RU2010199C1

RU2010199C1 - Capacitive pressure transducer and process of its manufacture

Info

Publication number: RU2010199C1
Authority: RU
Inventors: Е.М. Белозубов; Е.А. Мокров
Original assignee: Научно-исследовательский институт физических измерений
Priority date: 1991-02-19
Filing date: 1991-02-19
Publication date: 1994-03-30

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: capacitive pressure transducer has body, restoring element in the form of membrane with elastic center, dielectric backing put on surface of restoring element. On dielectric backing there are formed electrodes connected to contact pads contacting output conductors. Restoring element carries plate with interelectrode gap and second dielectric backing located on its face. Electrodes are formed on dielectric backing connected to contact pads contacting output conductors. Dielectric backings are manufactured in the form of flexible foiled dielectric films made fast with unfoiled side to restoring element and plate. Contact pads of electrodes are arranged on backings fastened to face placed in opposition to face with electrodes and on side surface of protrusion made in central part of plate and are uniformly divided with the aid of radial current-carrying partitions fabricated integral with plate and protrusion. Output conductors are made in the form of shielded conductors which shields are electrically and mechanically connected to protrusion and body. Process of manufacture includes fabrication of restoring element and plate, formation of electrodes with contact pads on foiled side of flexible dielectric film, its separation into separate backings with electrodes and contact pads, application of bonding material to contacting surfaces of backings of restoring element and plate, pressing of backing to restoring element and plate. Pressing in areas of arrangement of electrodes is executed with the help of manufacturing plates with flat polished surfaces till process of polymerization of bonding material ends. Plate is anchored on restoring element with clearance. Shields of output conductors are attached to protrusion of plate and output conductors are connected to contact pads of electrodes and shields of output conductors are linked to body of pressure transducer. EFFECT: facilitated manufacture, increased sensitivity and expanded field of application. 2 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к емкостным датчикам давления без приемной полости, предназначенным для использования в различных областях науки, техники и народного хозяйства. The invention relates to measuring equipment, in particular to capacitive pressure sensors without a receiving cavity, intended for use in various fields of science, technology and national economy.

Известен емкостный датчик давления, содержащий прогнутую мембрану и плоскую металлическую пластину. На мембране установлены два кольцеобразных электрода, первый является измерительным, второй - эталонным. Эталонная пластина, обращенная в сторону прогнутой поверхности мембраны, также содержит чувствительный элемент, выполненный в форме кольцеобразного электрода, который вместе с электродом мембраны образует емкостный датчик. Механическая распорка, установленная в центральной части пространства между мембраной и эталонной пластиной, поддерживает постоянное расстояние между ними, не препятствуя прогибу мембраны. Эталонная пластина закрывается крышкой, которая по периметру соединяется с мембраной. На крышке укреплен эталонный кольцеобразный электрод, положение которого соответствует эталонному кольцеобразному электроду на мембране. Эти два кольцеобразных электрода образуют эталонный емкостный датчик [1] . Known capacitive pressure sensor containing a curved membrane and a flat metal plate. Two ring-shaped electrodes are installed on the membrane, the first is a measuring one, the second is a reference one. The reference plate facing the curved surface of the membrane also contains a sensing element made in the form of an annular electrode, which together with the membrane electrode forms a capacitive sensor. A mechanical spacer installed in the central part of the space between the membrane and the reference plate maintains a constant distance between them, without interfering with the deflection of the membrane. The reference plate is closed by a lid that connects to the membrane along the perimeter. A reference ring-shaped electrode is mounted on the lid, the position of which corresponds to a reference ring-shaped electrode on the membrane. These two ring-shaped electrodes form a reference capacitive sensor [1].

Недостатком известной конструкции является невысокий уровень технологичности, объясняемый необходимостью использования для формирования электродов сложного и дорогого технологического оборудования, требующего специально оборудованных помещений, а также сложностью сборки. A disadvantage of the known design is the low level of manufacturability, due to the need to use complex and expensive technological equipment for the formation of electrodes, requiring specially equipped rooms, as well as the complexity of the assembly.

Недостатком известного устройства является также сравнительно невысокая чувствительность, связанная с тем, что мембрана принципиально должна обладать достаточно большой жесткостью для исключения ее нежелательного прогиба под воздействием прикрепленной к мембране эталонной пластины. Недостатком известного устройства также являются ограниченные функциональные возможности, связанные с невозможностью измерения разрежения измеряемой среды, что объясняется угрозой замыкания электродов измерительного и эталонного конденсаторов при воздействии разрежения на мембрану датчика. A disadvantage of the known device is also a relatively low sensitivity due to the fact that the membrane should fundamentally have a sufficiently high rigidity to exclude its undesirable deflection under the influence of a reference plate attached to the membrane. A disadvantage of the known device is also the limited functionality associated with the inability to measure the rarefaction of the measured medium, which is explained by the threat of a short circuit of the electrodes of the measuring and reference capacitors when the vacuum acts on the sensor membrane.

