RU2680855C1 - High-frequency thin-film capacitive pressure sensor - Google Patents
High-frequency thin-film capacitive pressure sensor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2680855C1 RU2680855C1 RU2018117814A RU2018117814A RU2680855C1 RU 2680855 C1 RU2680855 C1 RU 2680855C1 RU 2018117814 A RU2018117814 A RU 2018117814A RU 2018117814 A RU2018117814 A RU 2018117814A RU 2680855 C1 RU2680855 C1 RU 2680855C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- membrane
- film
- dielectric film
- sensor
- frequency
- Prior art date
Links
- 239000010409 thin film Substances 0.000 title claims abstract description 9
- 239000010408 film Substances 0.000 claims abstract description 73
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims abstract description 73
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 23
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 claims abstract description 17
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 14
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 14
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims abstract description 11
- 239000011888 foil Substances 0.000 claims abstract description 8
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims abstract description 4
- 238000009413 insulation Methods 0.000 claims abstract description 4
- 239000012212 insulator Substances 0.000 claims abstract description 4
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 3
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 3
- 230000013011 mating Effects 0.000 claims description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 6
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000010349 pulsation Effects 0.000 description 10
- 238000013461 design Methods 0.000 description 8
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 description 5
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 4
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 4
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 4
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 4
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 3
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 3
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 3
- 235000008753 Papaver somniferum Nutrition 0.000 description 2
- 240000001090 Papaver somniferum Species 0.000 description 2
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 2
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 239000011889 copper foil Substances 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 description 2
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 230000005653 Brownian motion process Effects 0.000 description 1
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 description 1
- 229910052770 Uranium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 239000012736 aqueous medium Substances 0.000 description 1
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 1
- 238000009530 blood pressure measurement Methods 0.000 description 1
- 238000005537 brownian motion Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 1
- 239000002360 explosive Substances 0.000 description 1
- 230000001788 irregular Effects 0.000 description 1
- 238000012886 linear function Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 239000002609 medium Substances 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 230000002277 temperature effect Effects 0.000 description 1
- 239000002966 varnish Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
- G01L9/12—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in capacitance, i.e. electric circuits therefor
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в авиационной, космической технике, ЖКХ, акустике и в экспериментах для измерения быстропеременных давлении.The invention relates to measuring equipment and can be used in aviation, space technology, utilities, acoustics and in experiments for measuring rapidly varying pressure.
Известен емкостной датчик давления, сборку которого осуществляют в вакууме с применением технологии изготовления тонких эпитаксиальных пленок в вакууме. Мембрана датчика имеет плоскую цилиндрическую форму. Приводятся рациональные размеры конструкции чувствительного элемента (ЧЭ) емкостного датчика, позволяющего измерять пульсации давления от 102 мкПа до 2⋅105 Па (15-200 дБ), статического давления от 0 до 5⋅105 Па и их сочетание, т.е. давление звука (статодинамическое давление) в этих интервалах.Known capacitive pressure sensor, the assembly of which is carried out in vacuum using the technology of manufacturing thin epitaxial films in vacuum. The sensor membrane has a flat cylindrical shape. The rational dimensions of the design of the sensitive element (CE) of the capacitive sensor are given, which make it possible to measure pressure pulsations from 10 2 μPa to 2⋅10 5 Pa (15-200 dB), static pressure from 0 to 5⋅10 5 Pa and their combination, i.e. . sound pressure (statodynamic pressure) in these intervals.
ЧЭ емкостного датчика позволяет измерить пульсации и статическое давление на поверхности объекта исследованный (ОИ) бездренажным и дренажным способами (патент РФ №2179308 G01L 9/08, 9/12. 2002 г. «Емкостной датчик давления» автор А.А. Казарян).The SE of a capacitive sensor allows you to measure the pulsations and static pressure on the surface of the object studied (OI) by drainage and drainage methods (RF patent No. 2179308 G01L 9/08, 9/12. 2002 "Capacitive pressure sensor" by A. A. Ghazaryan).
Датчик имеет следующие недостатки. Сборка датчика проходит по сложному технологическому процессу, из-за чего повышается его стоимость. Датчик не позволяет измерить звуковое давление (пульсации давления) в диапазоне частот шире, чем от 20 Гц до 20 кГц.The sensor has the following disadvantages. The assembly of the sensor takes place through a complex technological process, because of which its cost increases. The sensor does not allow measuring sound pressure (pressure pulsations) in a frequency range wider than from 20 Hz to 20 kHz.
