Емкостный датчик давления и способ его изготовления

 

Изобретение относится к измеритель- . ной технике, а именно к емкостным датчикам давления и способам их изготовления. Целью изобретения является 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 позволяет при прижиме пластины к упругому пальцу через контактные площадки и выводные проводники получить качественное соединение. 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 1 9/12ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4836941/10 (22) 08.06.90 (46) 15.04.92. Бюл, и 14 (71) Научно-исследовательский институт физических измерений (72) Е.М.Белозубов (53) 531.787(088.8) (56) Патент США М . 4562742, кл. 0 01 L 9/12, 1980.

Авторское свидетельство СССР

M 1652839, кл. G 01 1. 9/12, 1980. (54) ЕМКОСТНЫЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ И

СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к измеритель. ной технике, а именно к емкостным датчикам давления и способам их изготовления. ..Я2 1727009 А1

Целью изобретения является 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 позволяет при прижиме пластины к упругому пальцу через контактные площадки и выводные проводники получить качественное соединение. 4 ил.

1;а7009

55 апазона температур.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в датчиках для измерения статикодинамического давления в широком диапазоне температур.

Известен емкостный датчик давления, содержащий вакуумированный 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 является невысокий уровень надежности и технологичности, особенно в области высоких температур, связанный с использованием сравнительно легкоплавких материалов: золота, алюминия и т.п. При эксплуатации известных емкостных датчиков давления, при высоких температурах происходит диффузия материалов электродов в диэлектрик, что приводит к уменьшению сопротивления диэлектрика и ухудшению характеристик датчика. Применение пленок и выводных проводников иэ сравнительно тугоплавких материалов не меняет положения, так как в этом случае происходит повреждение сравнительно тонкой диэлектрической пленки при сварке выводного проводника и контактной площадки вследствие необходимости обеспечения высокой температуры (не менее температуры плавления) материалов, разогрева контактной площадки и выводного проводника. Кроме того, недостаточная технологичность и надежность известных емкостных датчиков давления объясняется отслоением металлических пленок от диэлектрика вследствие взаимодействия значительных внутренних термомеханических напряжений, возникающих в металлических электродах при их напылении, и напряжений, возникающих в результате воздействия широкого диапаэона температур иэ-за различия температурных коэффициентов линейного расширения (ТКЛР) металлической пленки и диэлектрика.

Технологичность известной конструкции также недостаточна вследствие необходимости длительного процесса напыления для обеспечения нужной толщины электродов.

Известен способ изготовления емкостногодатчика, заключающийся в формировании на упругом элементе и пластине тонкопленочных металлических электродов с контактными площадками. размещении

ВЫВОДНЫХ ПРОВОДНИКОВ H3 KOHTBKTHblX flROщадках, жестком закреплении пластины на упругом элементе, вакуумировании и герметизации межэлектродного объема, Недостатком такого способа является невозможность изготовления емкостных датчиков с требуемыми технологичностью и надежностью.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является емкостный датчик давления, 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 проводящими 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 невысокая технологичность и надежность, связанные со случаями отслоений металлических пленок от диэлектрика вследствие взаимодействия значительных внутренних термомеханических напряжений, возникающих в металлических электродах при их напылении, и напряжений, возникающих в результате воздействия широкого диапазона температур из-за различия ТКЛР металлической пленки и диэлектрика. Технологичность известной конструкции недостаточна также вследствие необходимости длительного времени напыления электродов для обеспечения требуемой толщины электродов. Длительное время напыления приводит не только к увеличению технологического цикла и к появлению неравномерности распределения термомеханических напряжений, но и к формированию на поверхности электродов локальных неоднородностей в виде выпуклостей или "набросав". Вследствие значительной величины "набросов", которые могут существенно превышать толщину электродов, происходит дополнительное снижение надежности, связанное с появлением локальных неоднородностей электрических и механических напряжений в зоне

"набросав", которые в силу очень малых величин межэлектродных зазоров приводят к дополнительным отказам датчиков особенно в условиях воздействия широкого ди1727009

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ изготовления емкостного датчика давления, при котором формируют на опорном кольце с мембраной и пластине на диэлектрической подложке электроды с контактными и изолированными проводящими площадками, размещают между пластиной и кольцом по площадкам выводные проводники, зажимают их, прижимая и закрепляя пластину на опорном основании, устанавливают корпус, вакуумируют, нагревают до максимальной рабочей температуры и герметизируют полость датчика;

Недостатком известного способа является невозможность изготовления емкостных датчиков с требуемыми и технологичностью и надежностью.

