RU2082131C1

RU2082131C1 - Capacitance pressure gauge and method for its manufacturing

Info

Publication number: RU2082131C1
Application number: RU94022732A
Authority: RU
Inventors: А.А. Казарян
Original assignee: Центральный аэрогидродинамический институт им.проф.Н.Е.Жуковского
Priority date: 1994-06-24
Filing date: 1994-06-24
Publication date: 1997-06-20

Abstract

FIELD: instruments. SUBSTANCE: device has four dielectric film layers 1, 3, 9, 10 which are joined in packet. Perforated layer 9 serves as stiffening ring. Layer 10 is convex and shaped as diaphragm which is covered with layer of metal foil 11. Basic screen 2 and additional screen 3 serve for protection against electromagnetic noise. Capacitor plate 4 is generated on surface of layer 3. In course of manufacturing, layers of dielectric film are glued using given temperature, pressure mode during given time. When packet is assembled, diaphragm convex shape is provided by pressing film layer 10. EFFECT: increased reliability. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретения относятся к области измерительной техники и могут быть использовано в автоматизированных системах управления и контроля, а также в системах охранной сигнализации. The invention relates to the field of measurement technology and can be used in automated control and monitoring systems, as well as in alarm systems.

Известен тонкопленочный пироэлектрический датчик давления, основание которого выполнено из стекла, на поверхности стекла расположена металлизированная обкладка конденсатора, покрытая диэлектрической пленкой, обладающей пироэффектом, и ответная обкладка (Беляев С.В. и др. Регистрация акустической волны в газовой среде тонкопленочными пироэлектрическими датчиками, Акустический журнал, том XXX, N 4, 1984, с. 428-431). A thin-film pyroelectric pressure sensor is known, the base of which is made of glass, on the glass surface there is a metallized capacitor lining coated with a dielectric film having a pyroelectric effect, and a response lining (Belyaev S.V. et al. Acoustic wave registration in a gaseous medium by thin-film pyroelectric sensors, Acoustic Journal, Volume XXX, N 4, 1984, pp. 428-431).

В процессе изготовления датчика на стеклянную пластинку осаждают полиимидную подложку, на которую затем последовательно напыляют обкладки, слой чувствительного элемента (ЧЭ) из пироэлектрического материала и верхнюю обкладку. In the process of manufacturing the sensor, a polyimide substrate is deposited on a glass plate, onto which are subsequently sprayed the plates, a layer of a sensitive element (SE) made of pyroelectric material and the upper panel.

Недостатками известных способа и устройства является низкая надежность ЧЭ из кристалла и контактов пайки, плохая адгезия со стеклом, ЧЭ и выводы не защищены от внешних электромагнитных помех, пироэлектрический слой может обеспечить надежную работу датчиков только при ±60^oC.The disadvantages of the known method and device is the low reliability of the CE from the crystal and the soldering contacts, poor adhesion to the glass, the CE and the conclusions are not protected from external electromagnetic interference, the pyroelectric layer can ensure reliable operation of the sensors only at ± 60 ^o C.

Наиболее близким к заявленному датчику является емкостный датчик давления, содержащий четыре слоя диэлектрической пленки, расположенные последовательно с образованием пакета. На поверхности второго слоя, обращенной к первому слою-основанию, сформирован основной экран, на противоположной поверхности второго слоя, обращенной к третьему слою, выполненному перфорированным, сформированы обкладка конденсатора и дополнительный экран, а на внешнюю поверхность четвертого слоя, являющегося мембраной, нанесен слой металлической фольги (Пленочные датчики давления и их применение. Перевод N E-32663, 1983, с. 9, рис. 4). Closest to the claimed sensor is a capacitive pressure sensor containing four layers of a dielectric film arranged in series with the formation of the package. A main screen is formed on the surface of the second layer facing the first base layer, on the opposite surface of the second layer facing the third perforated layer, a capacitor lining and an additional screen are formed, and a metal layer is deposited on the outer surface of the fourth layer, which is a membrane foil (Film pressure sensors and their application. Translation N E-32663, 1983, S. 9, Fig. 4).

Датчик такой конструкции обеспечивает измерение давления на поверхности изделий авиационной техники. A sensor of this design provides pressure measurement on the surface of aircraft products.

Способ изготовления датчика давления заключается в соединении слоев диэлектрической пленки, один из которых является мембраной, в пакет клеем на эпоксидно-каучуковой основе при заданном режиме по температуре, давлению и времени выдержки. A method of manufacturing a pressure sensor is to connect layers of a dielectric film, one of which is a membrane, into a bag with glue on an epoxy-rubber base at a given mode in temperature, pressure and exposure time.