Наиболее близким к изобретению техническим решением является емкостной датчик давления, основанный на принципе зависимости параметров, определяющих его электрическую емкость. Емкостный датчик давления состоит из двухсторонней фольгированной диэлектрической пленки, являющейся основанием датчика. На верхней поверхности основания датчика сформированы обкладки конденсатора с выводами. Фольга на нижней поверхности основания является экраном датчика. Мембрана датчика жестко закреплена на поверхности второй диэлектрической пленки. На обе поверхности мембраны нанесены третья и четвертая диэлектрические пленки. Для защиты выводов установлен экран, покрытый шестой и седьмой диэлектрическими пленками. Экран выполнен из того же материала, что и мембрана. Вторая пленка выполнена перфорированной с газообразным диэлектриком внутри ячейки и пропитана клеем. Дополнительно введен вывод в виде провода диаметром 1-2 мкм, покрытого изоляцией. На основании датчика обкладки перфорированы и имеют не менее пяти отверстий для связи полости датчика под мембраной с атмосферным давлением.Closest to the invention, the technical solution is a capacitive pressure sensor based on the principle of dependence of the parameters determining its electric capacity. A capacitive pressure sensor consists of a double-sided foil dielectric film, which is the base of the sensor. Capacitor plates with leads are formed on the upper surface of the sensor base. The foil on the bottom surface of the base is the sensor screen. The sensor membrane is rigidly fixed to the surface of the second dielectric film. The third and fourth dielectric films are deposited on both surfaces of the membrane. To protect the terminals, a screen is installed, covered with the sixth and seventh dielectric films. The screen is made of the same material as the membrane. The second film is perforated with a gaseous dielectric inside the cell and impregnated with glue. Additionally introduced output in the form of a wire with a diameter of 1-2 microns, coated with insulation. Based on the sensor, the plates are perforated and have at least five holes for connecting the sensor cavity under the membrane with atmospheric pressure.
Такое решение в указанной конструкции обеспечивает измерение бездренажным методом звукового давления (пульсации давления), давления звука (статодинамическое давление), статического давления, взрывных, ветровых давлений волны и т.д. (патент РФ №2485464 G01L 9/12. 2013 г. автор А.А. Казарян).Such a solution in the indicated design provides measurement by the drainless method of sound pressure (pressure pulsation), sound pressure (statodynamic pressure), static pressure, explosive, wind wave pressures, etc. (RF patent No. 2485464
Недостатком датчика является отсутствие возможности измерения звукового давления в диапазоне частот шире, чем 20 Гц-20 кГц.The disadvantage of the sensor is the inability to measure sound pressure in the frequency range wider than 20 Hz-20 kHz.
Задачей настоящего изобретения является реализация метода бездренажного измерения полей звукового давления за счет расширения диапазона измерения рабочей частоты тонкопленочных емкостных датчиков, больше диапазона звуковой частоты (20 Гц до 20 кГц). При этом сохраняя линейность зависимости изменения выходного сигнала (перемещение мембраны) от входного задаваемого давления (нагрузки) и необходимого коэффициента преобразования (чувствительности) датчика.The present invention is the implementation of the method of drainless measurement of sound pressure fields by expanding the measuring range of the operating frequency of thin-film capacitive sensors, more than the range of sound frequency (20 Hz to 20 kHz). At the same time, preserving the linearity of the dependence of the change in the output signal (membrane movement) on the input set pressure (load) and the required conversion coefficient (sensitivity) of the sensor.
Технический результат достигается тем, что высокочастотный тонкопленочный емкостной датчик давления, состоящий из четырех диэлектрических пленок, на поверхности первой диэлектрической пленки сформирован основной экран, на верхней поверхности второй диэлектрической пленки сформирован первый боковой экран, изолятором между основным экраном и объектом исследования является первая диэлектрическая пленка, на нижней поверхности четвертой диэлектрической пленки сформирована объединенная обкладка (мембрана), сквозь первую, вторую диэлектрические пленки и ответные обкладки проходят не менее пяти сквозных опорных отверстий для связи полости датчика под мембраной с атмосферным давлением; датчик закреплен на поверхности объекта исследования через первую диэлектрическую пленку с канавками для поддержания связи ячейки с атмосферой через опорные отверстия, дополнительно, на поверхности второй диэлектрической