достаточным дл  снижени  чувствительности на 10-20%. Существенным недостатком данной конструкции  вл етс  также то, что в ней достаточно трудно обеспечить одинаковую чувствительность изготавливаемых приборов. Данное обсто тельство св зано с тем, что рабочий зазор между мембраной и керамическим диском достигаетс  за счет набора прокладок, от толщины и количества которых будет зависеть размер между обкладками конденсаторов. Колебани  данного размера (рабочего зазора) в каждом изготовленном приборе (за счет набегани  допусков отдельных элементов) и приведет к разбросу по чувствительности в изготовленной партии преобразователей. В от о, в свою очередь, отрицательно сказываетс  на взаимозамен емости приборов, расшифровке измер емых параметров, дос говерности результатов измерени  и т.д одним из важных недостатков известного технического решени   вл етс  усложнение устройства за счет введени  в него дополнительного электрического звена, компенсирующего нелинейный характер емкостной схемы преобразовани , т.к. в данном случае приходитс  иметь дело не только с нелинейным характером изменени  измерительной (рабочей ) емкости, но также и с нелинейным характером изменени  эталонной емкости. К тому же, существенного снижени  нелинейности но удаетс  достичь и электронной схемой, и, как было указано выше, она еще остаетс  значительной (пор дка 5%).

Известен способ изготовлени  емкостного датчика давлени , по которому неподвижный металлический электрод (подложку) емкостного преобразовател  предварительно подвергают механической обработке , получа  на ее поверхности одну или несколько впадингв которые затем нанос т изол ционный слой в виде расплава, в результате чего после отверждени  расплавленного материала и удалени  части сло ,

получают плоскую поверхность основани - подложки с одной (или несколькими) провод щем зоны (зонами), окруженную слоем изол тора. Недостатками известного способа вы вл ютс  из его сложности и трудоемкости, которые в конечном счете не обеспечивают достаточной сохранности сопротивлени  электрической изол ции емкостного преобразовател , так как и в процессе изготовлени , и в процессе эксплуатации возможно нарушение нанесенного поверхностного изол ционного сло , что в дальнейшем приведет к замыканию металлической подложки с корпусом прибора.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к за вл емому способу  вл етс  способ изготовлени  емкостного датчика давлени , по которому после выполнени  отдельных сборок мембранного узла и емкостного чувствительного элемента, сформированного на диэлектрической подложке, последний закрепл ют в корпусе мембранного узла с помощью зажимной гайки, при этом обеспечение рабочего зазора между обкладками конденсаторов осуществл ют за счет установки между мембраной и диэлектрической подложкой набора прокладок с гарантированным размером толщин. Кажда  сборочна  единица преобразовател  при данной технологии имеет в конструктивном плане свои индивидуальные особенности. Недостаток известного способа-прототипа как раз и вы вл етс  из индивидуальных особенностей изготовлени  сборок. Наличие определенной размерной, цепи и набегание допусков в ней практически не позволит получить между обкладками кочдексаторов одинаковый рабочий зазор во всех собранных преобразовател х. Данное обсто тельство , как уже было сказано выше, ведет к разбросу по чувствительности измерительных цепей преобразователей и, в свою очередь , отражаетс  на взаимозамен емости приборов, достоверности их показаний и т Д.

Цель изобретени  - снижение разброса по чувствительности изготавливаемых датчиков и уменьшение нелинейности их граду- ировочной характеристики.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в емкостном датчике давлени , содержащем корпус с входным штуцером, закрепленную между ними плоскую металлическую мембрану, с одной стороны которой расположена камера измер емого давлени , а с другой - камора опорного давлени , в которой размещен керамический диске двум  измерительными электродами:

центральным и периферийным, расположенными на одинаковом рассто нии от мембраны, между центральным и периферийным электродом на керамическом диске нанесен металлизированный слой, толщина которого равна величине рабочего зазора между мембраной и керамическим диском, причем штуцер выполнен в виде втулки и вход щей в нее крышки, а рабоча  часть

0 мембраны нат нута на выполненный в корпусе внутренний цилиндрический бурт с помощью крышки штуцера.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в способе изготовлени  емкостного датчика

