RU1793286C - Capacitive pressure transducer - Google Patents

Capacitive pressure transducer

Info

Publication number
RU1793286C
RU1793286C SU914928618A SU4928618A RU1793286C RU 1793286 C RU1793286 C RU 1793286C SU 914928618 A SU914928618 A SU 914928618A SU 4928618 A SU4928618 A SU 4928618A RU 1793286 C RU1793286 C RU 1793286C
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
membrane
pressure
sensor
measuring
measuring capacitor
Prior art date
Application number
SU914928618A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Дмитрий Викторович Апакин
Original Assignee
Научно-исследовательский институт физических измерений
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Научно-исследовательский институт физических измерений filed Critical Научно-исследовательский институт физических измерений
Priority to SU914928618A priority Critical patent/RU1793286C/en
Application granted granted Critical
Publication of RU1793286C publication Critical patent/RU1793286C/en

Links

Landscapes

  • Measuring Fluid Pressure (AREA)

Abstract

мкостный датчик давлени  относитс  к изм рительной технике и может быть использован в различных област х науки и  ки дл  измерени  давлени  жидких и бразныхсред. Целы повышение чувсттехн газо вите ьности, помехоустойчивости и точно- измерений. Сущность изобретени : :тный датчик давлени  содержит корсти емко пус 1, упругий элемент 1 в виде мембраны 2, вь полненной за одно целое с опорным осно займем 3, подвижный электрод 4 измерительного конденсатора, расположенный на поверхности мембраны, кольцевой неподвижный электрод 5 эталонного конденсатора , размещенный на опорном основании 3, неподвижные электроды 6 и 7 измерительного и эталонного конденсаторов , расположенные на пластине 8. Отличительной особенностью датчика  вл етс  то, что в нем мембрана 2 выполнена без жесткого центра, а поверхность пластины 8, на которой расположен неподвижный электрод 6 измерительного конденсатора, удовлетвор ет уравнению поверхности упругой плоской мембраны, деформированной давлением , в 1,2-1,5 раза превышающим номинальное давление датчика. Даютс  математические выражени  дл  формы электродов 4, 6 измерительного конденсатора , удовлетворение которых позвол ет минимизировать нелинейность функции преобразовани  датчика. Положительный эффект: повышение чувствительности в 4 раза, уменьшение вли ние паразитных емкостей на точность измерени  на 30%. 1 ил. (Л СA pressure transducer is a measurement technique and can be used in various fields of science and technology to measure the pressure of a liquid or a different medium. The goals are to increase the gas sensitivity, noise immunity and precision measurements. SUMMARY OF THE INVENTION: This pressure sensor comprises a cushion capacitively 1, an elastic element 1 in the form of a membrane 2, which is integral with the support base 3, a movable electrode 4 of the measuring capacitor located on the surface of the membrane, an annular stationary electrode 5 of a reference capacitor, placed on the supporting base 3, the stationary electrodes 6 and 7 of the measuring and reference capacitors located on the plate 8. A distinctive feature of the sensor is that in it the membrane 2 is made without a rigid center and the surface of the plate 8, on which the fixed electrode 6 of the measuring capacitor is located, satisfies the surface equation of an elastic flat membrane deformed by a pressure 1.2 to 1.5 times the nominal pressure of the sensor. Mathematical expressions are given for the shape of the measuring capacitor electrodes 4, 6, the satisfaction of which minimizes the non-linearity of the sensor conversion function. Positive effect: increase in sensitivity by 4 times, decrease in the influence of stray capacitances on measurement accuracy by 30%. 1 ill. (L C

Description

Изобретение относитс  к измерительной технике, в частности к емкостным датчикам, предназначенным дл  использовани  в различных област х науки и техники, св занных с измерением статико-динамических давлений жидких и газообразных сред.The invention relates to measuring equipment, in particular to capacitive sensors, intended for use in various fields of science and technology related to the measurement of static-dynamic pressures of liquid and gaseous media.