Недостатками известных датчика давления и способа его изготовления являются гибкость конструкции, трудность подачи давления на ЧЭ датчика с размерами ЧЭ 4х6 мм и толщиной датчика 80-160 мм, что приводит к ложному срабатыванию системы контроля. The disadvantages of the known pressure sensor and the method of its manufacture are design flexibility, the difficulty of applying pressure to the SE of the sensor with the dimensions of the FE 4x6 mm and the thickness of the sensor 80-160 mm, which leads to a false response of the control system.

Технический результат, создаваемый изобретениями, состоит в повышении надежности датчика. The technical result created by the inventions is to increase the reliability of the sensor.

Указанный результат достигается тем, что в известном датчике давления четвертый слой диэлектрической пленки имеет выпуклую форму, а на поверхности второго слоя, между обкладкой конденсатора и дополнительным экраном, сформирована компенсационная емкость, при этом толщина третьего слоя составляет (0,01-100)δ, где d толщина мембраны, а размеры сторон основания выбраны из соотношений: l (0,13 37)d, где d диаметр обкладки конденсатора, L (0,145-8,85)l. This result is achieved by the fact that in the known pressure sensor, the fourth layer of the dielectric film has a convex shape, and on the surface of the second layer, between the capacitor plate and the additional screen, a compensation capacitance is formed, while the thickness of the third layer is (0.01-100) δ, where d is the thickness of the membrane, and the dimensions of the sides of the base are selected from the relations: l (0.13 37) d, where d is the diameter of the capacitor plate, L (0.145-8.85) l.

Для достижения указанного результата при осуществлении известного способа перед сборкой пакета формируют выпуклость мембраны путем прессования четвертого слоя пленки под давлением 1,5-2,0•10⁵ Па через резиновую пластинку, установленную на поверхности пленки.To achieve this result, when implementing the known method, before the assembly of the bag, a membrane bulge is formed by pressing the fourth film layer under a pressure of 1.5-2.0 x 10 ⁵ Pa through a rubber plate mounted on the surface of the film.

На фиг. 1 а, б показана конструкция датчика давления; на фиг. 2 изображена в сборе заготовка мембраны в технологической оснастке. In FIG. 1 a, b shows the design of the pressure sensor; in FIG. 2 depicts an assembled blank of a membrane in a tooling.

Первый слой 1 основание датчика, выполненное из диэлектрической пленки (фиг. 1,а). Основной экран 2 расположен на нижней поверхности второго слоя 3 диэлектрической пленки, на верхней поверхности этого слоя сформированы обкладка 4 конденсатора, компенсационная емкость 5, дополнительный экран 6, отверстия 7 для крепления и отверстие 8 опорного давления. Третьим слоем является кольцо жесткости 9 (перфорированная пленка или лист), а четвертым - выпуклая мембрана из диэлектрической пленки 10, на поверхность которой нанесен слой металлической фольги 11. The first layer 1 is the base of the sensor made of a dielectric film (Fig. 1, a). The main screen 2 is located on the lower surface of the second layer 3 of the dielectric film, on the upper surface of this layer a capacitor plate 4, a compensation capacitance 5, an additional screen 6, mounting holes 7 and a reference pressure hole 8 are formed. The third layer is a stiffening ring 9 (perforated film or sheet), and the fourth is a convex membrane of dielectric film 10, on the surface of which a layer of metal foil 11 is applied.

Отверстие 8 обеспечивает связь с окружающей средой (с атмосферой), чтобы не образовалась воздушная прослойка за мембраной 10. The hole 8 provides a connection with the environment (with the atmosphere) so that no air gap forms behind the membrane 10.

Экраны 2, 6 служат для защиты от внешних электромагнитных помех. Screens 2, 6 are used to protect against external electromagnetic interference.

При нагружении датчика с выпуклой стороны мембраны высотой Dd (фиг. 1,а) она сжимается. Если выпуклость достаточно велика, то при некотором критическом давлении P_к мембрана теряет устойчивость и скачком изменяет свой прогиб. При дальнейшем увеличении давления прогиб мембраны будет снова нарастать плавно.When the sensor is loaded from the convex side of the membrane with a height Dd (Fig. 1, a), it is compressed. If the convexity is sufficiently large, then at a certain critical pressure P _{k the} membrane loses stability and changes its deflection abruptly. With a further increase in pressure, the deflection of the membrane will again increase smoothly.

При разгрузке мембрана прогибается также скачком, но возвращается на начальный участок градуировочной характеристики при меньшем давлении, чем P_к.During unloading, the membrane also bends abruptly, but returns to the initial portion of the calibration characteristic at a lower pressure than P _k .

