RU2010201C1

RU2010201C1 - Capacitive pressure transducer

Info

Publication number: RU2010201C1
Authority: RU
Inventors: Е.А. Мокров; Е.М. Белозубов
Original assignee: Научно-исследовательский институт физических измерений
Priority date: 1991-07-09
Filing date: 1991-07-09
Publication date: 1994-03-30

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: capacitive pressure transducer has body, manometer sensitive element composed of bellows with common bottom, capacitive deformation transducer in the form of three cylindrical electrodes. First electrode is made fast via insulating element to bellows in area of location of common bottom, second and third electrodes are fabricated in the form of rings placed with clearance with respect to each other on to dielectric bushing anchored concentrically to first electrode. Dielectric bushing produced from polyamide film, for instance, may be put on first electrode as electric insulation. Foiled surface of film in this specific case is functioning as first electrode. EFFECT: enhanced sensitivity, facilitated manufacture. 3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в датчиках, применяемых для измерения давления в различных областях народного хозяйства. The invention relates to measuring equipment and can be used in sensors used to measure pressure in various fields of the national economy.

Известен датчик давления, содержащий корпус, мембрану с жестким центром и цилиндрическим периферийным основанием, диск, закрепленный с зазором на мембране при помощи прокладки, и емкостный преобразователь деформаций в виде двух пар противолежащих электродов, первая из которых расположена по центру мембраны и диска, а вторая - на консольной части мембраны и на периферии диска [1] . A known pressure sensor comprising a housing, a membrane with a rigid center and a cylindrical peripheral base, a disk fixed with a gap on the membrane by means of a gasket, and a capacitive strain transducer in the form of two pairs of opposite electrodes, the first of which is located in the center of the membrane and disk, and the second - on the cantilever part of the membrane and on the periphery of the disk [1].

Недостатком известной конструкции является сравнительно невысокая технологичность, связанная с необходимостью применения сложных технологических процессов. Это не позволяет производить емкостные датчики с приемлемой для многих отраслей народного хозяйства стоимостью. A disadvantage of the known design is the relatively low manufacturability associated with the need for complex technological processes. This does not allow the production of capacitive sensors with acceptable cost for many sectors of the national economy.

Недостатком известной конструкции являются неширокие функциональные возможности, связанные с тем, что известный датчик не может измерять давление относительно имеющегося атмосферного давления окружающей среды (т. е. избыточное давление), а также не может измерять разность давлений, а может измерять только абсолютное давление (т. е. давление относительно вакуума или давление относительно постоянного давления определенной величины). A disadvantage of the known design is the limited functionality associated with the fact that the known sensor cannot measure pressure relative to the available atmospheric pressure of the environment (i.e., overpressure), and also cannot measure the pressure difference, but can only measure absolute pressure (t i.e. pressure relative to vacuum or pressure relative to a constant pressure of a certain value).

Недостатком известной конструкции является также сравнительно небольшая чувствительность, вызванная сравнительно небольшой величиной изменения емкости под воздействием измеряемого давления. A disadvantage of the known design is also a relatively small sensitivity caused by the relatively small magnitude of the change in capacitance under the influence of the measured pressure.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой конструкции является емкостный датчик давления, содержащий корпус, две мембраны, связанные общим жестким центром, и емкостный преобразователь перемещения [2] . The closest in technical essence to the proposed design is a capacitive pressure sensor containing a housing, two membranes connected by a common rigid center, and a capacitive displacement transducer [2].

Недостатком известной конструкции является сравнительно небольшая чувствительность, связанная со сравнительно небольшим изменением емкостей электродов под воздействием измеряемых давлений. A disadvantage of the known design is the relatively small sensitivity associated with the relatively small change in capacitance of the electrodes under the influence of measured pressures.

Цель изобретения - повышение чувствительности и технологичности за счет увеличения изменения емкости электродов от воздействия измеряемых давлений и упрощения сборки датчика. The purpose of the invention is to increase the sensitivity and manufacturability by increasing the change in the capacitance of the electrodes from the effects of the measured pressures and simplifying the assembly of the sensor.