Известен емкостный датчик давлени , содержащий упругий элемент в виде круглой мембраны с круглым кольцевым электродом на периферии, в центре которой прикреплен круглый диск с электродом на периферии, зеркально-симметричным электроду упругого элемента. A capacitive pressure sensor is known which comprises an elastic element in the form of a circular membrane with a circular annular electrode at the periphery, in the center of which a circular disk is attached with an electrode at the periphery mirror-symmetrical to the electrode of the elastic element.

Недостатком известной конструкции  вл етс  больша  динамическа  погрешность при измерении быстропеременных давлений, св занна  с низкой собственной частотой упругого элемента вследствие значительной массы пластины, присоединен-, ной к центру мембраны.A disadvantage of the known construction is the large dynamic error in the measurement of rapidly varying pressures, associated with the low natural frequency of the elastic element due to the considerable mass of the plate attached to the center of the membrane.

Известен емкостный датчик давлени , содержащий корпус, упругий элемент в виде мембраны с жестким центром, выполненной за одно целое с опорным основанием, круглый подвижный электрод измерительного конденсатора, расположенного на поверхности мембраны в области жесткого центра, кольцевой неподвижный электрод эталонного конденсатора, размещенный на опорном основании, зеркально-симметричные неподвижные электроды измерительного и эталонного конденсаторов, расположенные на пластине, соединенной прокладками с упругим элементом по периферии в трех точках, а зазор между электродами выполнен с превышением максимального перемещени  подвижного электрода на 10-20 %.Known capacitive pressure sensor containing a housing, an elastic element in the form of a membrane with a rigid center, made in one piece with the supporting base, a circular movable electrode of a measuring capacitor located on the surface of the membrane in the region of the rigid center, an annular fixed electrode of a reference capacitor located on the supporting base , mirror-symmetric fixed electrodes of the measuring and reference capacitors located on a plate connected by spacers with an elastic element around se ries at three points, and the gap between the electrodes is formed with the excess of the maximum displacement of the movable electrode by 10-20%.

Недостатком известного емкостного датчика  вл етс  мала  чувствительность к давлению из-за большой цилиндрической жесткости мембраны, имеющей жесткий центр. Другими недостатками известного емкостного датчика  вл ютс  мала  помехоустойчивость и большое вли ние паразитных емкостей на точность измерени  из-за малых рабочих емкостей.A disadvantage of the known capacitive sensor is its low sensitivity to pressure due to the large cylindrical stiffness of the membrane having a rigid center. Other disadvantages of the known capacitive sensor are the low noise immunity and the large influence of stray capacitances on the measurement accuracy due to the small working capacitances.

Изобретение направлено на увеличение чувствительности к давлению, помехоустойчивости и точности. Согласно изобретению в емкостном датчике давлени , содержащем корпус, упругий элемент в виде мембраны, выполненной за одно целое с опорным основанием , подвижный электрод измерительного конденсатора, расположенный на. поверхности мембраны, кольцевой неподвижный электрод эталонного конденсатора, размещенный на опорном основании, зеркально-симметричные неподвижные электроды измерительного и эталонного конденсаторов, расположенные на пласти0The invention is aimed at increasing pressure sensitivity, noise immunity and accuracy. According to the invention, in a capacitive pressure sensor comprising a housing, an elastic element in the form of a membrane made integrally with the support base, a movable electrode of the measuring capacitor located on. membrane surfaces, an annular fixed electrode of a reference capacitor located on a support base, mirror-symmetric fixed electrodes of a measuring and reference capacitors located on a plate

не, соединенной с упругим элементом, мембрана выполнена без жесткого центра, поверхность пластины, на которой расположен неподвижный электрод измерительного конденсатора , удовлетвор ет уравнению поверхности упругой плоской мембраны, деформированной давлением Рмакс, в 1,2- 1,5 раза превышающим номинальное давление датчика:not connected to the elastic element, the membrane is made without a rigid center, the surface of the plate on which the fixed electrode of the measuring capacitor is located satisfies the equation of the surface of an elastic flat membrane deformed by a pressure Рmax 1.2-1.5 times higher than the nominal pressure of the sensor:

99

ft) ah ( 1 - -2 )2 ,ft) ah (1 - -2) 2,

RR

где а) прогиб мембраны под действием давлени  в точке, удаленной на рассто ние г от центра мембраны,1where a) the deflection of the membrane under the action of pressure at a point remote by a distance of g from the center of the membrane, 1

R - радиус мембраны;R is the radius of the membrane;

WQ- прогиб в центре мембраны (г 0),WQ - deflection in the center of the membrane (g 0),

(Уо - ТсгРмакс(Wo - TsgRmax

s

Л V).L v).