Известен способ изготовления емкостного датчика давления, заключающийся в формировании упругого элемента и пластины, нанесении на них электродов, присоединении пластины к упругому элементу через распорку, установленную в центре упругого элемента [1] . A known method of manufacturing a capacitive pressure sensor, which consists in forming an elastic element and a plate, applying electrodes to them, attaching the plate to the elastic element through a spacer installed in the center of the elastic element [1].

Недостатком известного способа изготовления является невозможность изготовления датчиков с требуемыми технологичностью и чувствительностью и необходимыми функциональными возможностями. A disadvantage of the known manufacturing method is the inability to manufacture sensors with the required adaptability and sensitivity and the necessary functionality.

Известен емкостный датчик давления, содержащий корпус, упругий элемент в виде мембраны с жестким центром и с установленной на поверхности упругого элемента, противолежащей его планарной стороне, диэлектрической подложкой, на которой сформированы электроды, соединенные с контактными площадками, контактирующими с выводными проводниками, закрепленную на упругом элементе с межэлектродным зазором пластину с установленной на ее торце второй диэлектрической подложкой, на которой сформированы ответные электроды, соединенные с контактными площадками, контактирующими с выводными проводниками [2] . Known capacitive pressure sensor containing a housing, an elastic element in the form of a membrane with a rigid center and with a dielectric substrate mounted on the surface of the elastic element opposite its planar side, on which electrodes are formed, connected to contact pads in contact with the lead conductors, mounted on an elastic element with an interelectrode gap, a plate with a second dielectric substrate mounted on its end, on which response electrodes are formed, connected to contact loschadkami contacting the terminal conductor [2].

Недостатком известной конструкции является невысокий уровень технологичности, объясняемый необходимостью использования для напыления электродов сложного и дорогого оборудования. Кроме того, процесс напыления электродов относится к трудноуправляемым технологическим операциям с ограниченным выходом годных, что также снижает технологичность конструкции. Необходимость полирования диэлектрических подложек перед напылением электродов также снижает технологичность вследствие существенного повышения трудоемкости. Формирование жесткого центра в диэлектрической подложке упругого элемента также связано с определенными технологическими сложностями. Недостатком известной конструкции является также сравнительно небольшая чувствительность, объясняемая сравнительно большой жесткостью диэлектрической подложки упругого элемента. A disadvantage of the known design is the low level of manufacturability, due to the need to use complex and expensive equipment for spraying electrodes. In addition, the electrode sputtering process relates to difficult-to-control technological operations with a limited yield, which also reduces the manufacturability of the design. The need to polish dielectric substrates before sputtering the electrodes also reduces manufacturability due to a significant increase in the complexity. The formation of a rigid center in the dielectric substrate of an elastic element is also associated with certain technological difficulties. A disadvantage of the known design is also a relatively small sensitivity, due to the relatively high stiffness of the dielectric substrate of the elastic element.

Кроме того, сравнительно небольшая чувствительность известной конструкции связана с тем, что контактные площадки, расположенные в одной плоскости с электродами, требуют уменьшения площади электродов, что приводит к уменьшению чувствительности. Учитывая, что контактные площадки в известной конструкции расположены на радиусе, большем радиуса электродов, несмотря на сравнительно небольшую площадь самих контактных площадок, при неизменных поперечных размерах необходимо снижение площади электродов примерно в 2 раза для обеспечения расположения контактных площадок. Невысокая чувствительность известной конструкции связана также с невысокой помехоустойчивостью, вызванной принципиальным отсутствием экранирования между выводными проводниками в областях диэлектрической подложки пластины. In addition, the relatively small sensitivity of the known design is due to the fact that the contact pads located in the same plane with the electrodes require a reduction in the area of the electrodes, which leads to a decrease in sensitivity. Given that the contact pads in the known construction are located at a radius greater than the radius of the electrodes, despite the relatively small area of the contact pads themselves, with constant transverse dimensions, it is necessary to reduce the electrode area by about 2 times to ensure the location of the contact pads. The low sensitivity of the known design is also associated with low noise immunity caused by the fundamental absence of shielding between the output conductors in the regions of the dielectric substrate of the plate.

Недостатком известной конструкции являются также ограниченные функциональные возможности, связанные с невозможностью измерения разрежения. Это объясняется тем, что воздействие разрежения на мембрану упругого элемента не сопровождается адекватным перемещением подвижного электрода измерительного конденсатора, расположенного в центре диэлектрической подложки упругого элемента, вследствие отсутствия жесткой связи жестких центров диэлектрической подложки и упругого элемента. A disadvantage of the known design is also limited functionality associated with the inability to measure rarefaction. This is because the effect of rarefaction on the membrane of the elastic element is not accompanied by adequate movement of the movable electrode of the measuring capacitor located in the center of the dielectric substrate of the elastic element, due to the absence of a rigid connection between the hard centers of the dielectric substrate and the elastic element.