Толщину слоя 9 (кольца жесткости), выполненного со сквозным отверстием, выбирают в пределах 20-1000 мкм, при этом толщина d мембраны с учетом толщины диэлектрической пленки 10 и металлической фольги 11 равняется d=10-2000 мкм. Диаметр d обкладки 4 конденсатора из металлической фольги выбирают в диапазоне 3-100 мм. Размер мембраны квадратной формы l=13-110 мм, при этом размер L основания датчика квадратной формы с обкладкой составляет L=16-115 мм. Длина b контактных выводов равняется b=3-5 мм (фиг. 1,б). The thickness of the layer 9 (stiffening ring) made with a through hole is selected in the range of 20-1000 μm, while the thickness d of the membrane, taking into account the thickness of the dielectric film 10 and metal foil 11, is d = 10-2000 μm. The diameter d of the plate 4 of the capacitor made of metal foil is selected in the range of 3-100 mm The size of the square-shaped membrane is l = 13-110 mm, while the size L of the base of the square-shaped sensor with the lining is L = 16-115 mm. The length b of the terminals is b = 3-5 mm (Fig. 1, b).

Толщина t перфорированного слоя 9 составляет t=20-1000 мкм. t/δ=0,01-100; l/d=0,13-37; L/l=0,145-8,85. The thickness t of the perforated layer 9 is t = 20-1000 μm. t / δ = 0.01-100; l / d = 0.13-37; L / l = 0.145-8.85.

Выпуклость на поверхности мембраны выполняют путем прессования материала заготовки 13 через резиновую пластинку 14, расположенную между пуансоном 12 и матрицей 15 (фиг. 2). Резиновая пластинка предохраняет от механического повреждения мембрану по периферии окружности матрицы и пуансона. The bulge on the surface of the membrane is performed by pressing the material of the workpiece 13 through a rubber plate 14 located between the punch 12 and the matrix 15 (Fig. 2). The rubber plate protects the membrane from mechanical damage along the periphery of the circumference of the die and punch.

После формирования выпуклой мембраны собирают пакет из слоев диэлектрической пленки (фиг. 1, а). Сформированный пакет выдерживают под давлением (3,0-3,5)•10⁵ Па/см² при температуре 160-170^oC в течение 50-60 мин. Слои пленки скрепляют между собой клеем на эпоксидно-каучуковой основе. Собранный пакет охлаждают до температуры 50-60^oC, разбирают и нарезают датчики поштучно.After the convex membrane is formed, a packet of layers of a dielectric film is collected (Fig. 1, a). The formed package is kept under pressure (3.0-3.5) • 10 ⁵ Pa / cm ² at a temperature of 160-170 ^o C for 50-60 minutes The layers of the film are bonded together with glue on an epoxy-rubber basis. The collected package is cooled to a temperature of 50-60 ^o C, disassemble and cut the sensors piece by piece.

В процессе измерения под действием давления изменяется расстояние между обкладкой 4 и выпуклой мембраной 10, что вызывает изменение емкости. Сигнал снимается с вывода "a" обкладки 4 относительно мембраны с металлизацией 11. During the measurement process, under pressure, the distance between the plate 4 and the convex membrane 10 changes, which causes a change in capacitance. The signal is removed from the output "a" of the plate 4 relative to the membrane with metallization 11.

Claims

1. A capacitive pressure sensor containing four layers of a dielectric film arranged in series with the formation of the package, while on the surface of the second layer facing the first layer-base, the main screen is formed, on the opposite surface of the second layer facing the third layer, made with through a hole, a capacitor lining and an additional screen are formed, and on the outer surface of the fourth layer, which is a membrane, a layer of metal foil is applied, characterized in that the fourth layer is the electric film has a convex shape, and a compensation capacitance is formed on the surface of the second layer between the capacitor plate and the additional screen, the thickness of the third layer being (0.01 - 100.0) δ, where δ is the membrane thickness and the dimensions of the sides of the base are selected from the ratio
l (0.13 37.0) d,
where d is the diameter of the capacitor plate;
L (0.145 8.85) l.

2. A method of manufacturing a capacitive pressure sensor, which consists in connecting four layers of a dielectric film, one of which is a membrane, into a bag with glue on an epoxy-rubber base at a given mode in temperature, pressure and holding time, characterized in that a bulge is formed before assembly of the package membrane by pressing the fourth layer of the film under pressure (1.5 2.0) • 10 ⁵ Pa through a rubber plate mounted on the surface of the film.