В емкостном датчике давления, содержащем корпус с двумя приемными камерами с входными отверстиями, расположенными в корпусе, манометрический чувствительный элемент и емкостный преобразователь деформаций, манометрический чувствительный элемент выполнен в виде двух сильфонов с общим дном, прикрепленных своими концами к внутренним кромкам входных отверстий соответствующих приемных камер, а преобразователь деформаций выполнен в виде трех цилиндрических электродов, первый из которых расположен снаружи сильфонов и через изолирующий элемент жестко прикреплен к ним в месте расположения общего дна, а второй и третий электроды выполнены в виде колец, расположенных с зазором друг относительно друга на диэлектрической втулке, закрепленной в корпусе концентрично первому электроду. Кроме того, изолирующий элемент в емкостном датчике давления выполнен в виде диэлектрического плоского кольца или диэлектрической втулки. In a capacitive pressure sensor comprising a housing with two receiving chambers with inlet openings located in the housing, a pressure gauge element and a capacitive strain transducer, a pressure gauge element is made in the form of two bellows with a common bottom attached at their ends to the inner edges of the inlets of the respective receiving chambers and the strain transducer is made in the form of three cylindrical electrodes, the first of which is located outside the bellows and through an insulating ele the cop is rigidly attached to them at the location of the common bottom, and the second and third electrodes are made in the form of rings located with a gap relative to each other on a dielectric sleeve fixed in the housing concentrically to the first electrode. In addition, the insulating element in the capacitive pressure sensor is made in the form of a dielectric flat ring or a dielectric sleeve.

На фиг. 1 изображен емкостный датчик давления; на фиг. 2а изображено возможное положение электродов при равенстве давлений, воздействующих с разных сторон мембраны; на фиг. 2б, 2в - при максимальных превышениях давлений с одной из сторон мембраны над давлением с другой стороны; на фиг. 3 показан узел датчика с электродами и диэлектрическими втулками. In FIG. 1 shows a capacitive pressure sensor; in FIG. 2a shows the possible position of the electrodes with equal pressures acting on different sides of the membrane; in FIG. 2b, 2c - at maximum excess pressures on one side of the membrane over pressure on the other side; in FIG. 3 shows a sensor assembly with electrodes and dielectric bushings.

Емкостный датчик давления содержит корпус 1, манометрический чувствительный элемент, состоящий из сильфона 3 и сильфона 4 с общим дном 2, емкостный преобразователь деформаций в виде трех цилиндрических электродов, первый из которых 5 через изолирующий элемент 6 жестко прикреплен к сильфонам 3, 4 в месте расположения общего дна 2, а второй 7 и третий 8 электроды выполнены в виде колец, расположенных с зазором 9 относительно друг друга на диэлектрической втулке 10, закрепленной концентрично первому электроду. Электрическую изоляцию первого электрода может осуществлять диэлектрическая втулка 11 (см. фиг. 3), выполненная, например, из полиимидной пленки, фольгированная поверхность которой в данном случае выполняет функцию первого электрода. Корпус датчика выполнен из сплава 12Х12Н10Т, сильфоны с общим дном выполнен из сплава 36НХТЮ. Второй и третий электроды выполнены фотолитографией фольгированной полиимидной пленки ПФ-1 толщиной 20 мкм. Толщины никелевой фольги - 10 мкм. The capacitive pressure sensor contains a housing 1, a manometric sensitive element consisting of a bellows 3 and a bellows 4 with a common bottom 2, a capacitive strain transducer in the form of three cylindrical electrodes, the first of which 5 is rigidly attached to the bellows 3, 4 through the insulating element 6 at the location the common bottom 2, and the second 7 and third 8 electrodes are made in the form of rings located with a gap 9 relative to each other on a dielectric sleeve 10 fixed concentrically to the first electrode. The dielectric sleeve 11 (see FIG. 3), for example, made of a polyimide film, the foil surface of which in this case serves as the first electrode, can electrically isolate the first electrode. The sensor housing is made of 12X12H10T alloy, the bellows with a common bottom is made of 36NXTY. The second and third electrodes are made by photolithography of a foil-coated polyimide film PF-1 with a thickness of 20 μm. The thickness of the nickel foil is 10 μm.