Известен способ изготовления емкостного датчика давления, заключающийся в изготовлении упругого элемента и пластины, формировании электродов с контактными площадками на диэлектрических подложках упругого элемента и пластины и закреплении пластины на упругом элементе с межэлектродным зазором [2] . A known method of manufacturing a capacitive pressure sensor, which consists in the manufacture of an elastic element and a plate, the formation of electrodes with contact pads on the dielectric substrates of the elastic element and the plate and fixing the plate on the elastic element with an interelectrode gap [2].

Недостатком известного способа изготовления является то, что он не позволяет изготавливать датчики с необходимыми технологичностью и чувствительностью и функциональными возможностями. A disadvantage of the known manufacturing method is that it does not allow the manufacture of sensors with the necessary adaptability and sensitivity and functionality.

Согласно изобретению в емкостном датчике давления, содержащем размещенные в корпусе упругий элемент в виде мембраны с жестким центром и с установленной на его непланарной стороне первой диэлектрической подложкой, на которой сформированы электроды, соединенные с контактными площадками, контактирующими с выводными проводниками, и расположенную с межэлектродным зазором пластину с установленной на ее торце второй диэлектрической подложкой, на которой сформированы ответные электроды, соединенные с контактными площадками, контактирующие с выводными проводниками, первая и вторая диэлектрические подложки выполнены в виде гибких фольгированных с одной стороны диэлектрических пленок, жестко закрепленных нефольгированными сторонами соответственно на упругом элементе и пластине, а контактные площадки электродов второй диэлектрической подложки размещены на участках подложки, закрепленных на торце пластины, противолежащем торцу с электродами, и на боковой поверхности выступа, выполненного в центральной части пластины, и разделены равномерно размещенными радиальными токопроводящими перегородками, выполненными за одно целое с пластиной и выступом, а анодные проводники выполнены в виде экранированных проводников, экраны которых электрически и механически соединены с выступом и корпусом. According to the invention, in a capacitive pressure sensor containing an elastic element located in the housing in the form of a membrane with a rigid center and with a first dielectric substrate mounted on its nonplanar side, on which electrodes are formed, connected to contact pads in contact with the lead conductors, and located with an interelectrode gap a plate with a second dielectric substrate mounted on its end face, on which response electrodes are formed, connected to contact pads, in contact with lead-out conductors, the first and second dielectric substrates are made in the form of flexible dielectric films folded on one side, rigidly fixed with non-folded sides respectively on the elastic element and the plate, and the contact pads of the electrodes of the second dielectric substrate are placed on the sections of the substrate fixed on the end of the plate, opposite the end with electrodes, and on the side surface of the protrusion made in the Central part of the plate, and are divided by uniformly placed radial current conductive partitions made in one piece with the plate and the protrusion, and the anode conductors are made in the form of shielded conductors, the screens of which are electrically and mechanically connected to the protrusion and the housing.

Кроме того, согласно изобретению в способе изготовления емкостного датчика давления, заключающемся в изготовлении упругого элемента, формировании электродов с контактными площадками на диэлектрических подложках упругого элемента и пластины, электроды с контактными площадками формируют на фольгированной стороне гибкой диэлектрической пленки, разделяют ее на отдельные площади с электродами и контактными площадками, наносят на соприкасающиеся поверхности подложек, упругого элемента и пластины клеящий материал, поджимают подложки к упругому элементу и пластине, причем прижатие в областях размещения электродов осуществляют технологическими пластинами с плоскими полированными поверхностями до окончания процесса полимеризации клеящего материала, закрепляют пластину на упругом элементе с межэлектродным зазором, закрепляют экраны выводных экранированных проводников на выполненном в пластине выступе, соединяют выводные проводники с контактными площадками электродов, а экраны выводных проводников - с корпусом датчика. In addition, according to the invention, in a method for manufacturing a capacitive pressure sensor, which consists in manufacturing an elastic element, forming electrodes with contact pads on dielectric substrates of an elastic element and a plate, electrodes with contact pads form on the foil side of a flexible dielectric film, divide it into separate areas with electrodes and contact pads, apply adhesive material to the contacting surfaces of the substrates, the elastic element and the plate, press the substrates to another element and the plate, and the pressing in the areas of placement of the electrodes is carried out by technological plates with flat polished surfaces until the polymerization of the adhesive material is completed, the plate is fixed on the elastic element with an interelectrode gap, the screens of the output shielded conductors are fixed on the protrusion made in the plate, the output conductors are connected to the contact wires electrode pads, and the screens of the output conductors - with the sensor housing.

