SU1727009A1 - Емкостный датчик давлени и способ его изготовлени - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измеритель- . ной технике, а именно к емкостным датчикам давлени  и способам их изготовлени . Целью изобретени   вл етс  повышение надежности датчика. В корпусе 1 установлено опорное кольцо с мембраной 2 с электродами 4, имеющими контактные площадки. Пластина 6 закреплена на опорном кольце с зазором, причем на ней на диэлектрике 7 выполнены ответные электроды 8 с контактными площадками. Выводные проводники 11 размещены между контактными площадками электродов и изолированными контактными площадками. Электроды и контактные площадки выполнены из двухслойной композиции , что позвол ет при прижиме пластины к упругому пальцу через контактные площадки и выводные проводники получить качественное соединение. 4 ил.

Description

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано в датчиках дл  измерени  статикодинамиче- ского давлени  в широком диапазоне температур .

Известен емкостный датчик давлени , содержащий вакуумировзнный корпус, упругий элемент, пластину, закрепленную с зазором на упругом элементе, тонкопленочные металлические электроды с контактными площадками, расположенные на упругом элементе и пластине, и выводные проводники , присоединенные к контактным площадкам при помощи сварки.

Недостатком данного датчика  вл етс  невысокий уровень надежности и технологичности , особенно в области высоких температур , св занный с использованием сравнительно легкоплавких материалов: золота , алюмини  и т.п. При эксплуатации известных емкостных датчиков давлени , при высоких температурах происходит диффузи  материалов электродов в диэлектрик, что приводит к уменьшению сопротивлени  диэлектрика и ухудшению характеристик датчика. Применение пленок и выводных проводников из сравнительно тугоплавких материалов не мен ет положени , так как в этом случае происходит повреждение сравнительно тонкой диэлектрической пленки при сварке выводного проводника и контактной площадки вследствие необходимости обеспечени  высокой температуры (не менее температуры плавлени ) материалов, разогрева контактной площадки и выводного проводника. Кроме того, недостаточна  технологичность и надежность известных емкостных датчиков давлени  объ сн етс  отслоением металлических пленок от диэлектрика вследствие взаимодействи  значительных внутренних термомеханических напр жений, возникающих в металлических электродах при их напылении , и напр жений, возникающих в результате воздействи  широкого диапазона температур из-за различи  температурных коэффициентов линейного расширени  (ТКЛР) металлической пленки и диэлектрика .

Технологичность известной конструкции также недостаточна вследствие необходимости длительного процесса напылени  дл  обеспечени  нужной толщины электродов .

Известен способ изготовлени  емкостного датчика, заключающийс  в формировании на упругом элементе и пластине тонкопленочных металлических электродов с контактными площадками, размещении выводных проводников на контактных площадках , жестком закреплении пластины на упругом элементе , вакуумировании и герметизации межэлектродного обьема.

Недостатком такого способа  вл етс 

невозможность изготовлени  емкостных датчиков с требуемыми технологичностью и надежностью.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому  вл етс  емкостный

датчик давлени , содержащий корпус, в котором установлено опорное кольцо, заподлицо с внутренним торцом которого размещена мембрана с центральным электродом , на внутреннем торце кольца

размещен кольцевой электрод, а напротив внутреннего торца и мембраны размещена пластина с ответными электродами, при этом электроды снабжены контактными площадками с ответными изолированными

провод щими площадками, размещенными соответственно на внутреннем торце кольца и пластины, и между которыми зажаты выводные проводники, причем электроды и площадки снабжены диэлектрической подложкой .

Недостатки известной конструкции - сравнительно невысока  технологичность и надежность, св -занные со случа ми отслоений металлических пленок от диэлектрика вследствие взаимодействи  значительных внутренних термомеханических напр жений , возникающих в металлических электродах при их напылении, и напр жений,

возникающих в результате воздействи  широкого диапазона температур из-за различи  ТКЛР металлической пленки и диэлектрика . Технологичность известной конструкции недостаточна также вследствие необходимости длительного времени напылени  электродов дл  обеспечени  требуемой толщины электродов. Длительное врем  напылени  приводит не только к увеличению технологического цикла и к по влению неравномерности распределени  термомеханических напр жений, но и к формированию на поверхности электродов локальных неоднородностей в виде выпуклостей или набросов. Вследствие значительной величины набросов, которые могут существенно превышать толщину электродов, происходит дополнительное снижение надежности, св занное с по влением локальных неоднородностей электрических и механических напр жений в зоне набросов, которые в силу очень малых величин межэлектродных зазоров привод т к дополнительным отказам датчиков особенно в услови х воздействи  широкого диапазона температур.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу  вл етс  способ изготовлени  емкостного датчика давлени , при котором формируют на опорном кольце с мембраной и пластине на диэлектрической подложке электроды с контактными и изолированными провод щими площадками, размещают между пластиной и кольцом по площадкам выводные проводники, зажимают их, прижима  и закрепл   пластину на опорном основании, устанавливают корпус, вакуумируют, нагревают до максимальной рабочей температуры и герметизируют полость датчика.