пленки сформированы ответные обкладки из металлической фольги прямоугольной или круглой формы; диаметр ячейки перфорации выбирают равной 2а, где а - радиус ячейки перфорации, высоту ℓ ячейки перфорации выбирают равной высоте общей толщины мембраны ℓ1; для сохранения линейной зависимости между выходным и входным параметрами прогиб мембраны выбирают намного меньше общей толщины ℓ/2; после формирования мембраны датчика из диэлектрической пленки (например, из полиимидной пленки) толщину металлизированного слоя t выбирают не более одного мкм, в противном случае, когда мембраной является металлическая пленка, его толщину t выбирают в диапазоне от 2 мкм до 40 мкм, при этом соответственно обеспечивая минимальный уровень измеряемого давления от 1 Па до 20 кПа; максимальный - от 200 Па до 1100 кПа, причем, если мембрана сформирована из полиимидной пленки, величина частоты ее собственных колебаний меньше величины частоты собственных колебаний пленки из никеля в 4,5 раза; причем полиимидная пленка, выбранная в качестве изоляции и для покрытия металлом в вакууме должна бать толщиной не менее 10 мкм.The technical result is achieved by the fact that a high-frequency thin-film capacitive pressure sensor, consisting of four dielectric films, a main screen is formed on the surface of the first dielectric film, a first side screen is formed on the upper surface of the second dielectric film, the first dielectric film is an insulator between the main screen and the object of study on the lower surface of the fourth dielectric film a united lining (membrane) is formed, through the first, second dielectric an insulating film and counter electrode are at least five through holes for connection reference sensor cavity under the membrane at atmospheric pressure; the sensor is mounted on the surface of the object of study through the first dielectric film with grooves to maintain communication between the cell and the atmosphere through the support holes; additionally, response plates of rectangular or round metal foil are formed on the surface of the second dielectric film; the diameter of the perforation cell is chosen equal to 2 a , where a is the radius of the perforation cell, the height ℓ of the perforation cell is chosen equal to the height of the total thickness of the membrane ℓ 1 ; to maintain a linear relationship between the output and input parameters, the deflection of the membrane is chosen much less than the total thickness ℓ / 2; after the sensor membrane is formed from a dielectric film (for example, from a polyimide film), the thickness of the metallized layer t is chosen to be no more than one μm, otherwise, when the membrane is a metal film, its thickness t is selected in the range from 2 μm to 40 μm, while respectively providing a minimum level of measured pressure from 1 Pa to 20 kPa; the maximum is from 200 Pa to 1100 kPa, and if the membrane is formed from a polyimide film, the frequency of its natural vibrations is 4.5 times less than the frequency of natural vibrations of the nickel film; moreover, the polyimide film selected as insulation and for coating with metal in vacuum should be at least 10 microns thick.
Расширение частотного диапазона емкостного датчика в авиационной акустике необходимо для измерения такого важного параметра как давление за скачком уплотнения, отраженным от замкнутого конца ударной трубы. Например, из обзоров открытой зарубежной литературы известно, что для измерения давления торможения газовой среды применяются пьезоэлектрические датчики, имеющих резонансную частоту ≥400 кГц и время нарастания сигнала 10-6 с.The expansion of the frequency range of a capacitive sensor in aeronautical acoustics is necessary to measure such an important parameter as the pressure behind the shock wave reflected from the closed end of the shock tube. For example, from reviews of open foreign literature it is known that piezoelectric sensors with a resonant frequency of ≥400 kHz and a signal rise time of 10 -6 s are used to measure the braking pressure of a gas medium.
Расширение частотного диапазона емкостного датчика важно также для исследования двухфазных жидких сред. Например, в водной среде у воздушных пузырьков диаметром один мм характерные значения собственной частоты равно ω0/2π≈3 кГц; но при диаметре 0,1 мм собственная частота пузырька достигает ω0/2π≈30 кГц, где ω0 - угловая частота колебания пузырька.The extension of the frequency range of the capacitive sensor is also important for the study of two-phase liquid media. For example, in an aqueous medium in air bubbles with a diameter of one mm, the characteristic values of the natural frequency are ω 0 / 2π≈3 kHz; but with a diameter of 0.1 mm, the natural frequency of the bubble reaches ω 0 / 2π≈30 kHz, where ω 0 is the angular frequency of the bubble.