5 давлени , заключающемс  в выполнении мембранного узла, формировании и размещении емкостного чувствительного элемента в виде керамического диска с электродами внутри корпуса мембранного

0 узла, обеспечении рабочего зазора между мембраной и чувствительным элементом и последующем закреплении чувствительного элемента в мембранном узле, осуществл ют нат жение закрепленной с корпусом

5 мембраны, регистриру  при этом параллельность ее плоскости относительно базовой поверхности корпуса, затем закрепл ют емкостной чувствительный элемент в корпусе мембранного узла, обеспечив контакт

0 мембраны и дополнительного металлизированного сло , выполненного на керамическом диске чувствительного алемента, одновременно контролиру  положение мембраны относительно базовой поверхно5 сти корпуса и электрическое сопротивление между корпусом и дополнительным металлизированным слоем на чувствительном элементе. В процессе измерени  давлени  начальное значение эталонной емкости со0 хран етс  потому, что практически отсутствуют прогиб кольцевого участка мембраны, составл ющего одну из обкладок эталонного конденсатора, т.к. мала его эффективна  площадь и, кроме того, при прогибе цент5 ральной части мембраны (обкладки измерительного конденсатора) происходит его дополнительное нат жение, Посто нство рабочего зазора во всех изготавливаемых издели х в данном случае достигаетс  тем,

0 что предоарительно фиксируют положение мембраны относительно базовой поверхности корпуса, например, с помощью цифрового индикатора, а затем обеспечивают контакт мембраны с технологическим слоем

5 на подложке, не нарушай при этом положение мембраны и контролиру  момент замыкани  между ними, например, с помощью омметра. Достигаемый, с точки зрени  поставленной цели, результат также обусловлен прежде всего тем, что тонкопленочна 

технологи  позвол ет сформировать дополнительный металлизированный слой с размером его высоты, с точностью до одного микрона, при этом, конечно же, необходимо учитывать, что высота дополнительного сло  должна быть в несколько раз больше высоты информативных слоев. И, наконец, технологи  сборки позвол ет закрепить чувствительный элемент таким образом в мембранном узле, что рабочий зазор между мембраной и подложкой чувствительного элемента дл  всех изготовленных изделий будет оставатьс  посто нным и не будет зависеть от наличи  допусков всех элементов размерной цепи

На фиг.1 представлена конструкци  предлагаемого емкостного датчика давлени , 1 - корпус, 2 - мембрана; 3 - обойма; 4

-кольцо, 5 - диэлектрическа  подложка; б

-гайка; 7 - обкладка измерительного конденсатора; 8 - обкладка эталонного конденсатора; 9 - слой, обеспечивающий зазор; на фиг,2 отдельно показана поверхность диэлектрической подложки 5 емкостного преобразовател  с топологическим размещением обкладок измерительного 7 и эталонного 8 конденсаторов, а также металлизированного сло  9. Емкостной датчик давлени  содержит корпус 1, внутри которого размещена мембрана 2, закрепленна  в корпусе с помощью обоймы 3. Требуемое нат жение мембраны обеспечиваетс  с помощью кольца 4, которое вместе с мембраной ограничивает измерительную полость прибора В корпусе 1 под мембраной 2 также размещена диэлектрическа  подложка 5, закрепленна  гайкой 6. На торцовой, обращенной к мембране стороне, подложки 5, нанесены металлические слои, образующие две обкладки конденсаторов измерительного 7 и эталонного 8 и сло  9, обеспечивающего рабочий зазор. Расположение обкладок конденсаторов Сэ и Си (см фиг.2) на поверхности подложки 5 выполнено таким образом, что обкладка 8 эта- лонной емкости Сэ располагаетс  по периферии поверхности, а обкладка 7 изме- pиfeльнoй емкости Си - в центре Указанное расположение обкладок конденсаторов дает возможность испопьзовать в предлагаемой конструкции емкостного датчика метод преобразовани  электрического сигнала, св занный с отношением емкостей (Сэ/Си). Между обкладками эталонного и измерительного конденсаторов нанесен металли зированный слой 9, высота которого определ ет величину рабочего зазора между мембраной 2 и подложкой 5. Способ изготовлени  за вл емого емкостного датчика давлени  представлен на фиг.3,4 и

осуществл етс  следующим образом: а) закрепл ют мембрану 2 между корпусом 1 и кольцом 3. Затем производ т нат жение закрепленной с корпусом 1 мембраны 2, приложив усилие Р к кольцу 4 и, регистриру  при этом параллельность ее плоскости относительно базовой поверхности Б корпуса f, например, с помощью цифрового индикатора 11.