Цель изобретения — увеличение технологичности и повышение надежности за счет устранения отслоений металлических пленок от диэлектрика вследствие уменьшения внутренних термомеханических напряжений, возникающих в металлических электродах при их напылении, за счет сокращения времени напыления электродов вследствие уменьшения их толщины, за счет устранения "набросов".

Нг фиг. 1 изображен предлагаемый емкостный датчик давления; на фиг. 2 — разрез.

А-А и Б-Б на фиг. 1; на фиг. 3 — поперечные разрезы соединения выводных проводников с контактными площадками, узел 1 на

"фиг. 1; на фиг, 4 — различные этапы деформации выводных проводников при изготовлении.

Соотношения между размерами межэлектродного зазора, толщины электродов и размерами других элементов конструкции для наглядности изменены.

Емкостный датчик давления содержит вакуумированный корпус 1, в котором установлено опорное кольцо, заподлицо с внутренним 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 межзлектродного зазора, размещены между контактными площадками электродов и изолированными контактными площадками. Выводные проводники соединены с гермоконтактами 12 корпуса. Электроды и контактные площадки выполнены в ви. де двухслойной композиции эпектропроводящего слоя 13 и расположенного межд

1 жду ним и диэлектриком 3 адгезионного слоя

5 14, выполненного из материала более тугоплавкого и с большим пределом текучести при максимально допустимой рабочей температуре датчика по сравнению с электропроводящим слоем. Толщина зпек10 тропроводящего слоя 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.

Электропроводящий слой электродов и

15 контактных площадок выполнен в виде пленки никеля (температура плавления равна 1453 С, g„= 6 МПа). Адгезионный слой выполнен в виде пленки молибдена (температура плавления равна 2610 С, ат = 330 МПа)

20 толщиной 0,04 мкм. Размеры контактных площадок 0,25 х 0,26 мм (5 = 0,0625 мм-).

Упругий элемент и пластина выполнены из сплава Н65М20В15. Выводные проводники также выполнены из сплава Н65М20215, 25 их толщина 30 мкм. При о э= 6. 10 fla, Lb=30 10 м, К=05, Нэ=02106м, Eb=

=2 10 Па. Еэ=1 10 Па; Е =1 ° 10" Па, Hg = 3 10 м получаея F =128 Н. Усилие приложенное к центру пластины при числе

30 контактных площадок, равном 3,384 Н или

38,4 кг

Способ реализуется 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, размещая 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 закрепляют пластину на упругом элементе, например при помощи сварки.

Причем зоны закрепления выполняют на одинаковом расстоянии от выводных проводников. Прекращают воздействие усилия.

Помещают упругий элемент и пластину в корпус, приваривают выводной проводник к гермоконтакту. Помещают датчик в установку электронно-лучевой сварки ОЗЛЭВ80-1. создают в камере вакуум 10 Па.

Нагревают его до максимально допустимой рабочей температуры 800 С. Нагрев датчи1727009

55 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 обезгаживания, удаления окислов, нитридов и гидридов происходит процесс взаимной диффузии материалов контактной площадки и выводных проводников под воздействием усилия, температуры и вакуума. т.е. происходит процесс диффузионной сварки в вакууме выводных проводников и контактных площадок. При этом вследствие выполнения адгезионного слоя из материала с большим пределом текучести при максимальной рабочей температуре, по сравнению с электропроводящим слоем, в основном происходит пластическая деформация электропроводящего слоя, материал которого заполняет неровности поверхности выводных проводников, соприкасающихся с злектропроводящим слоем, как изображено на фиг. 3. Герметизируют датчик. заваривая герметизирующее отверстие.

В связи с выполнением электродов и контактных площадок в виде двухслойной композиции электропроводящего и расположенного между ним диэлектриком адгезионного слоя, выполненного из более тугоплавкого материала, по сравнению с электропроводящим слоем, диффузия материалов выводных проводников и электропроводящего слоя в диэлектрик не происходит, так как адгезионный слой в силу своей большей температуры плавления выполняет роль барьерного слоя. препятствующего диффузии.

