RU2116636C1

RU2116636C1 - Capacitive pressure transducer and process of its assembly

Info

Publication number: RU2116636C1
Application number: RU96100629A
Authority: RU
Inventors: А.А. Казарян; П.В. Миодушевский
Original assignee: Центральный аэрогидродинамический институт им.проф.Н.Е.Жуковского
Priority date: 1996-01-16
Filing date: 1996-01-16
Publication date: 1998-07-27

Abstract

FIELD: instrumentation engineering. SUBSTANCE: invention makes it possible to measure force and pressure of various objects of any configuration and may be used in automated test and control systems. Membrane and base of transmitter are manufactured from thin foiled dielectric film. Transmitter has compensation sensitive element with compensation cover and measurement sensitive element with cover. Dielectric film to protect membrane from mechanical damage is cemented to upper surface of membrane. Sensitive element of transmitter is protected from external electromagnetic noises by two screens. Individual elements of transmitter are interjoined by cement on epoxy-rubber base. Assembled package is held under pressure of 30.0-35-0 kg/sq.cm at temperature 160-170 C in the course of 50-60 min. EFFECT: expanded application field of pressure transducer. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля уровней давления, силы в автоматизированных системах управления и контроля в промышленности, охранной сигнализации объектов разного рода. The invention relates to measuring equipment and can be used to control pressure levels, forces in automated control and monitoring systems in industry, security alarms of various kinds.

Емкостные пленочные датчики давления известны [1]. Capacitive film pressure sensors are known [1].

Известен емкостный матричный датчик высокого давления, позволяющий измерить давление без дренирования на поверхности изделия, предназначенный для использования в авиационной технике. Конструкция датчика разработана на базе четырех металлизированных и неметаллизированных пленок. На одной подложке диэлектрической пленки сформировано несколько чувствительных элементов (ЧЭ), между обкладками - перфорированная диэлектрическая пленка для повышения чувствительности датчика. ЧЭ защищен от внешних помех [2]. Known capacitive matrix high pressure sensor that allows you to measure pressure without drainage on the surface of the product, intended for use in aircraft. The sensor design is based on four metallized and non-metallized films. Several sensitive elements (SE) are formed on one substrate of the dielectric film, between the plates there is a perforated dielectric film to increase the sensitivity of the sensor. SE is protected from external interference [2].

Такое решение в указанной конструкции обеспечивает измерение давления, силы и т.д. путем наклейки датчика на поверхности изделий. Such a solution in this design provides a measurement of pressure, force, etc. by sticking the sensor on the surface of the products.

Этот датчик обладает несколькими недостатками, затрудняющими его применение в народном хозяйстве. К ним относятся: высокая гибкость, трудность реализации подачи давления ЧЭ датчика с размерами ЧЭ 4х6 мм, толщиной датчика 180-160 мм, маленькие приращения емкости при воздействии давления, низкая надежность при работе длительное время и т.д. This sensor has several disadvantages that make it difficult to use in the national economy. These include: high flexibility, the difficulty of implementing the pressure supply of the SE of the sensor with the dimensions of the SE 4x6 mm, the thickness of the sensor 180-160 mm, small increments of the capacitance under pressure, low reliability during operation for a long time, etc.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является способ изготовления матричного емкостного датчика давления. Конструкция этого датчика разработана на базе четырех диэлектрических пленок. Из них одна пленка перфорированная и расположена между обкладками конденсаторов с целью повышения чувствительности датчика. На двух диэлектрических пленках сформированы обкладки конденсаторов с выводами и боковые экраны. На четвертой диэлектрической пленке сформирован основной экран для защиты от внешних электромагнитных помех. Closest to the invention, the technical solution is a method of manufacturing a matrix capacitive pressure sensor. The design of this sensor is based on four dielectric films. Of these, one film is perforated and located between the plates of the capacitors in order to increase the sensitivity of the sensor. Capacitor plates with leads and side screens are formed on two dielectric films. A main screen is formed on the fourth dielectric film to protect against external electromagnetic interference.

