SU1744539A1

SU1744539A1 - Capacitive pressure transducer

Info

Publication number: SU1744539A1
Application number: SU904814678A
Authority: SU
Inventors: Дисан Васильевич Лебедев; Петр Петрович Степанов; Владимир Петрович Каршаков
Original assignee: Научно-исследовательский институт физических измерений
Priority date: 1990-04-16
Filing date: 1990-04-16
Publication date: 1992-06-30

Abstract

Изобретение относитс к приборостроению , а именно к емкостным измерительным преобразовател м давлени , и позвол ет повысить точность измерени давлени за счет снижени погрешности нелинейности и температурной погрешности. Датчик содержит выполненную за одно целое с корпусом 1 мембрану 2 с жестким центром 3, неподвижный электрод 4 первого конденсатора Ci, расположенный на недеформируемом участке корпуса, подвижный электрод 5 второго конденсатора Са, расположенный на жестком центре 3, подвижную пластину 6 с электродом 7 конденсатора Ci, скрепленную с жестким центром мембраны лазерной сваркой 8, неподвижную пластину 9 с электродом 10 конденсатора С2, скрепленную лазерной сваркой 11 с корпусом 1. На пластину 9 и корпус 1 нанос тс электроды 12 опорного конденсатора С„.Конструкци датчика за счет введени дополнительного рабочего конденсатора С2 позвол ет реализовать дифференциальный принцип преобразовани и обеспечивает линейность выходного напр жени . 2 ил. ч ЁThe invention relates to instrumentation, namely to capacitive pressure measuring transducers, and allows an increase in the accuracy of pressure measurement by reducing the nonlinearity error and temperature error. The sensor contains a membrane 2 with a rigid center 3, a fixed electrode 4 of the first capacitor Ci, located on the non-deformable part of the housing, a movable electrode 5 of the second capacitor Sa located on the hard center 3, a movable plate 6 with an electrode 7 of the capacitor Ci , bonded to the rigid center of the membrane by laser welding 8, fixed plate 9 with electrode 10 of capacitor C2, bonded by laser welding 11 to housing 1. Electrodes 12 of reference capacitor are applied to plate 9 and housing 1 C ".Konstruktsi sensor by introducing additional working C2 permits the capacitor to realize a differential conversion principle and ensures linearity of the output voltage. 2 Il. h y

Description

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к емкостным измерительным преобразователям давления.The invention relates to measuring equipment, namely to capacitive pressure transducers.

Известен емкостный дифференциальный датчик давления, содержащий полый корпус, являющийся общим электродом конденсаторов, и две мембраны, расположенные на противоположных торцах корпуса, на одной из которых по центру через изолятор крепится электрод первого конденсатора в виде подвижной пластины, а на второй по периферии через изолирующую прокладку - неподвижная пластина, представляющая собой электрод второго конденсатора.A capacitive differential pressure sensor is known, comprising a hollow body, which is a common electrode of capacitors, and two membranes located on opposite ends of the body, on one of which the electrode of the first capacitor is mounted in the form of a movable plate in the center through the insulator, and on the periphery through the insulator gasket on the second - a fixed plate, which is the electrode of the second capacitor.

Недостатком указанного датчика является значительная динамическая температурная погрешность измерения из-за неизбежного градиента температуры между конденсаторами, расположенными на противоположных торцах корпуса, и погрешность нелинейности, обусловленная тем, что электроды конденсаторов располагаются над деформируемыми участками мембран, вследствие чего не удается получить функцию преобразования линейного вида.The disadvantage of this sensor is a significant dynamic temperature measurement error due to the inevitable temperature gradient between capacitors located on opposite ends of the housing, and the nonlinearity error due to the fact that the electrodes of the capacitors are located above the deformable sections of the membranes, as a result of which it is not possible to obtain a linear conversion function.

Наиболее близким к предлагаемому является емкостный датчик давления, содержащий выполненную за одно целое с корпусом мембрану с жестким центром, первый тонкопленочный электрод рабочего конденсатора, нанесенный на жесткий центр мембраны, первый тонкопленочный электрод эталонного конденсатора, нанесенный на корпус, и расположенную с зазором пластину, на которой зеркально-симметрично расположены вторые тонкопленочные электроды рабочего и эталонного конденсаторов.Closest to the proposed one is a capacitive pressure sensor, comprising a rigid center membrane integral with the housing, a first thin-film electrode of the working capacitor deposited on the rigid center of the membrane, a first thin-film electrode of the reference capacitor deposited on the housing, and a plate located with a gap on which mirror-symmetrically located the second thin-film electrodes of the working and reference capacitors.