Использование в качестве диэлектрических подложек упругого элемента и пластины гибких диэлектрических пленок повышает чувствительность вследствие существенно меньшей жесткости гибкой пленки по сравнению с монолитным диэлектриком в прототипе. Кроме того, применение гибких диэлектрических пленок позволяет размещение контактных площадок вне плоскости размещения электродов, а именно на противолежащей поверхности пластины и на боковой поверхности выступа, что дополнительно повышает чувствительность и повышает технологичность вследствие лучшего контактирования выводных проводников с контактными площадками. Применение гибких пленок исключает формирование жесткого центра в диэлектрической подложке, что также повышает технологичность. Применение фольгированных пленок повышает технологичность, так как избавляет от необходимости использования сложного и дорогого оборудования, необходимого для осуществления процесса напыления электродов в прототипе. The use of elastic element and plate of flexible dielectric films as dielectric substrates increases the sensitivity due to the significantly lower stiffness of the flexible film in comparison with the monolithic dielectric in the prototype. In addition, the use of flexible dielectric films allows the placement of contact pads outside the plane of placement of the electrodes, namely, on the opposite surface of the plate and on the side surface of the protrusion, which further increases the sensitivity and improves manufacturability due to better contact of the lead conductors with the contact pads. The use of flexible films eliminates the formation of a rigid center in the dielectric substrate, which also improves manufacturability. The use of foil films improves manufacturability, as it eliminates the need for complex and expensive equipment necessary for the implementation of the deposition of electrodes in the prototype.

Жесткое закрепление нефольгированными сторонами на упругом элементе и пластине диэлектрических пленок расширяет функциональные возможности вследствие возможности измерения разрежения и повышает технологичность вследствие исключения необходимости полировки диэлектрических подложек. Контактные площадки электродов размещены на подложках, закрепленных на торце пластины, противолежащем торцу с электродами, и на боковой поверхности выступа, выполненного в центре пластины для увеличения чувствительности вследствие возможности увеличения площади электродов при одних и тех же поперечных размерах, которые, как известно являются определяющими для присоединительных размеров датчиков давления. Кроме того, такое расположение контактных площадок повышает технологичность вследствие улучшения контактирования выводных проводников с контактными площадками и уменьшает поперечные размеры датчика. Rigid fastening by non-folded sides to the elastic element and the plate of dielectric films expands the functionality due to the possibility of measuring rarefaction and improves manufacturability by eliminating the need for polishing dielectric substrates. The contact pads of the electrodes are placed on substrates mounted on the end of the plate opposite the end with the electrodes and on the side surface of the protrusion made in the center of the plate to increase sensitivity due to the possibility of increasing the area of the electrodes at the same transverse dimensions, which are known to be crucial for connecting sizes of pressure sensors. In addition, this arrangement of the contact pads increases manufacturability due to improved contacting of the lead conductors with the contact pads and reduces the transverse dimensions of the sensor.