Выполнение толщины электропроводяшего слоя электродов и контактных площадок, равной сумме наибольших BblcGT неровностей поверхности диэлектрика и по-. верхности выводных проводников, позволяет обеспечить гарантированное максимальное значение площади соприкосновения выводных проводников и контактных площадок, а также обеспечить малую величину толщины электропроводящего слоя, необходимую для минимизации термомеханических напряжений.

На фиг.3 обозначены наибольшие высоты неравностей.

Если толщина электропроводящего слоя меньше суммы наибольших высот неровностей поверхности диэлектрика и поверхности выводных проводников, то в этом случае не все неровности выводных проводников будут заполнены материало..1 злектропроводящего слоя и площадь поверхности контактирования выводных

50 проводников с контактными площадками будет меньше необходимой за счет образо-, вания внутренних полостей 15, а следовательно, будет низка и надежность соединения выводных проводников и контактных площадок (см. фиг. Зб).

Если же толщина электропроводящего слоя будет больше суммы наибольших высот неровностей поверхности диэлектрика и поверхности выводных проводников, то неоправданно увеличится толщина электропроводящего слоя, а следовательно, и термомеханические напряжения в нем, что также приведет к понижению надежности работы датчика. Кроме того, увеличение толщины электропроводящего слоя требует увеличения технологического времени, что ухудшает технологичность. B случае равенства толщины электропроводящего слоя сумме наибольших высот неровностей поверхности диэлектрика и поверхности выводных проводников, обеспечивается гарантированное максимальное значение поверхности контактирования выводных проводников и контактных площадок в сочетании с приемлемым значением внутренних термомеханических напряжений злектропроводящей пленки (см. фиг. Зв).

На фиг. 4 схематично приведены различныее состояния выводных проводников.

B начальный момент (фиг. 4а) выводной проводник располагают между контактными площадками упругого элемента и пластины. Под воздействием усилия F выводной проводник, электропроводящие и диэлектрические слои деформируются (фиг. 46) в области упругой деформации. В связи с принципиально малой толщиной адгезионного слоя, по сравнению с толщиной выводов, его деформациями можно пренебречь. После снятия усилия и нагревания датчика до максимально допустимой рабочей темпера. уры выводной проводник и диэлектрические слои стремятся достичь первоначального состояния и деформируют электропроводящие слои контактных площадок упругого элемента и пластины. Величина усилия, необходимая для пластической деформации электропроводящего слоя одного выводного проводника, при максимально допустимой рабочей температуре будет равна

F2= S %a или в соответствии с законом Гука

b. г в - 2

F2=S Ев Я Ев в в где Eb — модуль упругости выводного проводника.

1727009

„2 S ЕвНэ тэ +

Отсюда

+2 К$ ЕВНэ

$%э+

+2Евнз+2еа низ

LeEs 1-вЕд

1в2=1в1 — 2. Нз К— или в другом виде

La1 = -в2 2 Нз К+.

Fl-3 ЕВХ

Учитывая, что получим:

Величина усилия, необходимая для упругой деформации выводного проводника с запасом для последующей пластической деформации электропроводящего слоя, равна

Ь 1.1 -в — -в2

Р1 $ Ee =S Ee

La 1в

Анализируя фиг. 4б и в и учитывая де; формацию электропроводящего слоя, можно записать

Fl — 2Нз$ Š— 2Нд$ Е„

+2 Нз — +2 Нв

Fl F1

$ Еэ S Ед

Подставляя полученное выражение в соотношение для Fl, получим

Fl Е1

Le — Le2 +2 К Нз 2 Нэ — 2 Нд

S Ез SЕ х в

Запишем полученное выражение в виде

Fl $ Ee +S Eex в -в2

1-в (2 ° К ° Н,-2Н, ) — 2Н х

1-в Le2

S E8 =S %э, 1-в

+2 К $ Ев Hs 1=$ Оз+ в

F1. F1

2 $ - ЕвНэ — 2Нд — Ев

S Е Е

2 ЕвНз 1 + 2 ЕвНд Fl 1+

Ls Ез

После преобразования учитывая, что сила Fl есть искомая сила F, получаем

S Жэ Le + 2 К НзЕв ЕэЕд

1-в ЕзЕд + 2 НзЕвЕд + 2 НдЕвЕз

Изобретение позволяет полностью исключить брак по отслоению металлических пленок от диэлектрика, что достигается за

20 счет уменьшения толщины электродов и минимизации вследствие этого локальных внутренних термомеханических напряжений в пленке.