Недостатком известного датчика является значительная погрешность от нелинейности, обусловленная гиперболической зависимостью емкости рабочего конденсатора от прогиба мембраны. Размещение электрода рабочего конденсатора на жестком центре мембраны неизбежно приводит к уменьшению емкости до единиц и долей пикофарады, что с учетом влияния паразитных емкостей и кабельных эффектов не позволяет дистанционно и в широком диапазоне изменения температуры измерять емкость с достаточной точностью.A disadvantage of the known sensor is a significant error from non-linearity due to the hyperbolic dependence of the capacitance of the working capacitor on the deflection of the membrane. Placing the electrode of the working capacitor on the rigid center of the membrane inevitably leads to a decrease in capacitance to units and fractions of picofarads, which, taking into account the influence of stray capacitances and cable effects, does not allow the capacitance to be measured remotely and over a wide range of temperature changes with sufficient accuracy.

Цель изобретения - повышение точности измерения.The purpose of the invention is to improve the accuracy of measurement.

Поставленная цель достигается тем, что в емкостном датчике давления, содержащем выполненную за одно целое с корпусом мембрану с жестким центром, первый тонкопленочный электрод рабочего конденсатора, нанесенный на жесткий центр мембраны, первый тонкопленочный электрод эталонного конденсатора, нанесенный на корпус, и расположенную с зазором пластину, на которой зеркально-симметрично расположены вторые тонкопленочные электроды рабочего и эталонного конденсаторов, пластина разделена на полукруглые подвижную и неподвижную части, подвижная часть пластины жестко соединена с жестким центром мембраны, а неподвижная часть скреплена по периферии с корпусом, вторые тонкопленочные электроды рабочего и эталонного конденсаторов расположены на неподвижной части пластины, при этом в датчик введен дополнительный рабочий конденсатор, подвижный тонкопленочный электрод которого расположен на периферии подвижной части пластины, а неподвижный тонкопленочный электрод зеркально-симметрично на недеформируемом участке корпуса.This goal is achieved by the fact that in a capacitive pressure sensor containing a membrane with a rigid center made in one piece with the housing, the first thin-film electrode of the working capacitor deposited on the rigid center of the membrane, the first thin-film electrode of the reference capacitor deposited on the housing and a plate located with a gap on which the second thin-film electrodes of the working and reference capacitors are mirrored symmetrically, the plate is divided into semicircular movable and fixed parts, the movable the second part of the plate is rigidly connected to the rigid center of the membrane, and the fixed part is fastened peripherally to the body, the second thin-film electrodes of the working and reference capacitors are located on the fixed part of the plate, while an additional working capacitor is introduced into the sensor, the movable thin-film electrode of which is located on the periphery of the moving part plates, and a fixed thin-film electrode is mirror-symmetrical on a non-deformable section of the housing.

Предлагаемая конструкция датчика позволяет реализовать дифференциальный принцип преобразования, функция которого Fi = (С₂-Ci)/(C₂+ Ci) обеспечивает линейность выходного напряжения от прогиба мембраны при равенстве начальных зазоров между электродами конденсаторов и начальных значений емкостей Ci и С₂.The proposed sensor design allows you to implement the differential conversion principle, the function of which Fi = (C ₂ -Ci) / (C ₂ + Ci) ensures the linearity of the output voltage from the deflection of the membrane with the equality of the initial gaps between the electrodes of the capacitors and the initial values of the capacitances Ci and C ₂ .

При колебаниях температуры начальные зазоры между электродами конденсаторов изменяются на одну и ту же величину, что обеспечивает резкое снижение аддитивной температурной погрешности. Однако для этого нужно добиться идентичности функций преобразования обеих половин емкостного чувствительного элемента. Для дифференциального емкостого чувствительного элемента может быть использована наиболее точная уравновешиваемая измерительная цепь.With temperature fluctuations, the initial gaps between the electrodes of the capacitors change by the same value, which provides a sharp decrease in the additive temperature error. However, for this it is necessary to achieve the identity of the conversion functions of both halves of the capacitive sensitive element. For a differential capacitive sensing element, the most accurate balanced measuring circuit can be used.

Функциональные возможности предлагаемого датчика можно значительно расширить, а требования к его конструктивно-технологическим параметрам снизить. заменив дифференциальную схему измерения квазидифференциальной, что позволяет применять более дешевые по сравнению с преобразователями дифференциальной схемы измерения отработанные вторичные преобразователи на основе автокомпенсационной схемы, имеющие линейную относительно прогиба мембраны функцию преобразования F₂ = С₀/Сх, где С_о, Сх - емкости соответственно опорного и рабочего конденсаторов.The functionality of the proposed sensor can be significantly expanded, and the requirements for its design and technological parameters can be reduced. replacing the differential measurement scheme with a quasidifferential one, which makes it possible to use the waste secondary transducers cheaper than the differential measurement scheme converters based on the self-compensation scheme, having the conversion function linear with respect to the membrane deflection F ₂ = C ₀ / Cx, where C _about , Cx are the capacities of respectively the reference and working capacitors.

Предлагаемая конструкция емкостного датчика с избыточностью позволяет также реализовать два автономных канала изме5 рения, что повышает точность измерения в Граз.The proposed design of a capacitive sensor with redundancy also allows for the implementation of two autonomous measurement channels, which increases the accuracy of measurements in Graz.