Недостатком известного способа  вл етс  невозможность изготовлени  ем- костных датчиков с требуемыми технологичностью и надежностью.

Цель изобретени  - увеличение технологичности и повышение надежности за счет устранени  отслоений металлических пленок от диэлектрика вследствие уменьшени  внутренних термомеханических напр жений , возникающих в металлических электродах при их напылении, за счет сокращени  времени напылени  электродов вследствие уменьшени  их толщины, за счет устранени  набросов.

На фиг. 1 изображен предлагаемый емкостный датчик давлени ; на фиг. 2-разрез. А-А и Б-Б на фиг. 1; на фиг. 3 - поперечные разрезы соединени  выводных проводников с контактными площадками, узел I на фиг. 1; на фиг. 4 - различные этапы деформации выводных проводников при изготовлении .

Соотношени  между размерами меж- злектродного зазора, толщины электродов и размерами других элементов конструкции дл  нагл дности изменены.

Емкостный датчик давлени  содержит вакуумированный корпус 1. в котором установлено опорное кольцо, заподлицо с внут- ренним торцом которого размещена мембрана 2, на диэлектрике 3 которой выполнены электроды 4 и их контактные площадки 5. Пластина 6 закреплена на упругом элементе с зазором. На диэлектрике 7 пластины выполнены ответные электроды 8 и соединенные с ними контактные площадки 9. Изолированные контактные площадки 10 расположены зеркально симметрично контактным площадкам. Выводные проводники 11 толщиной, примерно равной величине межэлектродного зазора, размещены между контактными площадками электродов и изолированными контактными площадками . Выводные проводники соединены с гер- моконтактами 12 корпуса. Электроды и

контактные площадки выполнены в ои- де двухслойной композиции электропрово- д  щего сло  13 и расположенного между ним и диэлектриком 3 адгезионного сло 

14, выполненного из материала более тугоплавкого и с большим пределом текучести при максимально допустимой рабочей температуре датчика по сравнению с электропровод щим слоем. Толщина электропровод щего сло  электродов и контактных площадок выполнена в соответствии с соотношением: при Rg 0.1 мкм. Rb 0,1 мкм, Нэ 0,1+0,1 0,2 мкм.

Электропровод щий слой электродов и

контактных площадок выполнен в виде пленки никел  (температура плавлени  равна 1453°С. Огэ 6 МПа). Адгезионный слой выполнен в виде пленки молибдена (температура плавлени  равна 2610°С, От 330 МПа)

толщиной 0,04 мкм. Размеры контактных площадок 0,25 х 0,26 мм (5 0,0625 мм2). Упругий элемент и пластина выполнены из сплава Н65М20В15. Выводные проводники также выполнены из сплава Н65М20Е15,

их толщина 30 мкм. При сНэ 6- 106 Па, U 30 106 м, К 0.5, Нэ 0. м, Еь 2 -1011Па. Ез-1 -1010na;Eg 1- 1011 Па. Нд 3 -10 6 м получаем F 128 Н. Усилие приложенное к центру пластины при числе

контактных площадок, равном 3,384 Н или 38,4 кг.

Способ реализуетс  следующим образом .

Формируют на упругом элементе и на

пластине диэлектрические слои. Формируют на диэлектрике упругого элемента и пластины тонкопленочные металлические электроды с контактными площадками. Помещают выводные проводники между упругим элементом и пластиной, размеща  их на контактных площадках таким образом, чтобы они одной поверхностью касались контактной площадки, а другой - электрически

изолированной контактной площадки. Прижимают пластину к упругому элементу усилием , приложенным к центру пластины. Жестко закрепл ют пластину на упругом элементе, например при помощи сварки.

Причем зоны закреплени  выполн ют на одинаковом рассто нии от выводных проводников . Прекращают воздействие усили . Помещают упругий элемент и пластину в корпус, приваривают выводной проводник

к гермоконтакту. Помещают датчик в установку электронно-лучевой сварки ОЗЛЭВ- 80-1. создают в камере вакуум Ю 3 Па. Нагревают его до максимально допустимой рабочей температуры 800°С. Нагрев датчи

ка в вакууме приводит к испарению окислов, нитридов и гидридов с внутренней поверхности датчика и, что особенно важно, с поверхности электродов и выводных проводников. Одновременно с процессами обезгаживани , удалени  окислов, нитридов и гидридов происходит процесс взаимной диффузии материалов контактной площадки и выводных проводников под воздействием усили , температуры и вакуума , т.е. происходит процесс диффузионной сварки в вакууме выводных проводников и контактных площадок. При этом вследствие выполнени  адгезионного сло  из материала с большим пределом текучести при максимальной рабочей температуре, по сравнению с электропровод щим слоем, в основном происходит пластическа  деформаци  электропровод щего сло , материал которого заполн ет неровности поверхности выводных проводников, соприкасающихс  с электропровод щим слоем, как изображено на фиг. 3. Герметизируют датчик , заварива  герметизирующее отверстие .