В способе изготовления матричных емкостных датчиков давления путем склеивания формируют пакет металлизированных и неметаллизированных диэлектрических пленок. До формирования пакета между слоями этих пленок наносят клей толщиной 8-16 мкм, выдерживают при 60-70^oC в течение 6-10 мин, затем повышают температуру до 150-170^oC и выдерживают 15-20 мин. После этого формируют пакет путем сжатия под давлением 2-3 МПа при 150-170^oC в течение 120-160 мин и охлаждают до температуры окружающей среды [3].In a method for manufacturing matrix capacitive pressure sensors by bonding, a packet of metallized and non-metallized dielectric films is formed. Prior to the formation of the packet, an adhesive with a thickness of 8-16 μm is applied between the layers of these films, kept at 60-70 ^° C for 6-10 minutes, then the temperature is raised to 150-170 ^° C and held for 15-20 minutes. After that, a package is formed by compression under a pressure of 2-3 MPa at 150-170 ^o C for 120-160 minutes and cooled to ambient temperature [3].

Такое решение в указанной конструкции позволяет измерить в широком диапазоне пульсации и статическое давление. Однако такой датчик обладает некоторыми недостатками, затрудняющими его применение в системе контроля и управления в народном хозяйстве: датчик предназначен для измерения давления в потоке газа в авиационной технике, затруднено измерение давления, возникающего от воздействия твердых веществ от десятков миллиграммов для нескольких килограммов, конструкция датчика гибкая. Such a solution in this design allows you to measure a wide range of pulsations and static pressure. However, such a sensor has some disadvantages that make it difficult to use in the control and management system in the national economy: the sensor is designed to measure the pressure in the gas flow in aircraft, it is difficult to measure the pressure arising from the action of solids from tens of milligrams for several kilograms, the sensor design is flexible .

Задача изобретения - расширение области применения за счет использования емкости компенсации и оснащения верхней поверхности мембраны пленкой. The objective of the invention is the expansion of the scope through the use of compensation capacity and equipping the upper surface of the membrane with a film.