На фиг. 1 представлена конструкция датчика из нескольких ЧЭ и отдельные его узлы. На фиг. 2 показана зависимость изменение частоты f от толщины мембраны t. На фиг. 3 и фиг. 4 - зависимость изменение частоты f от диаметра 2а отверстия под мембрану, где а - радиус отверстий ячейки перфорации пленки.In FIG. 1 shows the design of the sensor from several SE and its individual nodes. In FIG. 2 shows the dependence of the change in frequency f on the membrane thickness t. In FIG. 3 and FIG. 4 - dependence of the change in frequency f on the
На фиг. 1 на поверхности ОИ 1 наклеен емкостной датчик давления, состоящий из четырех диэлектрических пленок 2, 4, 7 и 8, причем на верхнюю поверхность первой изоляционной диэлектрической пленки 2 нанесен основной экран 3; на второй диэлектрической пленке 4 сформирован первый боковой экран 5 и ответная обкладка 6. Третья диэлектрическая пленка 7 перфорирована. На четвертой диэлектрической пленке 8 сформирована объединенная обкладки (мембрана) 9 и второй боковой экрана 10 (фиг. 1 сеч. Б-Б). Третья диэлектрическая пленка 7 одновременно является изолятором между мембраной 9 и ответными обкладками 6 (фиг. 1 сеч. А-А, сеч. В-В). Сквозь диэлектрические пленки 2, 4 ответных обкладок 6 и основной экран 3 проходят опорные отверстия 11 с диаметром d. Канавка 12 проходит по нижней поверхности диэлектрической пленки 2 (фиг. 1 сеч. Б-Б). Для съема сигнала предусмотрены выводы с контактными площадками 13 (фиг. 1 сеч. А-А, сеч. В-В).In FIG. 1, a capacitive pressure sensor consisting of four
На фиг. 2 показана зависимость изменения частоты ƒ собственных колебаний никелевой мембраны 9 от толщины t мембраны 9 при разных значениях радиусах а ячейки перфорации 7. На фиг. 3 - фиг. 4 показаны зависимость изменения частоты ƒ собственных колебаний мембраны от изменения радиуса а ячейки 7 при заданных значениях толщины t мембраны 9.In FIG. 2 shows the dependence of the change in the frequency ƒ of the natural vibrations of the
Первую и вторую диэлектрические пленки 2, 4 и основной экран 3 изготавливают из полиимидной пленки толщиной от 5 мкм до 10 мкм, фольгированной медью или никелем толщиной 5 мкм. Такая конструкция хорошо защищена от влияния внешних электромагнитных помех.The first and second
Параметры четвертой диэлектрической пленки 8 выбирают, исходя из частотных и амплитудных характеристик измеряемых пульсаций давления. Например, если необходимо измерять низкие уровни пульсаций давления от 50 дБ до 140 дБ с частотой больше 20 кГц, то выбирают полиимидную пленку толщиной от 10 мкм до 20 мкм с односторонней металлизацией никелем толщиной до t=1 мкм. При выборе толщины четвертой диэлектрической пленки меньше 10 мкм возникают технологические трудности - пленка скручивается, что затрудняет как металлизацию самой пленки, так и сборку пакета датчика.The parameters of the fourth
При конструировании тонкопленочных емкостных датчиков возникают трудности методологического характера. А именно, что является мембраной - четвертая диэлектрическая пленка 8 толщиной 10-20 мкм или объединенная обкладка (мембрана) 9 толщиной t до одного микрона из металла, например из никеля. Предлагается в расчетах емкостных пленочных датчиков делать допущение, что материал мембраны однороден и ее упругие свойства одинаковы во всех трех направлениях; металлизированный слой, толщиной до одного мкм, играющий роль обкладок конденсаторов, не влияет на упругость пленки. При этом в теоретической модели датчика рассмотрен однослойный случай. Если толщина фольги (металлизированной) существенно меньше толщины диэлектрической пленки, то при расчетах используется модуль упругости Е, коэффициент Пуассона μ и толщина диэлектрика, например, для полиимидной пленки E=3⋅109 Па, μ=0,22. При противоположном соотношении - эти же параметры фольги. Такой упрощенный подход позволяет описать основные реализации разработанных датчиков и получить хорошее совпадение расчетных и экспериментальных данных. На фиг. 2 - фиг. 4 показан зависимости частоты собственных колебаний от радиуса а ячейки перфорации и толщины t объединенной обкладки 9, т.е. толщины мембраны, в данном случае которой является никелевая пленка разной толщины. В случае если материалом мембраны выбрана полиимидная пленка, то величина частоты собственных колебаний уменьшается в 4,5 раза (см. фиг. 2 - фиг. 4). В случае мембраны из медной фольги величина частоты собственных колебаний уменьшается 1,64 раза (см. фиг. 2 - фиг. 4).When designing thin-film capacitive sensors, methodological difficulties arise. Namely, what is a membrane - the fourth
Четвертая диэлектрическая пленка 8 формируется путем нанесения на нижнюю поверхность металлической мембраны (пленки) 9 полиимидной пленки или полиамидокислотного лака по известной технологии. Толщина t металлической мембраны 9 может быть выбрана в диапазоне от 1,0 мкм до 40 мкм, (фиг. 2-фиг. 4),The
Высота ℓ ячейки перфорации не должна превышать общей толщины мембраны ℓ1. При этом обеспечивается линейность характеристики зависимости выходного сигнала датчика от входного, т.е. задаваемого давления. При этом прогиб мембраны y должно быть намного меньше общей толщины мембраны (в ℓ/2 раза).The height ℓ of the perforation cell must not exceed the total thickness of the membrane ℓ 1 . This ensures the linearity of the characteristics of the dependence of the output signal of the sensor from the input, i.e. set pressure. In this case, the deflection of the membrane y should be much smaller than the total thickness of the membrane (ℓ / 2 times).