Контактные площадки разделены равномерно размещенными радиальными токопроводящими перегородками, выполненными за одно целое с пластиной и выступом, что повышает чувствительность вследствие увеличения помехоустойчивости за счет экранирования от взаимного влияния выводных проводников друг на друга. Кроме того, такое выполнение перегородок повышает технологичность вследствие исключения необходимости изготовления отдельных экранов. Выполнение выводных проводников в виде экранированных проводников, экраны которых электрически соединены с выступом пластины, также повышает помехоустойчивость, а следовательно, и чувствительность. Механическое закрепление экранов проводников повышает технологичность вследствие минимизации требований к прочности соединения диэлектрической подложки с пластиной и прочности соединения выводных проводников с контактными площадками. Электрическое соединение экранов с корпусом повышает чувствительность вследствие уменьшения влияния помех за счет экранирования внутренних цепей датчика от внешних электрических полей. Механическое соединение экранов выводных проводников с корпусом датчика повышает чувствительность вследствие исключения наружного влияния усилий, воздействующих на выводные проводники в процессе эксплуатации, на пластину и устранения вследствие этого паразитной модуляции выходного сигнала. Для этого же служит разнесение в пространстве места закрепления экранов к корпусу и к выступу пластины. Формирование электродов с контактными площадками на фольгированной стороне гибкой диэлектрической пленки повышает технологичность за счет исключения необходимости применения сложного и дорогого оборудования и повышает чувствительность вследствие возможности увеличения площади электродов за счет возможности размещения контактных площадок вне плоскости электродов. Кроме того, формирование электродов на фольгированной пленке и последующее ее разделение на отдельные подложки повышает технологичность вследствие возможности групповой технологии формирования электродов. Нанесение на соприкасающиеся поверхности подложек, упругого элемента и пластины клеящего материала, прижатие подложек к упругому элементу и пластине в областях размещения электродов с помощью технологических пластин с плоскими полированными поверхностями до окончания процесса полимеризации клеящего материала повышает технологичность за счет исключения необходимости полирования каждой диэлектрической подложки. Выдержка до окончания процесса полимеризации необходима для полного завершения процесса формирования гладкой поверхности электродов. В случае, если воздействие усилия прекратится до полной полимеризации клеящего материала, в процессе завершения полимеризации могут появиться искажения формы поверхности электродов, что приведет к ухудшению чувствительности. Выдержка после окончания процесса полимеризации нецелесообразна вследствие неоправданного увеличения технологического времени. Временная последовательность выполнения операций: закрепление экранов выводных проводников на выступе пластины и соединение выводных проводников с контактными площадками электродов, а экранов проводников - с корпусом датчика обеспечивает необходимую технологичность, так как в случае предварительного соединения выводных проводников с контактными площадками усилия, возникающие в выводных проводниках при их дальнейшей сборке, могут повлечь к отрыву контактных площадок от диэлектрической основы, т. е. к снижению технологичности. The contact pads are separated by evenly spaced radial conductive partitions made in one piece with the plate and the protrusion, which increases sensitivity due to increased noise immunity due to shielding from the mutual influence of the output conductors on each other. In addition, this design of partitions increases manufacturability due to the elimination of the need to manufacture separate screens. The implementation of the output conductors in the form of shielded conductors, the screens of which are electrically connected to the protrusion of the plate, also increases the noise immunity, and hence the sensitivity. The mechanical fastening of the shield of conductors increases manufacturability by minimizing the requirements for the strength of the connection of the dielectric substrate with the plate and the strength of the connection of the output conductors with pads. The electrical connection of the screens to the housing increases the sensitivity due to the reduction of the influence of interference due to the shielding of the internal circuits of the sensor from external electric fields. The mechanical connection of the screens of the output conductors with the sensor housing increases the sensitivity due to the exclusion of the external influence of the forces acting on the output conductors during operation, on the plate and elimination of the parasitic modulation of the output signal. For this, a spacing of the space for securing the screens to the body and to the protrusion of the plate serves for this. The formation of electrodes with pads on the foil side of a flexible dielectric film increases manufacturability by eliminating the need for complex and expensive equipment and increases sensitivity due to the possibility of increasing the area of the electrodes due to the possibility of placing pads outside the plane of the electrodes. In addition, the formation of electrodes on a foil film and its subsequent separation into separate substrates increases manufacturability due to the possibility of a group technology of electrode formation. The application of adhesive material on the contacting surfaces of the substrates, the elastic element and the plate, the pressing of the substrates on the elastic element and the plate in the areas where the electrodes are placed using technological plates with flat polished surfaces until the polymerization of the adhesive material is completed increases the manufacturability by eliminating the need to polish each dielectric substrate. Exposure to the end of the polymerization process is necessary to complete the process of forming a smooth surface of the electrodes. If the effect of the force ceases before the polymerization of the adhesive material is complete, during the completion of the polymerization, distortion of the surface shape of the electrodes may occur, which will lead to a deterioration in sensitivity. Exposure after the end of the polymerization process is impractical due to an unjustified increase in technological time. The time sequence of operations: fixing the screens of the output conductors to the protrusion of the plate and the connection of the output conductors to the contact pads of the electrodes, and the screens of the conductors to the sensor housing provides the necessary adaptability, since in the case of preliminary connection of the output conductors to the contact pads, the forces arising in the output conductors during their further assembly, may lead to separation of the contact pads from the dielectric base, i.e., to a decrease in manufacturability.

На фиг. 1 изображен предлагаемый емкостный датчик давления; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 - разрез В-В на фиг. 1. In FIG. 1 shows the proposed capacitive pressure sensor; in FIG. 2 is a section AA in FIG. 1; in FIG. 3 is a section BB in FIG. 1; in FIG. 4 is a section BB of FIG. 1.

Соотношения между размерами межэлектродного зазора, толщин электродов, толщин диэлектрических подложек и размерами других элементов конструкции для наглядности изменены. The relations between the dimensions of the interelectrode gap, the thickness of the electrodes, the thickness of the dielectric substrates and the dimensions of other structural elements have been changed for clarity.