Предлагаемое решение позволяет также практически полностью исключить техотход датчиков по причине наличия

"набросов" на поверхности электродов изза длительного времени Напыления электродов. Возможность уменьшения толщины электродов позволяет также существенно, примерно в 4-5 раз, уменьшить время фсрмирования электродов, Если время фон..ирования электродов по известному решению составляло не менее 14 мкм, то 5 время формирования электродов по предлагаемому решению не превышает 3 мкм.

Таким образом, технико-экономическим преимуществом предлагаемых решений, по сравнению с прототипом, является повышение технологичности за счет устранения отслоений металлических пленок от диэлектрика, а вследствие уменьшения внутренних термомеханических напряжений при их напылении за счет устранения

5 "набросов" вследствие уменьшения толщины электродов и за счет сокращения технологического цикла вследствие уменьшения времени формирования электродов. Кроме того, повышается надежность за счет устранения отслоений металлических электродов от диэлектрика в процессе эксплуатации вследствие минимизации локальных термомеханических напряжений в пленке. за счет исключения отказов датчиков в процессе

55 эксплуатации по flpl14,1íå нали„,я -набро сов" на пленке вследствие исключения набросав", за счет устранения диффузии материалов в диэлектрике вследствие выполнения адгезионного слоя из тугоплавко1727009

12 го материала и за счет повышения качества контактирования выводных проводников с контактными площадками.

Результатом повышения надежности является значительное повышение ресурса 5 при высоких температурах. Ресурс непрерывной работы при температуре 800 С емкостного датчика давления, выполненного в соответствии с прототипом, составляет 5 мин. Ресурс непрерывной работы при тем- 10 пературе 800 С емкостного датчика давления, выполненного в соответствии с изобретением, составляет не менее 60 мин.

Формула изобретения

1. Емкостный датчик давления, содер- 15 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 20 кольцевой электрод, а напротив внутреннего торца и мембраны размещена пластина с ответными электродами, при этом электроды снабжены контактными площадками с ответными изолированными проводящими 25 площадками, размещенными соответственно на внутреннем торце кольца и пластине, и между которыми зажаты выводные проводники, причем электроды и площадки снабжены диэлектрической подложкой, о т- 30 л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения надежности и технологичности, в нем электроды и площадки выполнены в виде двухслойной композиции электропроводящего слоя и адгезионного слоя, выпол- 35 ненного из материала более тугоплавкого и с большим пределом текучести. при максимальной рабочей температуре, чем материал электропроводящего слоя. толщина Нз которого выбрана из соотношения 40

Нз = Вд+ Re, где Яд — наибольшая высота неровностей поверхности диэлектрической подложки;

Вв — наибольшая высота неровностей поверхности выводных проводников, обращенной к площадкам.

2. Способ изготовления емкостного датчика давления, при котором формируют на опорном кольце с мембраной и пластине на диэлектрической подложке электроды с контактными и изолированными проводящими площадками, размещают между пластиной и кольцом по площадкам выводйые проводники, зажимают их, прижимая и закрепляя пластину на опорном кольце, устанавливают корпус, вакуумируют, нагревают до максимальной рабочей температуры и герметизируют полость датчика, о т л и ч аа шийся тем, что, с целью повышения технологичности, пластину прижимают усилием F, величину которого для одного выводного проводника. определяют из соотношения

$ %-з 1 в +2 К НзЕв ЕзЕд

1-в ЕзЕд + 2 НзЕвЕд + 2 НдЕвЕз где $ — контактная площадь выводного проводника и площадки; сиз — предел текучести материала электропроводящего слоя площадки при максимальной рабочей температуре;

Le. Нз, Нд толщины выводных проводников, электропроводящего слоя и диэлектрической подложки соответственно;

К вЂ” коэффициент, учитывающий величину пластической деформации электропроводящего слоя;

Ев, Ез, Ед — модули упругости материалов соответственно выводных проводников, электропроводящего слоя и диэлектричеСКОЙ ПОДЛОЖКИ.

1727009

1727009 Х .

Г

% а 4

Составитель Е.Белозубов

Редактор M.Áàíäóðà Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор Н.Ревская

Заказ 1273 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва. Ж-35, Раушская наб.. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101