В св зи с выполнением электродов и контактных площадок в виде двухслойной композиции электропровод щего и расположенного между ним диэлектриком адгезионного сло , выполненного из более тугоплавкого материала, по сравнению с электропровод щим слоем, диффузи  материалов выводных проводников и электропровод щего сло  в диэлектрик не происходит, так как адгезионный слой в силу своей большей температуры плавлени  выполн ет роль барьерного сло , преп тствующего диффузии.

Выполнение толщины электропровод щего сло  электродов и контактных площадок , равной сумме наибольших высот неровностей поверхности диэлектрика и поверхности выводных проводников, позвол ет обеспечить гарантированное максимальное значение площади соприкосновени  выводных проводников и контактных площадок, а также обеспечить малую величину толщины электропровод щего елс , необходимую дл  минимизации термомеханических напр жений.

На фиг.З обозначены наибольшие высоты неравностей.

Если толщина электропровод щего сло  меньше суммы наибольших высот неровностей поверхности диэлектрика и поверхности выводных проводников, то в этом случае не все неровности выводных проводников будут заполнены материалом электропровод щего сло  и площадь поверхности контактировани  выводных

проводников с контактными площадками будет меньше необходимой за счет образе- % вани  внутренних полостей 15, а следовательно , будет низка и надежность

соединени  выводных проводников и контактных площадок (см. фиг. 36).

Если же толщина электропровод щего сло  будет больше суммы наибольших высот неровностей поверхности диэлектрика и

0 поверхности выводных проводников, то неоправданно увеличитс  толщина электропровод щего сло , а следовательно, и термомеханические напр жени  в нем, что также приведет к понижению надежности

5 работы датчика. Кроме того, увеличение толщины электропровод щего сло  требует увеличени  технологического времени, что ухудшает технологичность. В случае равенства толщины электропровод щего сло 

0 сумме наибольших высот неровностей поверхности диэлектрика и поверхности выводных проводников, обеспечиваетс  гарантированное максимальное значение поверхности контактировани  выводных

5 проводников и контактных площадок в сочетании с приемлемым значением внутренних термомеханических напр жений электропровод щей пленки (см. фиг. Зв).

Нз фиг. 4 схематично приведены раз0 личные состо ни  выводных проводников. В начальный момент (фиг. 4а) выводной проводник располагают между контактными площадками упругого элемента и пластины . Под воздействием усили  F выводной

5 проводник, электропровод щие и диэлектрические слои деформируютс  (фиг. 46) в области упругой деформации. В св зи с принципиально малой толщиной адгезионного сло , по сравнению с толщиной выво0 дов. его деформаци ми можно пренебречь. После сн ти  усили  и нагревани  датчика до максимально допустимой рабочей темпера уры выводной проводник и диэлектрические слои стре5 м тс  достичь первоначального состо ни  и деформируют электропровод щие слои контактных площадок упругого элемента и пластины . Величина усили , необходима  дл  пластической деформации электропровод 0 щего сло  одного выводного проводника, при максимально допустимой рабочей температуре будет равна

F2 S Отэ

5 или в соответствии с законом Гука/

с с- с A L2 с с LB - La2

F2 S Ее-;S Евj.

LBue

где Еь - модуль упругости выводного проводника .

Величина усили , необходима  дл  упругой деформации выводного проводника с запасом дл  последующей пластической деформации электропровод щего сло , равна

+

2 S ЕвНэ U

Отсюда

Fi S

F Atl c

I- В .w

LB LB2

U -a

LB

Анализиру  фиг. 46 и в и учитыва  деформацию электропровод щего сло , можно записать

или в другом виде

Ui U2-2-НЭ-К+.