Емкостный датчик давления содержит корпус 1, упругий элемент 2 в виде мембраны 3 с жестким центром 4 и с установленной на поверхности упругого элемента, противолежащей его планарной стороне, диэлектрической подложкой 5, на которой сформированы электроды 6, соединенные с контактными площадками 7, контактирующими с выводными проводниками 8. На упругом элементе закреплена, например, при помощи лазерной сварки, с межэлектродным зазором пластина 9 с установленной на ее торце второй диэлектрической подложкой 10, на которой сформированы ответные электроды 11, соединенные с контактными площадками 12, контактирующими с выводными проводниками 8. Диэлектрические подложки упругого элемента и пластины выполнены в виде гибких фольгированных диэлектрических пленок, жестко закрепленных, например, при помощи клеящего материала, нефольгированными сторонами на упругом элементе и пластине. Контактные площадки электродов размещены на подложках, закрепленных на торце пластины, противолежащем торцу с электродами, и на боковой поверхности выступа 13, выполненного в центральной части пластины, и разделены равномерно размещенными радиальными токопроводящими перегородками 14, выполненными за одно целое с пластиной и выступом, а выводные проводники выполнены в виде экранированных проводников, экраны 15 которых электрически и механически соединены с выступом и корпусом. Экраны соединяются с выступом при помощи бандажа и последующей пайки припоем. Соединение экранов с корпусом также осуществляется при помощи пайки припоем 16. Для предотвращения попадания припоя внутрь датчика используется прокладка из упругого материала, например, из кремнийорганической резины или политетрафторэтилена, армированного металлом. Прокладка поджимается разрезной гайкой 18. Одновременно припой 16, упругая прокладка 17, гайка 18 обеспечивают необходимую герметизацию внутренней полости датчика. Диэлектрические подложки выполнены из полиамидной пленки ФН толщиной 20 мкм, фольгированной никелевой фольгой толщиной 10 мкм. Величина межэлектродного зазора - 40 мкм. В качестве экранированных выводных проводников использован провод АВКТ-4. The capacitive pressure sensor comprises a housing 1, an elastic element 2 in the form of a membrane 3 with a rigid center 4 and with a dielectric substrate 5 mounted on the surface of the elastic element opposite its planar side, on which electrodes 6 are formed, connected to the contact pads 7 in contact with the output conductors 8. On the elastic element is fixed, for example, by laser welding, with an interelectrode gap, a plate 9 with a second dielectric substrate 10 mounted on its end, on which response electrodes are formed ktrody 11 connected to the contact pads 12 in contact with output conductors 8. The dielectric substrate of the elastic member and the plate are made in the form of flexible foil dielectric film, rigidly fixed, for example by means of adhesive material, nefolgirovannymi sides on the elastic member and the plate. The contact pads of the electrodes are placed on substrates mounted on the end of the plate, opposite the end with the electrodes, and on the side surface of the protrusion 13, made in the Central part of the plate, and separated by evenly spaced radial conductive partitions 14, made in one piece with the plate and the protrusion, and output the conductors are made in the form of shielded conductors, the screens 15 of which are electrically and mechanically connected to the protrusion and the housing. The screens are connected to the protrusion using a brace and subsequent soldering with solder. The screens are also connected to the case by soldering with a solder 16. To prevent solder from entering the sensor, a gasket made of elastic material, for example, silicone rubber or polytetrafluoroethylene reinforced with metal, is used. The gasket is pressed by a split nut 18. At the same time, solder 16, elastic gasket 17, nut 18 provide the necessary sealing of the internal cavity of the sensor. The dielectric substrates are made of a polyamide film of fn with a thickness of 20 μm, foil nickel foil with a thickness of 10 μm. The interelectrode gap is 40 μm. As a shielded output conductors used wire AVKT-4.