0 б) закрепл ют емкостной чувствительный элемент в корпусе мембранного узла с помощью гайкм 6, обеспечива  контакт мембраны 2 с металлизированным слоем 9 на подложке 5, не наруша  при этом положе5 ние мембраны и контролиру  момент замыкани  между ними, например, с помощью омметра 12.

Емкостной датчик давлени  работает следующим образом

0 При подаче давлени  в измерительную полость датчика прогибаетс  центральна  часть мембраны 2 (участок от центра до металлизированного сло ) и измен етс  значение измерительной емкости Си. а

5 значение эталонной емкости Сэ остаетс  посто нным , т.к. отсутствует прогиб кольцевого участка мембраны 2, расположенного по периферии (от металлизированного сло  до кра  мембраны) Таким образом, при дейст0 вии на датчик измер емого давлени  происходит изменение отношени  емкостей эталонного и измерительного конденсаторов Сэ/Си в чувствительном элементе, что и используетс  дл  дальнейшего преобразо5 вани . Причем Си измен етс  линейно, а Сэ -остаетс  практически посто нной величиной , поэтому и выходна  функци  Сэ/Си будет измен тьс  линейно.

И, наконец, технологи сборки позвол 0 ет закрепить чувствительный элемент в мембранном узле таким образом, что рабочий зазор между мембранной и подложкой чувствительного элемента дл  всех изготовленных изделий будет оставатьс  посто н5 иым и тем самым снимаетс  разброс по чувствительности

Использование изобретени  по сравнению с прототипом позвол ет: нелинейность градуировочной характеристики снизить в 3

Claims (3)

1. 0 раза; диапазон измерени  в сторону низкого давлени  расширить в 10 раз; разброс по чувствительности уменьшить в 10 раз. Формула изобретени  1. Емкостный датчик давлени , со5 держащий корпус с входным штуцером, закрепленную между ними плоскую металлическую мембрану, с одной стороны которой расположена камера измер емого давлени , а с другой - камера опорного давлени , в которой размещен керамический

   диск с двум  измерительными электродами - центральным и периферийным, расположенными на одинаковом рассто нии от мембраны, отличающийс  тем, что, с целью снижени  разброса по чувствительности и уменьшени  нелинейности, в нем между центральным и периферийным электродами на керамическом диске нанесен металлизированный слой, толщина которого равна величине рабочего зазора между мембраной и керамическим диском.
2. 2.Датчик по п.1,отличающийс  тем, что в нем штуцер выполнен в виде втул- ки и вход щей в нее крышки, причем рабоча  часть мембраны нат нута на

   выполненный в корпусе внутренний цилиндрический бурт с помощью крышки штуцера .
3. 3.Способ изготовлени  емкостного датчика давлени , заключающийс  в выполнении мембранного узла, формировании и размещении емкостного чувствительного

   элемента в виде керамического диска с электродами внутри корпуса мембранного узла, обеспечении рабочего зазора между мембраной и чувствительным элементом и

   последующем закреплении чувствительного элемента в мембранном узле, отличающийс  тем, что с цельюснижени  разброса по чувствительности изготавливаемых датчиков , осуществл ют нат жение закрепленной с корпусом мембраны, регистриру  при этом параллельность ее плоскости относительно базовой поверхности корпуса, затем закрепл ют емкостный чувствительный элемент в корпусе мембранного узла, обеспечив контакт мембраны и дополнительного металлизированного слб , выполненного на керамическом ди ске чувствительного элемента , одновременнб контролиру  положение мембраны относительно базовой

   поверхности корпуса и электрическое сопротивление между корпусом и дополнительным металлизированным слоем на чувствительном элементе.

   9

   7

   фцг-1

   фшгЛ