где ц - коэффициент Пуассона материала мембраны;where c is the Poisson's ratio of the membrane material;

Е - модуль упругости материала мембраны;E is the elastic modulus of the membrane material;

h - толщина мембраны,h is the thickness of the membrane,

а электроды измерительного конденсатора имеют такую форму, что их площадь определ етс  из выражени and the electrodes of the measuring capacitor are shaped so that their area is determined from the expression

(у4г6(y4g6

2RZ 6R4 На чертеже изображен датчик в разрезе . Соотношение между размерами межэлектродного зазора и толщинами диэлектрической пленки и электродов дл 2RZ 6R4 The drawing shows a sensor in section. The relationship between the dimensions of the interelectrode gap and the thickness of the dielectric film and electrodes for

нагл дности изменены. Емкостный датчик давлени  содержит упругий элемент 1 в виде мембраны 2, выполненной за одно целое с опорным основанием 3. Подвижный электрод 4 измерительного конденсатора расположен на поверхности мембраны. Неподвижный электрод 5 опорного конденсатора размещен на опорном основании. Зеркально-симметричные электроды 6 и 7 измерительного и опорного конденсаторов соответственноInaccurate changes. The capacitive pressure sensor contains an elastic element 1 in the form of a membrane 2, made in one piece with the support base 3. A movable electrode 4 of the measuring capacitor is located on the surface of the membrane. The fixed electrode 5 of the reference capacitor is placed on the supporting base. Mirror-symmetric electrodes 6 and 7 of the measuring and reference capacitors, respectively

расположены на пластине 8. Выводные проводники 9 соединены с контактными площадками электродов и контактами 10 расположенными в отверсти х корпуса 11. Упругий элемент и пластина выполнены изlocated on the plate 8. Lead conductors 9 are connected to the contact pads of the electrodes and contacts 10 located in the holes of the housing 11. The elastic element and the plate are made of

сплава 70НХБМЮ. Дл  электрической изол ции электродов используетс  пленки 12 из AteCb-SiOa-SiO толщиной 3 мкм. Электроды и контактные площадки выполнены из пленки Mo-Ni толщиной 1,5 мкм. Выводные70NHBMYu alloy. AteCb-SiOa-SiO films 12 of 3 microns thick are used to electrically insulate the electrodes. The electrodes and pads are made of Mo-Ni film with a thickness of 1.5 microns. Output

проводники выполнены из ленты 0,05-1- 79НМ. Корпус и контакты выполнены из сплава 29НК. Контакты впаиваютс  в корпус глазурью СК-7. Зазор между электродами равен 50 мкм. Диаметр мембраны равен 8 мм.conductors are made of tape 0.05-1- 79NM. The case and contacts are made of 29NK alloy. The contacts are soldered into the casing with SK-7 glaze. The gap between the electrodes is 50 μm. The diameter of the membrane is 8 mm.

, Емкостный датчик давлени  работает следующим образом.The capacitive pressure sensor operates as follows.