Технический результат достигается тем, что в емкостный датчик давления, содержащий первую диэлектрическую пленку, на верхней поверхности которой сформированы обкладка конденсатора с выводом и боковой экран, и расположенную над первой пленкой чувствительную к давлению мембрану, введены компенсационная обкладка, вторая диэлектрическая пленка, квадратная диэлектрическая пленка и кольцо из твердого диэлектрика, при этом первая диэлектрическая пленка является основанием датчика и металлизирована с двух сторон слоем фольги, толщина которого меньше толщины диэлектрической пленки в 5-14 раз, слой фольги на нижней поверхности первой диэлектрической пленки является основным экраном датчика, компенсационная обкладка сформирована на верхней поверхности первой диэлектрической пленки и расположена с зазором между обкладкой конденсатора и боковым экраном, мембрана выполнена из металлической фольги и на ее нижнюю поверхность нанесена вторая диэлектрическая пленка, а на верхнюю поверхность наклеена квадратная диэлектрическая пленка толщиной δ , определяемой из соотношения δ = (8·10¹²- 1,3)δ₁ где δ₁ - толщина мембраны с нанесенной на нее диэлектрической пленкой, при этом между первой диэлектрической пленкой и мембраной установлено кольцо из твердого диэлектрика, выполненное с углублением на нижней поверхности, высота δ₃ которого меньше высоты δ₂ кольца в 0,4-250 раз, а ширина a больше ширины c компенсационной обкладки в 0,6-2,2 раза, высота δ₂ кольца больше ширины δ₁ мембраны в 8-200 раз, внутренний диаметр D_в кольца выбирают из соотношения D_в=(0,88-1,07)•d, где d - диаметр обкладки конденсатора, который меньше внутреннего диаметра d_в компенсационной обкладки в 1,08-1,3 раза, а наружный диаметр d_н компенсационной обкладки составляет 0,96-1,0 диаметра квадратной диэлектрической пленки, при этом в основании датчика выполнено отверстие для выравнивания статического давления за мембраной.The technical result is achieved by the fact that in the capacitive pressure sensor containing the first dielectric film, on the upper surface of which a capacitor plate with an output and a side screen are formed, and a pressure sensitive membrane located above the first film, a compensation plate, a second dielectric film, and a square dielectric film are introduced and a ring of solid dielectric, the first dielectric film being the base of the sensor and metallized on both sides by a layer of foil, the thickness of which it is 5-14 times less than the thickness of the dielectric film, the foil layer on the lower surface of the first dielectric film is the main screen of the sensor, the compensation lining is formed on the upper surface of the first dielectric film and is located with a gap between the capacitor lining and the side screen, the membrane is made of metal foil and a second dielectric film is deposited on its lower surface, and a square dielectric film of thickness δ, which is determined from the relation δ = (8 · 10 ¹² - 1.3) δ ₁ where δ ₁ is the thickness of the membrane with a dielectric film deposited on it, while a ring of solid dielectric is installed between the first dielectric film and the membrane, made with a recess on the lower surface, the height of which is δ ₃ less than the height δ _{2 of the} ring is 0.4-250 times, and the width a is greater than the width c of the compensation lining by 0.6-2.2 times, the height δ _{2 of the} ring is 8-200 times greater than the width δ _{1 of the} membrane, the inner diameter D _is rings are selected from the relation D _in = (0.88-1.07) • d, where d is the diameter of the capacitor plate, which is smaller than the inner diameter d _{in the} compensation lining by 1.08-1.3 times, and the outer diameter d _{n of the} compensation lining is 0.96-1.0 of the diameter of the square dielectric film, while a hole is made in the base of the sensor to equalize the static pressure behind the membrane.

В способе сборки емкостного датчика давления, содержащего основание из металлизированной диэлектрической пленки и расположенную над основанием мембрану, путем формирования из них пакета, выдержки пакета под давлением при повышенной температуре и последующего охлаждения, используют кольцо из твердого диэлектрика с механически обработанными торцевыми поверхностями, на обработанные поверхности кольца, верхнюю поверхность основания датчика и нижнюю поверхность мембраны наносят тонкий слой жидкого клея на эпоксидно-каучуковой основе, сушат при температуре 70-80^oC в течение 1-2 мин, затем основание, кольцо и мембрану склеивают между собой в пакет, на верхнюю поверхность мембраны таким же образом наклеивают диэлектрическую пленку, а затем весь сформированный пакет выдерживают под давлением в 30-35 кг/см² при температуре 160-170^oC в течение 50-60 мин, а потом охлаждают до температуры 50-60^oC.In the method of assembling a capacitive pressure sensor containing a base made of a metallized dielectric film and a membrane located above the base, by forming a bag from them, holding the bag under pressure at elevated temperature and subsequent cooling, use a solid dielectric ring with mechanically machined end surfaces onto the machined surfaces rings, the upper surface of the base of the sensor and the lower surface of the membrane apply a thin layer of liquid glue on an epoxy rubber basis, dried at a temperature of 70-80 ^o C for 1-2 minutes, then the base, ring and membrane are glued together in a package, a dielectric film is glued on the upper surface of the membrane, and then the entire formed package is kept under pressure at 30-35 kg / cm ² at a temperature of 160-170 ^o C for 50-60 minutes, and then cooled to a temperature of 50-60 ^o C.