Толщину металлической пленки объединенной обкладки выбирают в зависимости от диапазона измеряемого давления. Например, в случае металлической пленки из никеля и при диаметре ячейки перфорации 2a=0,8 мм и менее:The thickness of the metal film of the combined plate is selected depending on the range of the measured pressure. For example, in the case of a metal film of nickel and with a diameter of the
Связующими между мембраной 9, ответными обкладками 6 и выводами 13 являются слои клея К, нанесенные на поверхности перфорированной пленки до осуществлении перфорации (фиг. 1 сеч. Б-Б). Размеры обкладки прямоугольной формы могут быть 4×6 мм или 6×9 мм; или диаметром 3-6 мм в случае круглой формы.Binders between the
При изготовлении на одной подложке может быть сформировано от одного ЧЭ до нескольких десятков, с выводами или без них. Использованные материалы известны в промышленности. Опорное отверстие под мембраной выбирают диаметром d=0,25-0,3 мм. Связь с атмосферным давлением Р0 обеспечивают канавкой 12 на первой диэлектрической пленке 2, шириной равной высоте в обкладок 6 наклеенных на поверхности ОИ 1 (фиг. 1 сеч. А-А, сеч. Б-Б).In the manufacture on one substrate, from one SE to several tens, with or without leads, can be formed. The materials used are well known in the industry. The support hole under the membrane is chosen with a diameter of d = 0.25-0.3 mm. Communication with atmospheric pressure P 0 is provided by a
Основной экран 3 и вторую диэлектрическую пленку 4 скрепляют между собой клеем на эпоксидно-каучуковой основе. Датчик на поверхности ИО скрепляют клеем холодного отверждения любой марки.The main screen 3 and the
Опорные отверстия на ответной обкладке 6 расположены симметрично относительно центральной оси. Опорные отверстия проходят сквозь вторую, первую диэлектрические пленки 4, 2 и основной экран 3. Выравнивание статического давления за мембраной необходимо для достижения возможно точного измерения давления и для уменьшения значения нижней границы рабочего частотного диапазона.The support holes on the
Наличие воздушного слоя, в зависимости от условий работы мембраны, позволяет внести в режим работы мембраны добавочное затухание или добавочную упругость. Наличие опорных отверстий при изменении звуковой частоты в широком диапазоне, влияние инерции воздуха, влияние внутреннего трения мембраны и т.д., одинаково и незначительно изменяют акустическое сопротивление емкостного датчика давления.The presence of an air layer, depending on the operating conditions of the membrane, allows additional attenuation or additional elasticity to be introduced into the membrane operating mode. The presence of support holes when changing the sound frequency in a wide range, the influence of inertia of the air, the influence of internal friction of the membrane, etc., equally and slightly change the acoustic resistance of a capacitive pressure sensor.
Прогиб мембраны вовнутрь ячейки перфорации диаметром 2а (фиг. 1 сеч. Б-Б) определяют с допущением, что при любом уровне давления (от минимального до максимального значения) на поверхности мембраны перемещение центра умак = ℓ мембраны и его напряженное состояние σмак обладает достаточно линейным функциями от давления.The deflection of the membrane inside the perforation cell with a diameter of 2 a (Fig. 1 sec. BB) is determined with the assumption that at any pressure level (from minimum to maximum value) on the surface of the membrane, the center moves at poppy = ℓ of the membrane and its stress state σ pop possesses fairly linear functions of pressure.
Эти параметры могут быть подсчитаны по известным формулам: . Это обеспечивает линейность при условии, что умак≤0,5t [м], напряжение по окружности и наибольшая частота собственных колебаний мембраны , где Р - давление н/м2; E - модуль Юнга для никеля E=20,5⋅1010 н/м2, μ - коэффициент Пуассона μ=0,31; плотность j=8,8 кг/м2 и t - толщина мембраны [м].These parameters can be calculated according to well-known formulas: . This ensures linearity, provided that at poppy ≤0.5t [m], the circumferential stress and the highest natural vibration frequency of the membrane where P is the pressure n / m 2 ; E - Young's modulus for nickel E = 20.5⋅10 10 n / m 2 , μ - Poisson's ratio μ = 0.31; density j = 8.8 kg / m 2 and t is the membrane thickness [m].