Измер емое давление воздействует на мембрану с внешней стороны. Под воздействием измер емого давлени  подвижный электрод измерительного конденсатора, расположенный на мембране, перемещаетс /в направлении к неподвижному электроду измерительного конденсатора, вследствие чего емкость измерительного конденсатора увеличиваетс . Емкость опорного конденсатора не зависит от измер емого давлени . Значени  емкостей измерительного и опорного конденсаторов передаютс  на выводные проводники и далее на нормирующее устройство (на чертеже не показано), кото- pde формирует выходной сигнал, завис щий от отношени  емкости опорного конденсатора к емкости измерительного конденсатора. Таким образом, выходной си|гнал зависит от измер емого давлени . The measured pressure acts on the membrane from the outside. Under the influence of the measured pressure, the movable electrode of the measuring capacitor located on the membrane moves / toward the fixed electrode of the measuring capacitor, as a result of which the capacitance of the measuring capacitor increases. The capacitance of the reference capacitor is independent of the measured pressure. The capacitance values of the measuring and reference capacitors are transferred to the output conductors and then to a normalizing device (not shown in the drawing), which pde generates an output signal depending on the ratio of the capacitance of the reference capacitor to the capacitance of the measuring capacitor. Thus, the output signal depends on the measured pressure.

В предлагаемом емкостном датчике давлени  отсутствует жесткий центр на мембране. Это дает возможность увеличить чуиствительность к измер емому давлению увеличени  прогиба мембраны. Перемещение центра мембраны без жесткого центра больше в 4 раза по сравнению с перемещением центра мембраны с жестким центром.In the proposed capacitive pressure transducer, there is no rigid center on the membrane. This makes it possible to increase the sensitivity to the measured pressure by increasing the deflection of the membrane. The displacement of the center of the membrane without a rigid center is 4 times greater than the displacement of the center of the membrane with a rigid center.

В предлагаемом емкостном датчике давлени  размер подвижного электрода измерительного конденсатора ограничиваетс  только размерами мембраны, в то врем  как у известных датчиков размер подвижного электрода измерительного конденсатора ограничиваетс  жестким центром. Это позвол ет увеличить Площадь электродов, а значит, и величину начальной емкости измерительного конденсатора не менее чем на 30%. Увеличение начальной емкости измерительного конденсатора гшзвЪлйт увеличить помехоустойчивость и уменьшить вли ние паразитных ёмкостей на точность измерени . ; In the proposed capacitive pressure sensor, the size of the moving electrode of the measuring capacitor is limited only by the size of the membrane, while with known sensors the size of the moving electrode of the measuring capacitor is limited by the rigid center. This makes it possible to increase the area of the electrodes and, therefore, the value of the initial capacitance of the measuring capacitor by no less than 30%. Increasing the initial capacitance of the measuring capacitor makes it possible to increase the noise immunity and reduce the influence of stray capacitances on the measurement accuracy. ;

Таким образом, преймуществамм за вл емой конструкции ёмкостного датчика давлени   вл ютс  увеличение чувствительности к давлению в 4 раза, увеличение помехоустойчивости на 30% и уменьшение вли ни  паразитных емкостей на точность измерени  на 30%.Thus, the advantages of the design of the capacitive pressure sensor are a 4-fold increase in pressure sensitivity, an increase in noise immunity by 30%, and a decrease in the influence of stray capacitances on measurement accuracy by 30%.

Ф о р м у л а и з о б р е т ё н и   Емкостный датчик давлени , содержа- щй;й корпус, упругий элемент в виде мемб- ра|ны, выполненной за одно целое с опорным основанием, подвижный электрод измерительного конденсатора, расположенный на поверхности мембраны, кольцевой неподвижный электрод эталонного конденсатора, размещенный на опорном основании, зеркально-симметричные неподвижные электроды измерительного и эталонного конденсаторов, расположенные на пластине, соединенной с упругим элементом , отличающийс  тем, что, с целью повышени  чувствительности, помехоустойчивости и точности измерений, мем- брсжа выполнена без жесткого центра, поверхность пластины, на которой располо- же неподвижный электрод измерительного конденсатора, удовлетвор ет уравнению поперхности упругой плоской мембраны, деоормированной давлением Рмакс, в 1,2- 1,5 раза превышающим номинальное давление датчика:Formula and Capacitive pressure transducer, containing; th casing, elastic element in the form of a membrane | made in one piece with the support base, a movable electrode of the measuring capacitor located on the membrane surface, an annular fixed electrode of a reference capacitor located on a support base, mirror-symmetric fixed electrodes of the measuring and reference capacitors located on a plate connected to an elastic element, characterized in that, in order to increase the In order to achieve a high level of immunity, noise immunity and measurement accuracy, the membrane was made without a rigid center, the surface of the plate on which the fixed electrode of the measuring capacitor is located satisfies the equation of the surface of an elastic flat membrane deo-normalized by a pressure Рmax, which is 1.2-1.5 times higher nominal pressure of the sensor:

(1-4)3,(1-4) 3,

R R

где о) - прогиб мембраны под действием давлени  в точке, удаленной на рассто ние г от центра мембраны;where o) is the deflection of the membrane under the influence of pressure at a point remote from the center of the membrane by a distance g;

R - радиус мембраны; (Оо- прогиб в центре мембраны (г 0).R is the radius of the membrane; (Oo-deflection in the center of the membrane (g 0).

°ь - Рмакс R4E 1 h 3 - ( 1 -}2- ) ;° b - PMax R4E 1 h 3 - (1 -} 2-);

р - коэффициент Пуассона материала мембраны;p is the Poisson's ratio of the membrane material;

Е - модуль упругости материала мембраны;E is the elastic modulus of the membrane material;

h - толщина мембраны,h is the thickness of the membrane,

а электроды измерительного конденсатора имеют форму, удовлетвор ющую зависимости их площади S, заключенной в круге радиусом г, от этого радиуса, соглабнбand the electrodes of the measuring capacitor have a shape that satisfies the dependence of their area S, enclosed in a circle of radius r, on this radius, according

выражениюexpression

2R22R2

1 6R41 6R4

))

SU914928618A 1991-04-18 1991-04-18 Capacitive pressure transducer RU1793286C (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU914928618A RU1793286C (en) 1991-04-18 1991-04-18 Capacitive pressure transducer

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU914928618A RU1793286C (en) 1991-04-18 1991-04-18 Capacitive pressure transducer

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU1793286C true RU1793286C (en) 1993-02-07

Family

ID=21570395

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SU914928618A RU1793286C (en) 1991-04-18 1991-04-18 Capacitive pressure transducer

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU1793286C (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107843379A (en) * 2017-12-13 2018-03-27 沈阳市传感技术研究所 The capacitive pressure transducer of assembled fixed electrode

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
}.В.Апакин 1атент US № 4562742, кл.С 01 L9/12, 198Е Авторское свидетельство СССР № 2(19786, кл. G 01 L 9/12, 1967. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107843379A (en) * 2017-12-13 2018-03-27 沈阳市传感技术研究所 The capacitive pressure transducer of assembled fixed electrode
CN107843379B (en) * 2017-12-13 2023-09-22 沈阳市传感技术研究所 Capacitive pressure sensor with assembled fixed electrode

Similar Documents

Publication Publication Date Title
SU593674A3 (en) Pressure pickup
JP4378617B2 (en) Micro electromechanical sensor
US4523474A (en) Capacitive pressure sensor
US2999386A (en) High precision diaphragm type instruments
US4433580A (en) Pressure transducer
US4229776A (en) Capacitive capsule for aneroid pressure gauge
CN110220636B (en) Capillary communicating pipe type differential pressure sensor and measuring method
JPS6126001B2 (en)
RU1793286C (en) Capacitive pressure transducer
US3279245A (en) Transducer
JPS5935122A (en) Pressure sensor for gas
RU1812461C (en) Capacitance-type pressure pickup
US3820402A (en) Electrical pressure transducer
SU1719942A1 (en) Pressure pickup
RU1770790C (en) Pressure pickup
SU1663461A1 (en) Pressure sensor
SU1504523A1 (en) Capacitive pressure transducer
SU1767375A1 (en) Pressure difference pickup
SU1719941A1 (en) Pressure pickup
RU2010202C1 (en) Capacitive pressure transducer and device to form its output signal
SU1765734A1 (en) Capacitive pressure sensor
RU1818559C (en) Capacitance pressure transducer
SU460463A1 (en) Calibration method of membrane capacitance manometer
SU1760415A1 (en) Pressure transducer
SU1663462A1 (en) Pressure measuring device