На фиг.1 изображена конструкция емкостного датчика давления, в которой верхняя пластина разделена на два полукруга, один из которых соединен с корпусом и является неподвижным; на фиг.2 - топология электродов, нанесенных по микроэлектронной технологии на подвижную и неподвижную части пластины.Figure 1 shows the design of a capacitive pressure sensor, in which the upper plate is divided into two semicircles, one of which is connected to the housing and is stationary; figure 2 - the topology of the electrodes deposited by microelectronic technology on the moving and stationary parts of the plate.

Датчик содержит выполненную за одно целое с корпусом 1 мембрану 2 с жестким центром 3, неподвижный электрод 4 первого конденсатора Ci, расположенный на недеформируемом участке корпуса, подвижный электрод 5 второго конденсатора Сг, расположенный на жестком центре 2, подвижную пластину 6 с электродом 7 конденсатора Ci, скрепленную с жестким центром мембраны лазерной сваркой 8 в нескольких точках, неподвижную пластину 9 с электродом 10 конденсатора Сг и электродом 12 конденсатора С_о, скрепленную лазерной сваркой 11 с недеформируемой частью корпуса в нескольких точках.The sensor comprises a membrane 2 integral with housing 1 with a rigid center 3, a fixed electrode 4 of the first capacitor Ci located on the non-deformable portion of the housing, a movable electrode 5 of the second capacitor Cg located on the rigid center 2, a movable plate 6 with the electrode 7 of the capacitor Ci that is integrated with a rigid center diaphragm 8 by laser welding at several points, the fixed plate 9 with the electrode 10 of the capacitor Cr and the electrode 12 _of the capacitor C, held together by laser welding 11 with the deformable portion of the housing several points.

Емкостный датчик давления работает следующим образом.Capacitive pressure sensor operates as follows.

При действии давления мембрана 2 прогибается. При этом зазор между электродами 5 и 10 уменьшается (емкость Сг увеличивается), а зазор между электродами 4 и 7 увеличивается за счет перемещения пластины 6 (емкость Ci уменьшается). Опорная емкость Со, образованная неподвижными электродами на пластине 9 и корпусе 1, остается неизменной от давления.Under pressure, the membrane 2 bends. In this case, the gap between the electrodes 5 and 10 decreases (the capacitance Cr increases), and the gap between the electrodes 4 and 7 increases due to the movement of the plate 6 (the capacitance Ci decreases). The reference capacitance Co formed by the fixed electrodes on the plate 9 and the housing 1 remains unchanged from pressure.

Так как электроды расположены над недеформируемыми участками мембраны 2 и корпуса 1, емкости Ci и Сг будут равны:Since the electrodes are located above the non-deformable sections of the membrane 2 and the housing 1, the capacitances Ci and Cr will be equal to:

г do (1 +Λ )’ _r _ Зг ε_ο.r do (1 + Λ) ' _r _ 3r ε _ο .

do(1-X)’ гдеБ1, Бг - площади электродов;do (1-X) ’where B1, Bg are the areas of the electrodes;

do - начальный зазор между электродами;do - initial gap between the electrodes;

λ= W/do - глубина модуляции зазора;λ = W / do is the depth of modulation of the gap;

W - прогиб жесткого центра мембраны;W is the deflection of the rigid center of the membrane;

Ео - диэлектрическая проницаемость воздуха.Eo is the dielectric constant of air.

При равенстве площадей Si = S2 функция преобразованияIf the areas Si = S2 are equal, the transformation function

Fi = (C₂-Ci)/(C₂ + Ci) = A является линейной относительно прогиба.Fi = (C ₂ -Ci) / (C ₂ + Ci) = A is linear with respect to the deflection.

Функции преобразования при использовании квазидифференциальной схемы измерения могут иметь вид;The conversion functions when using a quasi-differential measurement scheme can be of the form;

^--^+-37)=0+^ и являются также линейными относительно прогиба.^ - ^ + - 37) = 0 + ^ and are also linear with respect to the deflection.

При колебаниях температуры начальные зазоры do между электродами конденсаторов Ci, Сг и Со изменяются на одну и ту же величину, что обеспечивает многократное снижение температурной погрешности.With temperature fluctuations, the initial gaps do between the electrodes of the capacitors Ci, Cr, and Co change by the same amount, which ensures a multiple decrease in the temperature error.

Claims

Claim

A capacitive pressure sensor comprising a rigid center membrane integrally formed with the housing, a first thin-film electrode of the working capacitor deposited on the rigid center of the membrane, a first thin-film electrode of the reference capacitor deposited on the housing, and a plate with a mirror-symmetrically arranged gap second thin-film electrodes of the working and reference capacitors, characterized in that, in order to improve accuracy, the plate in it is divided into semicircular movable and fixed parts, the movable part of the plate is rigidly connected to the rigid center of the membrane, and the fixed part is fastened on the periphery with the housing, the second thin-film electrodes of the working and reference capacitors are located on the fixed part of the plate, while an additional working capacitor is introduced into the sensor, the movable thin-film electrode of which is located on the periphery the movable part of the plate, and the stationary thin-film electrode is mirror-symmetric in the undeformable portion of the body.