Для полиимидной пленки эти параметры равны: E=3⋅109 н/м2, μ=0,22; j=1,42 г/см3. При этом зависимость изменения наименьшей частоты собственных колебаний мембраны при заданных значениях разными радиусами а и толщины мембраны t никелевой фольги приводятся на фиг. 2 - фиг. 4For a polyimide film, these parameters are equal: E = 3⋅10 9 n / m 2 , μ = 0.22; j = 1.42 g / cm 3 . In this case, the dependence of the change in the lowest frequency of the membrane natural oscillations at given values by different radii a and the membrane thickness t of the nickel foil is shown in FIG. 2 - FIG. four
Исходя из частотных и амплитудных характеристик измеряемых пульсаций давления, определяют тип исполнения датчика для одноштучного изготовления или в матричном варианте изготовления (на одной подложке несколько ЧЭ). Согласно фиг. 1 ЧЭ датчика сформирован из мембраны т.е. объединенной обкладки 9, второй диэлектрической пленки 4 металлизированной на верхней поверхности, ответной обкладки 6. Вокруг ЧЭ сформирован первый боковой экран 5. Ответная обкладка 6 (или обкладки - в случае матричного варианта изготовления) датчика сформирована на второй диэлектрической пленке 4. Металлизацию мембраны, ответной обкладки с выводами, экранов из диэлектрической пленки (например, из полиимида) формируют в вакуумной камере через маски.Based on the frequency and amplitude characteristics of the measured pressure pulsations, determine the type of sensor for single-piece manufacturing or in the matrix manufacturing option (several SEs on one substrate). According to FIG. 1 SE of the sensor is formed from a membrane i.e. the combined
Из первой и второй диэлектрических пленок собирают пакет. Далее, согласно разметкам опорных отверстий 11, сквозь указанные диэлектрические пленки 2, 4 и ответные обкладки 6 высверливают опорные отверстия диаметром 0,25-0,3 мм.From the first and second dielectric films collect the package. Further, according to the markings of the support holes 11, through the specified
Затем собирают полный пакет емкостного датчика согласно фиг. 1 сеч. Б-Б. Сформированный пакет выдерживают между пуансоном и матрицей под давлением (3,0-3,5)⋅105 Па/см при циклическом воздействии температуры от 80-110°C продолжительностью 5-10 мин. Затем повышают температуру от 110°C до 170°C продолжительностью 30-40 мин. Собранный пакет охлаждают до температуры 50-60°C, разбирают, проверяют работоспособность каждого ЧЭ датчика давления, при необходимости составляют паспорт.The complete capacitive sensor package according to FIG. 1 sec Bb. The formed package is held between the punch and the matrix under a pressure of (3.0-3.5) ⋅10 5 Pa / cm with a cyclic temperature effect of 80-110 ° C for a duration of 5-10 minutes. Then increase the temperature from 110 ° C to 170 ° C for a duration of 30-40 minutes The assembled bag is cooled to a temperature of 50-60 ° C, disassembled, the operability of each SE of the pressure sensor is checked, if necessary, a passport is made.
Собранный готовый датчик на одной подложке с несколькими ЧЭ на поверхности ОИ 1 скрепляют клеем отверждения любого типа. Зона опорных отверстий 11 (фиг. 1 сеч. Д-Д) должна быть свободна от клея.The assembled ready-made sensor on the same substrate with several CEs on the surface of
Известно, что чувствительность датчика с малым воздушным зазором ℓ между мембраной и ответной обкладки не зависит от ℓ, если внешняя шунтирующая емкость пренебрежимо мала по сравнению с емкостью датчика. Также известно, что это приводит к аннулированию эффекта возрастания жесткости воздушной подушки, когда зазор уменьшается и наоборот. Опорные отверстия с ячейками перфорации под мембраной увеличивают чувствительность датчика в двадцать раз.It is known that the sensitivity of a sensor with a small air gap ℓ between the membrane and the counter plate does not depend on ℓ if the external shunt capacitance is negligible compared to the capacitance of the sensor. It is also known that this leads to the cancellation of the effect of increasing stiffness of the air cushion, when the gap decreases and vice versa. Support holes with perforation cells under the membrane increase the sensitivity of the sensor by twenty times.
Предложенная конструкция датчика позволяет реализовать метод бездренажного определения полей пульсаций давления авиационной акустики в диапазоне частот от 5 Гц до 100 кГц. Высокочастотные тонкопленочные датчики данной конструкции могут с успехом применяться при выполнении следующих задач:The proposed sensor design makes it possible to implement the method of drainless determination of the fields of pressure pulsations of aircraft acoustics in the frequency range from 5 Hz to 100 kHz. High-frequency thin-film sensors of this design can be successfully used in the following tasks:
- проведение прочностных и аэродинамических исследований без нарушения целостности изделия;- conducting strength and aerodynamic research without violating the integrity of the product;
- совмещение и одновременное измерение распределения с весовыми, температурными и другими видами измерений.- combination and simultaneous measurement of distribution with weight, temperature and other types of measurements.
Для предоставления принципов работы предложенного емкостного датчика пренебрегаем амортизирующим действием воздушной прослойки и краевыми эффектами.To provide the operating principles of the proposed capacitive sensor, we neglect the cushioning effect of the air gap and edge effects.