4- 2 Нэ (- 2 Нв

S -Е,

S

Подставл   полученное выражение в соотношение дл  FI, получим

F1-S -ЕВХ

LB -1в2 +2 К-НЭ -2 На Нд

- Запишем полученное выражение в виде F,S Ев U 1в2 + S -Евх

(2.К-Нэ-2Нэ) Ез

Учитыва , что

С . с, LB Le2 - Q . rr

5 ЕВ:о Отэ ,

-в

получим:

FI 5-0тэ +

2 К S Ев Н

В Г1Э

2 -S ЕвНэТ -2Нд| Ев Ь СэЬд

FI +

2 EBH3Fi +2 EBHAFi La Еэ

Fr

SOrs-f

2 К S ЕвНэ

1 i 2 ЕВНЭ , 2 EBHf LBE3 L8EA

0

5

0

5

0

5

0

Изобретение позвол ет полностью исключить брак по отслоению металлических пленок от диэлектрика, что достигаетс  за счет уменьшени  толщины электродов и минимизации вследствие этого локальных внутренних термомеханических напр жений в пленке.

Предлагаемое решение позвол ет также практически полностью исключить техот- ход датчиков по причине наличи  набросов на поверхности электродов из- за длительного времени Напылени  электродов . Возможность уменьшени  толщины электродов позвол ет также существенно, примерно в 4-5 раз, уменьшить врем  формировани  электродов. Если врем  формировани  электродов по известному решению составл ло не менее 14 мкм, то врем  формировани  электродов по предлагаемому решению не превышает 3 мкм.

Таким образом, технико-экономическим преимуществом предлагаемых решений , по сравнению с прототипом,  вл етс  повышение технологичности за счет устранени  отслоений металлических пленок от диэлектрика, а вследствие уменьшени  внутренних термомеханических напр жений при их напылений за счет устранени  набросов вследствие уменьшени  толщины электродов и за счет сокращени  технологического цикла вследствие уменьшени  времени формировани  электродов. Кроме того, повышаетс  надежность за счет устранени  отслоений металлических электродов от диэлектрика в процессе эксплуатации вследствие минимизации локальных термо- мехзнических напр жений в пленке, за счет исключени  отказов датчиков в процессе эксплуатации по причине наличи  мабро- сов на пленке вследствие исключени  набросов . за счет устранени  диффузии материалов в диэлектрике вследствие выполнени  адгезионного сло  из тугоплавкого материала и за счет повышени  качества контактировани  выводных проводников с контактными площадками.

Результатом повышени  надежности  вл етс  значительное повышение ресурса при высоких температурах. Ресурс непрерывной работы при температуре 800°С емкостного датчика давлени , выполненного в соответствии с прототипом, составл ет 5 мин. Ресурс непрерывной работы при тем- пературе 800°С емкостного датчика давлени , выполненного в соответствии с изобретением, составл ет не менее 60 мин.

Claims (2)

1. Емкостный датчик давлени , содер- жащий корпус в виде стакана, в котором установлено опорное кольцо, заподлицо с внутренним торцом которого размещена мембрана с центральным электродом, причем на внутреннем торце кольца размещен кольцевой электрод, а напротив внутреннего торца и мембраны размещена пластина с ответными электродами, при этом электроды снабжены контактными площадками с ответными изолированными провод щими площадками, размещенными соответственно на внутреннем торце кольца и пластине, и между которыми зажаты выводные проводники , причем электроды и площадки снабжены диэлектрической подложкой, о т- личающийс  тем, что, с целью повышени  надежности и технологичности, в нем электроды и площадки выполнены в виде двухслойной композиции электропровод щего сло  и адгезионного сло , выпол- ненного из материала более тугоплавкого и с большим пределом текучести, при максимальной рабочей температуре, чем материал электропровод щего сло , толщина Нэ которого выбрана из соотношени 

Нэ RA + RB,

где RA - наибольша  высота неровностей поверхности диэлектрической подложки;

Re - наибольша  высота неровностей поверхности выводных проводников, обращенной к площадкам.

2. Способ изготовлени  емкостного датчика давлени , при котором формируют на опорном кольце с мембраной и пластине на диэлектрической подложке электроды с контактными и изолированными провод щими площадками, размещают между пластиной и кольцом по площадкам выводные проводники, зажимают их, прижима  и закрепл   пластину на опорном кольце, устанавливают корпус, вакуумируют, нагревают до максимальной рабочей температуры и герметизируют полость датчика, отличающийс  тем. что, с целью повышени  технологичности, пластину прижимают усилием F, величину которого дл  одного выводного проводника.определ ют из соотношени 

S (Огэ LB + 2 К НэЕв) ЕэЕд 1вЕэЕд+2 НэЕвЕд + 2 НдЕвЕз

где S - контактна  площадь выводного проводника и площадки;

Огэ - предел текучести материала электропровод щего сло  площадки при максимальной рабочей температуре;

LB. Нэ, НА-толщины выводных проводников , электропровод щего сло  и диэлектрической подложки соответственно;

К - коэффициент, учитывающий величину пластической деформации электропровод щего сло ;

Ев. Еэ, Ед - модули упругости материалов соответственно выводных проводников, электропровод щего сло  и диэлектрической подложки.

У////

////

лллл

Nk

M

v

////