Способ реализуется следующим образом. Изготавливают при помощи известных методов механической обработки упругий элемент и пластину. На фольгированной пленке методом фотолитографии формируют электроды с контактными площадками как для упругого элемента, так и для пластины, причем для повышения технологичности и экономии материала целесообразно применять групповой способ формирования электродов с контактными площадками, т. е. когда на одной подложке формируется одновременно большое количество электродов с контактными площадками. Разделяют пленку на отдельные подложки с электродами и контактными площадками. Разделение в простейшем случае осуществляется специальными ножницами или штампами, а при изготовлении больших партий - при помощи автоматической резки, например, лазерным лучом. Наносят на соприкасающиеся поверхности подложек, упругого элемента и пластины клеящий материал, например, клей ВС-350. Толщина клеящего материала зависит, в частности, от неровностей упругого элемента и пластины и от отклонения формы и расположения жесткого центра от плоскости непланарной стороны упругого элемента. Прижимают подложки к упругому элементу и пластине. Прижатие к торцам упругого элемента и пластины со стороны размещения электродов осуществляется при помощи технологических пластин с плоскими полированными поверхностями до окончания процесса полимеризации клеящего материала. Для ускорения процесса полимеризации и повышения пластичности клеящего материала для более качественного заполнения неровностей полимеризацию проводят при температуре +250-270^оС в течение 1-1,5 ч. Усилие прижатия 2-4 кг/см². При этом клеящий материал заполняет неровности и шероховатости упругого элемента и пластины, а поверхность электродов упругого элемента и пластины будет повторять поверхность технологических пластин. Нанесение клеящего материала и прижатие подложки с контактными площадками 7 электродов упругого элемента к пластине целесообразно проводить после присоединения пластины к упругому элементу. Присоединение пластины проводится при помощи, например, лазерной сварки. После присоединения пластины подложки с контактными площадками 7 электродов упругого элемента переворачивают таким образом, чтобы они касались пластины только нефольгированной стороной (см. фиг. 2-4). Для обеспечения касания пластины подложкой с контактными площадками упругого элемента только фольгированной стороной возможно и другое расположение этой подложки, например петлеобразное. Закрепляют экраны выводных проводников на выступе пластины при помощи проволочного бандажа (на фиг. 1-4 не показано) с последующей пайкой. Соединяют выводные проводники с контактными площадками электродов при помощи пайки. Уплотняют промежуток между экранами и отверстием корпуса за счет смятия упругой прокладки при помощи разрезной гайки. Присоединяют экран проводов к корпусу датчика при помощи припоя.The method is implemented as follows. An elastic element and a plate are made using known mechanical processing methods. The method of photolithography on the foil film forms electrodes with contact pads for both the elastic element and the plate, and to improve manufacturability and material saving it is advisable to use the group method of forming electrodes with contact pads, i.e., when a large number of electrodes are formed simultaneously on one substrate with contact pads. Separate the film into separate substrates with electrodes and pads. Separation in the simplest case is carried out with special scissors or dies, and in the manufacture of large batches - using automatic cutting, for example, with a laser beam. Apply adhesive material, for example, BC-350 glue, to the contacting surfaces of the substrates, the elastic element and the plate. The thickness of the adhesive material depends, in particular, on the irregularities of the elastic element and the plate and on the deviation of the shape and location of the rigid center from the plane of the non-planar side of the elastic element. Press the substrate to the elastic element and the plate. The elastic element and plate are pressed to the ends from the electrode placement side by means of technological plates with flat polished surfaces until the end of the polymerization of the adhesive material. To accelerate the polymerization process and increase the ductility of the adhesive material to better fill irregularities polymerization is carried out at + 250-270 ^{° C} for 1-1.5 h. The clamping force of 2-4 kg / cm ^2. In this case, the adhesive material fills the bumps and roughnesses of the elastic element and the plate, and the surface of the electrodes of the elastic element and the plate will repeat the surface of the technological plates. It is advisable to carry out the application of adhesive material and pressing the substrate with contact pads 7 of the electrodes of the elastic element to the plate after attaching the plate to the elastic element. Joining the plate is carried out using, for example, laser welding. After attaching the substrate plate to the contact pads, the 7 electrodes of the elastic element are turned over so that they touch the plate only with the non-folded side (see Fig. 2-4). To ensure that the plate touches the substrate with the contact pads of the elastic element only with the foil side, another arrangement of this substrate is also possible, for example, loop-shaped. The screens of the output conductors are fixed on the ledge of the plate using a wire band (not shown in Fig. 1-4) with subsequent soldering. Connect the lead conductors to the contact pads of the electrodes by soldering. Seal the gap between the screens and the housing opening by squeezing the elastic gasket with a split nut. Connect the screen of wires to the sensor housing using solder.

Емкостный датчик давления работает следующим образом. Под воздействием измеряемого давления мембрана упругого элемента, а следовательно, и жесткий центр 4 и диэлектрическая подложка 5, закрепленная на упругом элементе 2, прогибаются в сторону пластины 9. Вследствие этого подвижный электрод 6 измерительного конденсатора, размещенный в центре мембраны, также переместится к неподвижному электроду 11 измерительного конденсатора, размещенного в центральной части пластины. Поэтому емкость измерительного конденсатора увеличивается. Емкость эталонного конденсатора, образованного электродами, размещенными на периферии упругого элемента и пластины, не зависит от измеряемого давления вследствие большой жесткости опорного основания по сравнению с мембраной. Значения емкостей измерительного и эталонного конденсаторов через контактные площадки 12 и выводные проводники 8 передаются на нормирующее устройство (на фиг. 1-4 не показано), которое формирует выходной сигнал, зависящий от отношения измерительной и эталонной емкостей. При измерении разрежения вследствие жесткой сварки жесткого центра упругого элемента и центральной части диэлектрической подложки упругого элемента подвижный электрод измерительного конденсатора отслеживает перемещение жесткого центра мембраны под действием разрежения. При этом подвижный электрод измерительного конденсатора удаляется от неподвижного, а следовательно, емкость измерительного конденсатора при измерении разрежения уменьшается. Дальнейшее преобразование осуществляется аналогично случаю измерения давления. Capacitive pressure sensor operates as follows. Under the influence of the measured pressure, the membrane of the elastic element, and therefore the rigid center 4 and the dielectric substrate 5, mounted on the elastic element 2, bend towards the plate 9. As a result, the movable electrode 6 of the measuring capacitor located in the center of the membrane also moves to the stationary electrode 11 measuring capacitor located in the Central part of the plate. Therefore, the capacitance of the measuring capacitor increases. The capacity of the reference capacitor formed by electrodes located on the periphery of the elastic element and the plate does not depend on the measured pressure due to the high rigidity of the support base compared to the membrane. The capacitance values of the measuring and reference capacitors through the contact pads 12 and the output conductors 8 are transmitted to a normalizing device (not shown in Fig. 1-4), which generates an output signal depending on the ratio of the measuring and reference capacities. When measuring rarefaction due to hard welding of the rigid center of the elastic element and the central part of the dielectric substrate of the elastic element, the movable electrode of the measuring capacitor monitors the movement of the rigid center of the membrane under the action of rarefaction. In this case, the movable electrode of the measuring capacitor moves away from the stationary one, and therefore, the capacitance of the measuring capacitor decreases when measuring rarefaction. Further conversion is carried out similarly to the case of pressure measurement.