Принцип работы датчика. При изменении давления на величину Р мембрана 9 прогибается вовнутрь ячеек перфорации 7, изменяется расстояние 2а между ответными обкладками 6 и объединенной мембраной 9. Изменение этого расстояния приводит к изменению емкости С и приращения емкости ΔС. Датчик поляризуют напряжением постоянного тока от 40 В до 200 В. Это напряжение подают на объединенную обкладку 9 через контактную площадку с выводами 13. Выходное напряжение, снимаемое с выходов ЧЭ объединенной обкладки 9 и контактной площадки с выводами 13 (фиг. 1 сеч. А-А, сеч. В-В), пропорционально коэффициенту приращения емкостного датчика и напряжению поляризации датчика U, т.е. на выходе датчика имеем напряжение .The principle of operation of the sensor. When the pressure changes by a value of P, the
Технико-экономический эффект предложенного изобретения достигается за счет увеличения частоты собственных колебаний мембраны.The technical and economic effect of the proposed invention is achieved by increasing the frequency of natural vibrations of the membrane.
С целью подтверждения технико-экономического эффекта был изготовлен тонкопленочный емкостной датчик в одноштучном исполнении. Между мембраной из металлизированной полиимидной пленки и ответными обкладками из фольгированной медью полиимидной пленки была расположена перфорированная полиимидная пленка толщиной ~20 мкм с отверстиями ячеек перфорации диаметром 2а=0,8 мм. Выходной сигнал емкостного датчика был согласован с входом усилителя заряда и усилен нормирующим усилителем напряжения. Напряжение поляризации датчика 100 В. Диапазон полосы пропускания рабочей частоты измерительной аппаратуры соответствует звуковой частоте от 20 Гц до 20 кГц.In order to confirm the technical and economic effect, a single-film thin-film capacitive sensor was manufactured. A perforated polyimide film with a thickness of ~ 20 μm with openings of perforation cells with a diameter of 2 a = 0.8 mm was located between the membrane of a metallized polyimide film and the counter plates of copper-foil polyimide film. The output signal of the capacitive sensor was matched with the input of the charge amplifier and amplified by a normalizing voltage amplifier. The polarization voltage of the sensor is 100 V. The bandwidth range of the operating frequency of the measuring equipment corresponds to the sound frequency from 20 Hz to 20 kHz.
При измерении частотной характеристики емкостного датчика за полосой пропускания было зафиксировано, что верхняя граница рабочего диапазона частот намного превышает 50 кГц. Эксперимент был проведен на стенде ударной трубы УТ-4. В качестве эталонной аппаратуры была использована аппаратура с микрофоном модели 4136 фирмы «Брюль и Къер» (Дания).When measuring the frequency response of the capacitive sensor behind the passband, it was recorded that the upper limit of the operating frequency range far exceeds 50 kHz. The experiment was conducted at the shock tube stand UT-4. As reference equipment, equipment with a microphone of model 4136 from Bruhl & Kj фирмыr (Denmark) was used.
В работе [«Приемники пульсаций давления, используемых для аэродинамических исследований (по материалам иностранной печати)». Отделение Научно-технической Информации ЦАГИ №619 1983 г. стр. 19] описывается приемник, у которого удалось получить рабочий диапазон частот до 500 кГц за счет обеспечения очень малого зазора между обкладками (0,6-0,7 мкм). В этой работе представляет интерес также конденсаторный приемник (датчик) давления с шероховатой поверхностью неподвижной обкладки. Шероховатость имеет нерегулярный характер, причем мембрана натягивается не на некотором расстоянии от обкладки, а ложится прямо на неподвижную четвертую диэлектрическую пленку.In ["Receivers of pressure pulsations used for aerodynamic research (based on foreign press)." Department of Scientific and Technical Information TsAGI No. 619 1983 p. 19] describes a receiver from which it was possible to obtain an operating frequency range of up to 500 kHz by providing a very small gap between the plates (0.6-0.7 μm). In this work, a capacitor receiver (sensor) of pressure with a rough surface of the fixed plate is also of interest. The roughness is irregular in nature, and the membrane is not stretched at a certain distance from the plate, but lies directly on a stationary fourth dielectric film.
Таким образом, упрощается конструкция датчика и уменьшается масса воздуха между обкладками конденсатора. В некотором приближении весь датчик можно рассматривать как совокупность независимых датчиков, образованных прогибами отдельных участков мембраны на микронеровностях неподвижной ответной обкладки, соединенных параллельно.Thus, the design of the sensor is simplified and the mass of air between the plates of the capacitor is reduced. In a certain approximation, the entire sensor can be considered as a set of independent sensors formed by the deflections of individual sections of the membrane on the microroughnesses of the stationary response plate connected in parallel.
Частотная характеристика емкостного датчика зависит от средних уровней давления, при которых он используется, что объясняется малой собственной массой мембраны, влиянием присоединительных масс воздуха и практической реализацией демпфирования резонансного пика, которое зависит от давления окружающей среды и ухудшается при отклонении от проектных условий.The frequency response of the capacitive sensor depends on the average pressure levels at which it is used, which is explained by the low self-weight of the membrane, the influence of the connecting masses of air, and the practical implementation of the damping of the resonance peak, which depends on the ambient pressure and worsens when deviated from the design conditions.