Емкостный датчик давления работает следующим образом. В начальном состоянии при равенстве измеряемых давлений, воздействующих в разных сторон Р₁ и Р₂, емкость конденсаторов, образованных электродами 5 и 7 (С5-7), а также 5 и 8 (С5-8), равны между собой. В случае превышения измеряемым давлением Р₁ давления Р₂ в результате деформации сильфонов первый электрод переместится таким образом, что емкость конденсатора М5-7 увеличится, а емкость конденсатора С5-8 уменьшится. При воздействии максимальной разницы давлений Р₁ и Р₂, воздействующих на мембрану, первый электрод примет положение, изображенное на фиг. 25. При этом емкость конденсатора С5-7 будет максимальна, а емкость конденсатора С5-8 - минимальна и равна 0. В случае превышения давлением Р₂, давления Р₁ в результате деформаций сильфонов первый электрод переместится таким образом, что емкость конденсатора С5-7 уменьшится, а емкость конденсатора С5-8 увеличится. Пpи максимальном превышении давлением Р₂ давления Р₁ первый электрод примет положение, изображенное на фиг. 2в. При этом емкость конденсатора С5-7 будет минимальна, а емкость конденсатора С5-8 максимальна. Измеряя значения емкостей конденсаторов С5-7 и С5-8, можно однозначно судить о соотношениях давлений, воздействующих на сильфоны.Capacitive pressure sensor operates as follows. In the initial state, when the measured pressures acting on different sides of P ₁ and P ₂ are equal, the capacitance of the capacitors formed by the electrodes 5 and 7 (C5-7), as well as 5 and 8 (C5-8), are equal to each other. If the measured pressure P ₁ exceeds the pressure P ₂ as a result of the deformation of the bellows, the first electrode will move so that the capacitance of the capacitor M5-7 will increase, and the capacitance of the capacitor C5-8 will decrease. When exposed to the maximum pressure difference P ₁ and P ₂ acting on the membrane, the first electrode will assume the position shown in FIG. 25. In this case, the capacitance of the capacitor C5-7 will be maximum, and the capacitance of the capacitor C5-8 will be minimal and equal to 0. If the pressure P ₂ exceeds the pressure P ₁ as a result of deformation of the bellows, the first electrode will move so that the capacitor C5-7 will decrease, and the capacitance of the capacitor C5-8 will increase. With the maximum pressure P ₂ exceeding the pressure P _{1, the} first electrode will assume the position shown in FIG. 2c. In this case, the capacitance of the capacitor C5-7 will be minimal, and the capacitance of the capacitor C5-8 will be maximum. By measuring the capacitance values of the capacitors C5-7 and C5-8, we can unambiguously judge the pressure ratios acting on the bellows.

Таким образом, в зависимости от соотношений давлений, действующих на сильфоны, емкость конденсаторов С5-7 и С5-8 монотонно меняется от 0 до максимальных значений, что, во-первых, говорит об однозначном соответствии величин емкости измеряемым давлениям, а во-вторых, 100% -ной модуляции величин емкостей конденсаторов измеряемым давлением. В связи с тем, что в качестве давления Р₂ может выступать как давление окружающей датчик атмосферы, так и любое другое давление, изолированное от давления, воздействующего на основную мембрану, заявляемый датчик давления может измерять как избыточное давление, так и разность давлений.Thus, depending on the ratios of the pressures acting on the bellows, the capacitance of the capacitors C5-7 and C5-8 monotonically varies from 0 to maximum values, which, firstly, indicates the unambiguous correspondence of the capacitance values to the measured pressures, and secondly, 100% modulation of capacitance values by measured pressure. Due to the fact that both the pressure of the atmosphere surrounding the sensor and any other pressure isolated from the pressure acting on the main membrane can act as the pressure P ₂ , the inventive pressure sensor can measure both excess pressure and the pressure difference.

Выполнение манометрического чувствительного элемента в виде сильфонов с общим дном повышает чувствительность за счет увеличения перемещения первого электрода, а следовательно, и величины емкости от измеряемого давления. The implementation of the manometric sensor in the form of bellows with a common bottom increases the sensitivity by increasing the displacement of the first electrode, and therefore, the capacitance from the measured pressure.

Преимуществом заявляемой конструкции является также повышение надежности за счет исключения избыточного количества элементов и уменьшения количества их межсоединений, которые являются наиболее слабыми звеньями конструкции. (56) 1. Авторское свидетельство СССР N 1622788, кл. G 01 L 9/12, 1989. An advantage of the claimed design is also to increase reliability by eliminating the excessive number of elements and reducing the number of their interconnects, which are the weakest parts of the structure. (56) 1. USSR author's certificate N 1622788, cl. G 01 L 9/12, 1989.

2. Авторское свидетельство СССР кл. 617695, кл. G 01 L 13/02, 1977. 2. Copyright certificate of the USSR class. 617695, cl. G 01 L 13/02, 1977.

Claims

1. A CAPACITIVE PRESSURE SENSOR containing a housing with two premium cameras with inlet openings, a pressure-sensitive element located in the housing and a capacitive converter of defor- mations, characterized in that the pressure-sensitive element is made in a manner similar to that of two corresponding reception chambers, and the deformer is made in the form of three cylindrical electrodes, the first of which is located outside of the bellows and through the insulating element it is rigidly attached to them at the location of the common bottom, and the second and third electrodes are made in the form of rings located with a gap relative to each other on a dielectric sleeve fastened in the housing concentrically to the first electrode.

2. The pressure sensor according to claim 1, characterized in that the insulating element is made in the form of a dielectric flat ring or dielectric sleeve.