Преимуществом заявляемого решения является увеличение более чем на порядок чувствительности за счет уменьшения жесткости диэлектрической подложки упругого элемента, за счет возможности увеличения площади электродов вследствие размещения контактных площадок вне плоскости электродов, за счет повышения помехоустойчивости вследствие полного экранирования выводных проводников. Другим преимуществом заявляемой конструкции и способа изготовления является повышение технологичности за счет исключения необходимости использования дорогого и сложного оборудования для полировки диэлектрических подложек и напыления электродов, исключения необходимости формирования жесткого центра диэлектрической подложки упругого элемента и за счет заявляемой последовательности выполнения технологических операций. Повышение технологичности приводит к существенному уменьшению трудозатрат, необходимых для изготовления датчика, а следовательно, и стоимости датчика, что позволяет широко использовать эти датчики в тех отраслях народного хозяйства, где этот фактор является определяющим. Преимуществом заявляемых решений является также расширение функциональных возможностей за счет возможности измерения разрежения вследствие жесткой связи жесткого центра упругого элемента с его диэлектрической подложкой. (56) 1. Патент США N 4562742, кл. G 01 L 9/12, 1985. The advantage of the proposed solution is to increase the sensitivity by more than an order of magnitude by reducing the stiffness of the dielectric substrate of the elastic element, due to the possibility of increasing the area of the electrodes due to the placement of contact pads outside the plane of the electrodes, due to increased noise immunity due to the complete shielding of the lead conductors. Another advantage of the claimed design and manufacturing method is to increase manufacturability by eliminating the need for expensive and complex equipment for polishing dielectric substrates and spraying electrodes, eliminating the need to form a rigid center of the dielectric substrate of the elastic element and due to the claimed sequence of technological operations. Improving manufacturability leads to a significant reduction in the labor required for the manufacture of the sensor, and hence the cost of the sensor, which makes it possible to widely use these sensors in those sectors of the economy where this factor is decisive. An advantage of the claimed solutions is also the expansion of functionality due to the possibility of measuring rarefaction due to the rigid connection of the rigid center of the elastic element with its dielectric substrate. (56) 1. U.S. Patent No. 4,562,742, cl. G 01 L 9/12, 1985.

2. Авторское свидетельство СССР N 1727008, кл. G 01 L 9/12, 1989. 2. Copyright certificate of the USSR N 1727008, cl. G 01 L 9/12, 1989.

Claims

CAPACITIVE PRESSURE SENSOR AND METHOD FOR ITS MANUFACTURE
1. A capacitive pressure sensor containing an elastic element housed in a housing in the form of a membrane with a rigid center and with a first dielectric substrate mounted on its unplanned side, on which electrodes are formed, connected to contact pads that are connected to the output wires with a second dielectric substrate mounted on its end, on which response electrodes are formed, connected to contact pads in contact with the output conductors, distinguishing This is because, in order to increase the manufacturability, sensitivity, and expansion of the application area, the first and second dielectric substrates are made in the form of flexible foil-coated dielectric films on one side, rigidly bonded to non-folded sides respectively on the elastic element and the plate, and the contact pads of the electrodes in the electrodes placed on the substrate sections, mounted on the end face of the plate, opposite the end face with the electrodes, and on the lateral surface of the protrusion made in the central part of the plate slime, and an Area pavnomepno LOCALIZATION padialnymi tokoppovodyaschimi pepegopodkami, formed integrally with the plate and the protrusion and excretory ppovodniki formed as ekpanipovannyh ppovodnikov, ek.pana eccentricity elektpicheski and mechanically connected to the projection and koppusom.

2. A method of manufacturing a capacitive pressure sensor, which consists in the manufacture of an elastic element and plate, the formation of electrodes with contact pads on the dielectric substrates of the elastic element and plate, characterized in that, in order to improve manufacturability, electrodes with contact pads are formed on the folded side of a flexible dielectric film , divide it into separate substrates with electrodes and contact pads, apply adhesive materials to the contacting surfaces of the substrates, elastic element and plate al, they attach the substrates to the elastic element and the plate, in particular, the ad- justment in the areas of electrode placement is carried out by technological plates with flat polished surfaces until the end of the polymerisation process of the adhesive material, the plate is clamped to an elastic element with an interelectrode gap connect the output conductors with the contact pads of the electrodes, and the screens of the output conductors with the housing of the sensor.