RU2082130C1

RU2082130C1 - Capacitive pressure transducer

Info

Publication number: RU2082130C1
Application number: RU94015092A
Authority: RU
Inventors: А.А. Казарян
Original assignee: Центральный аэрогидродинамический институт им.проф.Н.Е.Жуковского
Priority date: 1994-04-28
Filing date: 1994-04-28
Publication date: 1997-06-20

Abstract

FIELD: automated protection, test, control and diagnostics systems. SUBSTANCE: capacitive pressure transducer is formed from four layers of foiled or metallized dielectric films. First foiled film is common screen of transducer guarding against external actions. Second and fourth films are plates of capacitor. Perforated film is placed between second and fourth foiled dielectric films to increase sensitivity of transducer. Perforation cells communicate with atmospheric pressure by means of bearing holes. EFFECT: simplified design, facilitated manufacture and improved functional reliability. 1 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в охранной сигнализации, в диагностических и контрольно-измерительных информационных системах. The invention relates to the field of measuring equipment and can be used in burglar alarms, in diagnostic and instrumentation information systems.

Известен пироэлектрический датчик пульсаций давления. На стеклянную пластину осаждают полимерную подложку. На эту подложку последовательно напыляют электроды и слой чувствительного элемента из пироэлектрического материала и верхний электрод. Такой датчик не обеспечивает измерение давления охраняемых объектов. [1]
К недостаткам следует отнести: низкую надежность контактов пайки чувствительного элемента (ЧЭ) из кристалла в условиях охранной сигнализации, плохую адгезию пироэлектрика со стеклом, незащищенность от внешних электромагнитных помех. Основание датчика из стекла не выдерживает высокие уровни ударной и статической нагрузки.Known pyroelectric pressure pulsation sensor. A polymer substrate is deposited on a glass plate. Electrodes and a layer of a sensitive element made of pyroelectric material and the upper electrode are successively sprayed onto this substrate. Such a sensor does not provide pressure measurement of protected objects. [one]
The disadvantages include: low reliability of the contacts of the soldering of the sensitive element (CE) from the crystal in the conditions of the security alarm, poor adhesion of the pyroelectric to glass, and exposure to external electromagnetic interference. The glass base of the sensor does not withstand high levels of shock and static load.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является емкостной пленочный датчик давления, который состоит из четырех слоев диэлектрической пленки. На первой пленке сформирован общий сплошной экран, а на верхней поверхности второй и нижней поверхности четвертой диэлектрических пленок сформированы обкладки, боковой экран и выводы конденсаторов. С целью повышения чувствительности четвертая пленка перфорированная. Соединение четырех пленок между собой и установка датчика на поверхности исследуемой модели осуществляется с помощью клея [2]
Такое решение указанной конструкции неполностью обеспечивает измерение давления в области охранной сигнализации из-за небольшого размера ЧЭ и низкой избирательности.Closest to the invention, the technical solution is a capacitive film pressure sensor, which consists of four layers of a dielectric film. A common continuous screen is formed on the first film, and plates, a side screen and capacitor leads are formed on the upper surface of the second and lower surfaces of the fourth dielectric films. In order to increase the sensitivity, the fourth film is perforated. The connection of the four films with each other and the installation of the sensor on the surface of the investigated model is carried out using glue [2]
Such a solution of this design does not fully provide pressure measurement in the area of the security alarm due to the small size of the SE and low selectivity.

Этот датчик обладает рядом недостатков, затрудняющих его применение в системе диагностики и охранной сигнализации. К числу этих недостатков можно отнести недостаточную жесткость конструкции датчика, невозможность демонтажа датчика и повторного использования. This sensor has several disadvantages that make it difficult to use in the diagnostic system and burglar alarm. Among these disadvantages include the lack of rigidity of the sensor design, the inability to dismantle the sensor and reuse.

Задачей настоящего изобретения является повышение чувствительности, надежности и расширение области применения. Чувствительность и надежность повышается за счет увеличения размеров ЧЭ и применения материалов с большим модулем упругости, что является техническим результатом. The objective of the present invention is to increase the sensitivity, reliability and expansion of the scope. The sensitivity and reliability is increased by increasing the size of the SE and the use of materials with a large modulus of elasticity, which is a technical result.

