SU1744539A1

SU1744539A1 - Емкостный датчик давлени

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 Ё

Description

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к емкостным измерительным преобразователям давления.

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.

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.

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.

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.

Цель изобретения - повышение точности измерения.

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.

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.

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.

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.

Предлагаемая конструкция емкостного датчика с избыточностью позволяет также реализовать два автономных канала изме5 рения, что повышает точность измерения в Граз.

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.

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.

Емкостный датчик давления работает следующим образом.

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.

Так как электроды расположены над недеформируемыми участками мембраны 2 и корпуса 1, емкости Ci и Сг будут равны:

г do (1 +Λ )’ _r _ Зг ε_ο.

do(1-X)’ гдеБ1, Бг - площади электродов;

do - начальный зазор между электродами;

λ= W/do - глубина модуляции зазора;

W - прогиб жесткого центра мембраны;

Ео - диэлектрическая проницаемость воздуха.

При равенстве площадей Si = S2 функция преобразования

Fi = (C₂-Ci)/(C₂ + Ci) = A является линейной относительно прогиба.

Функции преобразования при использовании квазидифференциальной схемы измерения могут иметь вид;

^--^+-37)=0+^ и являются также линейными относительно прогиба.

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.

Claims

Формула изобретения

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, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в нем 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.