На фиг. 1, 2 изображена конструкция датчика давления. Основание датчика выполнено из фольгированной диэлектрической пленки и содержит основной экран 1, диэлектрическую пленку 2, на верхней поверхности которой сформирована обкладка 3 конденсатора с выводом 4, компенсационная обкладка 5 с выводом 6 и боковой экран 7. В основании датчика выполнено отверстие 8 для выравнивания статического давления. Датчик содержит кольцо 9 из твердого диэлектрика и мембрану 10 из металлической фольги, на нижней поверхности которой нанесена диэлектрическая пленка 11, а на верхней поверхности наклеена квадратная диэлектрическая пленка 12. Основание, кольцо и мембрану скрепляют между собой пленкой клея 13. В датчике выполнены отверстия 14 для крепления датчика на объекте (фиг. 2). In FIG. 1, 2 shows the design of the pressure sensor. The base of the sensor is made of foil-coated dielectric film and contains a main screen 1, a dielectric film 2, on the upper surface of which a capacitor plate 3 with a terminal 4 is formed, a compensation plate 5 with a terminal 6 and a side screen 7. A hole 8 is made at the sensor base for equalizing the static pressure . The sensor contains a ring 9 of solid dielectric and a membrane 10 of metal foil, on the lower surface of which a dielectric film 11 is applied, and a square dielectric film 12 is glued on the upper surface. The base, ring and membrane are fastened together by an adhesive film 13. The holes are made in the sensor 14 for mounting the sensor on the object (Fig. 2).

Конструкция этого датчика предназначена для применения в автоматизированных системах контроля и управления. На поверхности диэлектрической пленки 2 обкладку 3, компенсационную обкладку 5, экран 7 и клеммники формируют способом фотолитографии. Кольцо 9 изготавливают из твердого диэлектрика. Диэлектрическая пленка 12 предназначена для защиты мембраны от внешних механических повреждений и обеспечивает равномерный прогиб мембраны при нагружении мембраны "грубыми" предметами разной конфигурации. Компенсационная обкладка 5 в конструкции датчика предназначена для компенсации внешних воздействий, т.е. влияния температуры, влажности, старения и т.д. при длительном режиме работы. Нижний основной экран 1 и боковой экран 7 защищают от влияния внешних электромагнитных помех обкладку 3 ЧЭ и компенсационную обкладку 5. Геометрические размеры датчика выбирают следующим образом:
- диаметр обкладки d меньше внутреннего диаметра компенсационной обкладки d_в в 1,08-1,3 раза, что получают из следующих отношений:

- наружный диаметр d_н компенсационной обкладки 5 больше или равен диаметру диэлектрической пленки 12 на верхней поверхности мембраны 10 из металлической фольги в 0,96-1,0 раза, что можно определить из соотношения:

где D - диаметр пленки 12, при этом диэлектрическая пленка 12 опирается на края кольца 9 жесткости через диэлектрическую и металлическую пленки 11, 10;
- внутренний диаметр D_в кольца 9 жесткости выбирают меньше диаметра d обкладки 3 ЧЭ в 0,88-1,07 раза из следующего соотношения:

- толщину δ диэлектрической пленки 12 на верхней поверхности мембраны и толщину δ₁ мембраны определяют из соотношения

- высоту δ₃ углубления на нижней поверхности кольца 9 жесткости выбирают меньше высоты δ₂ кольца 9 жесткости в 0,4-250 раз, как

ширину углубления a выбирают больше ширины c компенсационной обкладки (d_н-d_в) в 0,6-2,2 раза, как