Технический результат достигается тем, что в датчике давления, содержащем четыре слоя диэлектрической пленки, на нижней поверхности второй пленки сформирован общий экран, а на верхней поверхности прямоугольная обкладка, охваченная боковым экраном, третья диэлектрическая пленка перфорированная, четвертая пленка является мембраной датчика, на верхней поверхности второй диэлектрической пленки по периметру обкладки датчика между прямоугольной обкладкой и боковым экраном сформирована компенсационная обкладка, на первой и второй пленках соосно выполнены отверстия опорного давления, диаметр каждого меньше диаметра ячейки перфорации в 17 200 раз, причем толщину перфорированной пленки выбирают из соотношения t ≥δ (1-66,6) раза, где d толщина мембраны, а верхняя поверхность и нижняя поверхность мембраны покрыты диэлектрической пленкой. The technical result is achieved in that in a pressure sensor containing four layers of a dielectric film, a common screen is formed on the lower surface of the second film, and on the upper surface there is a rectangular lining covered by the side screen, the third dielectric film is perforated, the fourth film is a sensor membrane, on the upper surface a second dielectric film around the perimeter of the sensor lining between the rectangular lining and the side screen, a compensation lining is formed, on the first and second film the holes of the reference pressure are coaxially made, the diameter of each is less than the diameter of the perforation cell by 17,200 times, and the thickness of the perforated film is selected from the ratio t ≥ δ (1-66.6) times, where d is the thickness of the membrane, and the upper surface and lower surface of the membrane are coated with a dielectric film.

На чертеже изображена конструкция датчика давления. Основание датчика из фольгированной диэлектрической пленки содержит первую диэлектрическую пленку 1, основной экран 2, вторую диэлектрическую пленку 3, обкладку датчика 4, компенсационную обкладку 5, боковой экран 6, сквозные отверстия опорного давления 7, третью диэлектрическую пленку 8 с ячейками перфорации 9, на поверхности четвертой диэлектрической пленки 10 сформирована верхняя обкладка 11, (мембрана датчика), которая защищена от внешних воздействий тонким слоем диэлектрической пленки 12. Все четыре слоя пленок между собой скрепляют клеем. The drawing shows the design of the pressure sensor. The base of the sensor made of foil-coated dielectric film contains the first dielectric film 1, the main screen 2, the second dielectric film 3, the sensor cover 4, the compensation plate 5, the side screen 6, the through holes of the reference pressure 7, the third dielectric film 8 with perforation cells 9, on the surface the fourth dielectric film 10 formed the upper lining 11, (sensor membrane), which is protected from external influences by a thin layer of dielectric film 12. All four layers of films are bonded together .

Опорные отверстия 7 позволяют выравнивать давление в каждой ячейке перфорации 9 с давлением окружающей среды. При этом не образуется воздушная прослойка за мембраной (обкладкой) 11 и повышается чувствительность датчика. Все обкладки датчика на поверхности фольгированных диэлектрических пленок формируют методом фотолитографии. С помощью обкладок 5, 11 формируют компенсационную емкость для подключения в цепи коррекции электронной схемы. Емкость компенсации должна быть больше емкости утечки. Напряжение поляризации подают на верхнюю обкладку 11 и снимают с нижней обкладки 4. В зависимости от требуемой чувствительности и размеров датчика прямоугольной формы диаметр ячейки перфорации выбирают от 5 до 20 мм, при этом для обеспечения связи ячейки перфорации с окружающей средой опорные отверстия выполняют диаметром от 0,1 до 0,3 мм. Диаметр отверстия перфорации выбирают больше в 17-200 раз отверстия опорного давления из следующего соотношения

раз. Отверстие перфорации и опорное отверстие находятся на одной оси. Толщину t пленки 8 с ячейками перфорации 9 выбирают больше толщины обкладки 10 в примерно 1-66,6 раз с целью обеспечения нормального прогиба мембраны внутрь ячейки перфорации. Такое соотношение можно обеспечить, исходя из следующих соотношений