Собранный пакет между собой (основание, кольцо и мембрану) скрепляют клеем на эпоксидно-каучуковой основе марки САФ. Клей марки САФ располагают на верхней поверхности основания, на кольце 9 и нижней поверхности мембраны. До сборки пакета поверхности деталей обезжиривают и сверлят отверстие 8. Отверстия 14 сверлят после сборки пакета. Сформированный пакет датчика размещают между двумя металлическими пластинами и подают давление 30-35 кг/см². Собранный пакет выдерживают при температуре 160-170^oC в течение 50-60 мин.The design of this sensor is intended for use in automated control and management systems. On the surface of the dielectric film 2, the lining 3, the compensation lining 5, the screen 7 and the terminal blocks are formed by photolithography. Ring 9 is made of a solid dielectric. The dielectric film 12 is designed to protect the membrane from external mechanical damage and provides uniform deflection of the membrane when the membrane is loaded with "coarse" objects of different configurations. Compensation plate 5 in the sensor design is designed to compensate for external influences, i.e. the effects of temperature, humidity, aging, etc. during continuous operation. The lower main screen 1 and the side screen 7 protect from the influence of external electromagnetic interference the cover 3 SE and the compensation cover 5. The geometric dimensions of the sensor are selected as follows:
- electrode diameter d smaller than the internal diameter d _in the compensation plate in 1,08-1,3 times, which is obtained from the following relations:

- the outer diameter d _{n of the} compensation plate 5 is greater than or equal to the diameter of the dielectric film 12 on the upper surface of the metal foil membrane 10 by 0.96-1.0 times, which can be determined from the ratio:

where D is the diameter of the film 12, while the dielectric film 12 is supported on the edges of the stiffening ring 9 through the dielectric and metal films 11, 10;
- the inner diameter D _{in the} ring 9 stiffness is chosen less than the diameter d of the lining 3 SE in 0.88-1.07 times from the following ratio:

- the thickness δ of the dielectric film 12 on the upper surface of the membrane and the thickness δ _{1 of the} membrane is determined from the ratio

- the height δ _{3 of the} recesses on the lower surface of the ring 9 of rigidity is chosen less than the height δ _{2 of the} ring 9 of rigidity by 0.4-250 times, as

the width of the recess a is chosen greater than the width c of the compensation lining (d _n -d _in ) in 0.6-2.2 times, as

The assembled bag between each other (base, ring and membrane) is fastened with glue on an epoxy-rubber base of the SAF brand. Glue brand SAF is placed on the upper surface of the base, on the ring 9 and the lower surface of the membrane. Prior to assembly of the package, the surfaces of the parts are degreased and a hole 8 is drilled. The holes 14 are drilled after assembly of the package. The formed sensor package is placed between two metal plates and a pressure of 30-35 kg / cm ^{2 is} applied. The collected package is maintained at a temperature of 160-170 ^o C for 50-60 minutes

До наклейки диэлектрической пленки 12 на поверхности мембраны механически обрабатывают нижнюю поверхность пленки ручным или механизированным способом. Такая обработка повышает адгезионные способности между склеиваемыми поверхностями. С такой же целью механически обрабатывают обе поверхности нижнего кольца. Причем после обезжиривания поверхности диэлектрической пленки 12 наносят тонкий слой жидкого клея на эпоксидно-каучуковой основе, затем сушат при температуре 70-80^oC продолжительностью 1-2 мин.Prior to the sticker of the dielectric film 12 on the membrane surface, the lower surface of the film is mechanically processed manually or mechanically. This treatment increases the adhesion between the bonded surfaces. For the same purpose, both surfaces of the lower ring are machined. Moreover, after degreasing the surface of the dielectric film 12, a thin layer of liquid glue is applied on an epoxy-rubber base, then it is dried at a temperature of 70-80 ^o C for 1-2 minutes.

Принцип работы датчика. При изменении давления на величину ΔP изменяется расстояние между обкладкой 3 и мембраной 10 из металлической фольги. Изменение этого расстояния приводит к изменению емкости на величину ΔC. По этому изменению судят о величине давления. Сигнал снимается между обкладкой 3 ЧЭ и металлической фольгой. Напряжение поляризации подается на мембрану 10 датчика. The principle of operation of the sensor. When the pressure changes by ΔP, the distance between the lining 3 and the membrane 10 of the metal foil changes. A change in this distance leads to a change in capacitance by ΔC. This change judges the magnitude of the pressure. The signal is removed between the 3 CE plate and the metal foil. The polarization voltage is applied to the membrane 10 of the sensor.