. Рациональные значения размеров сторон чувствительных элементов датчиков для применения в системах контроля и диагностики, находятся в пределах 6х9 - 200х300 мм при прямоугольной форме, т.е. 9/6=300/200=1,5. Прямоугольная форма чувствительного элемента датчика обеспечивает симметричное и равномерное распределение электрического поля у краев датчика.The support holes 7 make it possible to equalize the pressure in each perforation cell 9 with the ambient pressure. This does not form an air gap behind the membrane (lining) 11 and increases the sensitivity of the sensor. All sensor plates on the surface of foil-coated dielectric films are formed by photolithography. Using plates 5, 11 form the compensation capacitance for connection in the correction circuit of the electronic circuit. The compensation capacity must be greater than the leakage capacity. The polarization voltage is supplied to the upper plate 11 and removed from the lower plate 4. Depending on the required sensitivity and the size of the rectangular-shaped sensor, the diameter of the perforation cell is selected from 5 to 20 mm, while to ensure the connection of the perforation cell with the environment, the support holes are made with a diameter of 0 , 1 to 0.3 mm. The diameter of the perforation hole is chosen more than 17-200 times the reference pressure hole from the following ratio

time. The perforation hole and the support hole are on the same axis. The thickness t of the film 8 with the perforation cells 9 is selected to be approximately 1-66.6 times greater than the thickness of the lining 10 in order to ensure normal deflection of the membrane inside the perforation cell. This ratio can be provided on the basis of the following ratios

. Rational values of the sizes of the sides of the sensitive elements of sensors for use in monitoring and diagnostics systems are in the range of 6x9 - 200x300 mm with a rectangular shape, i.e. 9/6 = 300/200 = 1.5. The rectangular shape of the sensor element provides a symmetrical and uniform distribution of the electric field at the edges of the sensor.

Принцип работы датчика. При изменении давления на величину ΔP изменяется расстояние между обкладкой 4 и обкладкой 10. Изменение этого расстояния приводит к изменению емкости C на величину ΔC По этому изменению судят о величине давления. The principle of operation of the sensor. When the pressure changes by ΔP, the distance between the plate 4 and the plate 10 changes. A change in this distance leads to a change in the capacitance C by a value ΔC. The pressure value is judged from this change.

С этой целью заявителем были изготовлены и проверены тонкопленочные датчики с размерами чувствительных элементов, обкладка 200х300 мм с диаметрами ячейки перфорации ⌀ 20 мм и o 5 мм, начальные емкости датчиков 40 пф, 2 пф, и примерно 5 пф соответственно. Коэффициент чувствительности этих датчиков находятся в пределах 2•10^-5 10^-6 Па^-1 соответственно. Датчики были предназначены для опробования в системах охранной сигнализации. Такое конструктивное решение тонкопленочных датчиков повышает технико-экономическую эффективность в диагностических системах контроля и управления объектов промышленности.For this purpose, the applicant manufactured and tested thin-film sensors with dimensions of sensitive elements, a lining of 200x300 mm with perforation cell diameters of ⌀ 20 mm and o 5 mm, the initial capacitance of the sensors was 40 pf, 2 pf, and about 5 pf, respectively. The sensitivity coefficient of these sensors is in the range 2 • 10 ^-5 10 ^-6 Pa ^-1, respectively. The sensors were designed for testing in alarm systems. Such a constructive solution of thin-film sensors increases technical and economic efficiency in diagnostic systems for monitoring and controlling industrial facilities.

Claims

A capacitive pressure sensor containing four dielectric films connected by an adhesive joint in a package, the first of which is the base of the sensor and a common metal screen is formed on its upper surface, a rectangular first capacitor lining is formed on the upper surface of the second film. covered by the contour of the side screen, the third film is perforated with holes, and the fourth film with a second capacitor lining is a sensor membrane, characterized in that it is equipped with a compensation lining formed on the upper surface of the second dielectric film and located along the perimeter of the first capacitor lining between it and side screen, in the first and second films, in the common screen and the first lining of the capacitor are made coaxial reference pressure holes located along the axis of the hole perforation of the third film, and the second capacitor lining is formed on the upper surface of the fourth film and covered with an introduced layer of protective dielectric film, while the diameter of the coaxial holes of the reference pressure is 17 200 times smaller than the diameter of the holes of the perforation, and the thickness t of the third perforated film is selected from the relation t ≥ ( 1-66.6) δ, where δ is the thickness of the fourth film with the second lining.