ЦАГИ был проведен способ изготовления датчиков в лабораторных условиях. Для изготовления датчика были использованы материалы: стеклотекстолит толщиной 0,8 мм; клеющая пленка марки САФ; одно- и двухсторонняя фольгированная из меди полиимидная пленка толщиной 60-120 мкм, соответственно. Диаметр обкладки ЧЭ d = 20 мм. Начальная емкость 40 пФ, приращение емкости ΔC = 2,5 пФ при уровне давления 6-10 Па. Вес датчика 3 г, размеры 1,5х30х35 мм. TsAGI conducted a method of manufacturing sensors in the laboratory. For the manufacture of the sensor were used the following materials: fiberglass 0.8 mm thick; SAF adhesive film; single and double-sided copper foil polyimide film 60-120 μm thick, respectively. The diameter of the CE lining is d = 20 mm. The initial capacitance is 40 pF, the increment of the capacitance ΔC = 2.5 pF at a pressure level of 6-10 Pa. Sensor weight 3 g, dimensions 1.5x30x35 mm.

Такое конструктивное решение и способ его сборки повышает технико-экономическую эффективность, сокращает трудовые и материальные затраты. Датчики могут найти применение в автоматических системах управления и контроля в разных отраслях народного хозяйства. Such a constructive solution and method of its assembly increases technical and economic efficiency, reduces labor and material costs. Sensors can find application in automatic control and monitoring systems in various sectors of the economy.

Claims

1. A capacitive pressure sensor containing a first dielectric film, on the upper surface of which a capacitor plate with an output and a side screen are formed, and a pressure sensitive membrane located above the first film, characterized in that a compensation plate is inserted into it, the second dielectric film, square dielectric a film and a ring of solid dielectric, the first dielectric film being the base of the sensor and metallized on both sides by a foil layer whose thickness is less than the thickness 5–14 times the dielectric film, the foil layer on the lower surface of the first dielectric film is the main screen of the sensor, a compensation lining is formed on the upper surface of the first dielectric film and is located with a gap between the capacitor lining and the side screen, the membrane is made of metal foil and a second dielectric film is deposited on the lower surface, and a square dielectric film of thickness δ is determined on the upper surface, which is determined from the relation δ = (8 · 10 ^-2 - 1.3) δ ₁ , where δ ₁ is the thickness of the membrane with a dielectric film deposited on it, while between the first dielectric film and the membrane a ring of solid dielectric is installed, made with a recess on the lower surface, the height of which is 0.4 to 250.0 times less than the height of the ring, and the width more than the width of the compensation lining by 0.6 - 2.2 times, the height of the ring is 8 - 200 times greater than the membrane thickness, the inner diameter D of _the ring is chosen from the ratio D _in = (0.88 - 1.07) • d, where d - the diameter of the capacitor plate, which is less than the internal diameter of the compensation obk lugs in 1.08 - 1.3 times, and the outer diameter of the compensation lining is 0.96 - 1.0 of the diameter of the square dielectric film, while a hole is made in the base of the sensor to equalize the static pressure behind the membrane.

2. A method of assembling a capacitive pressure sensor containing a base made of a metallized dielectric film and a membrane located above the base by forming a bag from them, holding the bag under pressure at elevated temperature and subsequent cooling, characterized in that a solid dielectric ring with machined end rings is used surfaces, on the treated surface of the ring, the upper surface of the base of the sensor and the lower surface of the membrane, apply a thin layer of liquid glue to the epoxy o-rubber base, dried at 70 - 80 ^o C for 1 - 2 min, then the base, ring and membrane are glued together in a bag, a dielectric film is also glued to the upper surface of the membrane, then the entire formed bag is kept under pressure 30 - 35 kg / cm ² at 160 - 170 ^o C for 50 - 60 minutes, and then cooled to 50 - 60 ^o C.