Как отечественные, так и зарубежные исследования показали, что емкостные датчики имеют очень широкие динамические диапазоны по измеряемым давлениям. Верхний предел измерения пульсации давлений обычно определяется допустимыми искажениями и может достигать 170 дБ и больше. Нижние уровни измеряемых давлений 45-50 дБ. Исследования показали, что при использовании малошумящей усилительной аппаратуры суммарный шум предварительного усилителя с датчиком составляет 3-5 мкВ. В области низких частот основную роль играют шумы предварительного усилителя заряда, а в области более высоких частот большую роль играют шумы от броуновского движения молекул воздуха около мембраны.Both domestic and foreign studies have shown that capacitive sensors have very wide dynamic ranges for measured pressures. The upper limit of the measurement of pressure pulsation is usually determined by permissible distortions and can reach 170 dB or more. The lower levels of the measured pressures are 45-50 dB. Studies have shown that when using low-noise amplification equipment, the total noise of the pre-amplifier with a sensor is 3-5 μV. In the low-frequency region, the main role is played by the noise of the preliminary charge amplifier, and in the higher-frequency region, the noise from the Brownian motion of air molecules near the membrane plays a large role.
В случае необходимости применения емкостного датчика на очень низких частотах от 0,01 Гц до 5,0 Гц опорные отверстия необходимо закрыть и использовать емкостной датчик с аппаратурой на несущей частоте.If it is necessary to use a capacitive sensor at very low frequencies from 0.01 Hz to 5.0 Hz, the support holes must be closed and a capacitive sensor with equipment at the carrier frequency used.
В отечественной и зарубежной измерительной технике обычно мембрану микрофонов формируют тонкой и сильно натянутой. В качестве материала мембраны используются никелевые пленки толщиной 5-20 мкм.In domestic and foreign measuring equipment, usually the membrane of microphones is formed thin and strongly stretched. Nickel films with a thickness of 5-20 μm are used as the membrane material.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018117814A RU2680855C1 (en) | 2018-05-15 | 2018-05-15 | High-frequency thin-film capacitive pressure sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018117814A RU2680855C1 (en) | 2018-05-15 | 2018-05-15 | High-frequency thin-film capacitive pressure sensor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2680855C1 true RU2680855C1 (en) | 2019-02-28 |
Family
ID=65632572
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018117814A RU2680855C1 (en) | 2018-05-15 | 2018-05-15 | High-frequency thin-film capacitive pressure sensor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2680855C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2860326C1 (en) * | 2025-09-08 | 2026-04-16 | Дмитрий Вячеславович Агафонов | Rapidly varying and static pressure sensor |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2089864C1 (en) * | 1994-12-16 | 1997-09-10 | Центральный аэрогидродинамический институт им.проф. Н.Е.Жуковского | Variable-capacitance pressure transducer |
| RU2179308C1 (en) * | 2000-07-27 | 2002-02-10 | Государственное унитарное предприятие Центральный аэрогидродинамический институт им. профессора Н.Е. Жуковского | Capacitive pressure transducer |
| JP2004191137A (en) * | 2002-12-10 | 2004-07-08 | Fujikura Ltd | Capacitive pressure sensor |
| RU2384826C1 (en) * | 2008-12-10 | 2010-03-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Sound pressure measuring device |
| RU2485464C1 (en) * | 2011-11-24 | 2013-06-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Capacitance pressure sensor |
| US20160290883A1 (en) * | 2015-04-02 | 2016-10-06 | Johannes Schumm | Pressure Sensor |
| EP3163277A1 (en) * | 2012-09-07 | 2017-05-03 | Dynisco Instruments Llc | Capacitive pressure sensor |
-
2018
- 2018-05-15 RU RU2018117814A patent/RU2680855C1/en active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2089864C1 (en) * | 1994-12-16 | 1997-09-10 | Центральный аэрогидродинамический институт им.проф. Н.Е.Жуковского | Variable-capacitance pressure transducer |
| RU2179308C1 (en) * | 2000-07-27 | 2002-02-10 | Государственное унитарное предприятие Центральный аэрогидродинамический институт им. профессора Н.Е. Жуковского | Capacitive pressure transducer |
| JP2004191137A (en) * | 2002-12-10 | 2004-07-08 | Fujikura Ltd | Capacitive pressure sensor |
| RU2384826C1 (en) * | 2008-12-10 | 2010-03-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Sound pressure measuring device |
| RU2485464C1 (en) * | 2011-11-24 | 2013-06-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Capacitance pressure sensor |
| EP3163277A1 (en) * | 2012-09-07 | 2017-05-03 | Dynisco Instruments Llc | Capacitive pressure sensor |
| US20160290883A1 (en) * | 2015-04-02 | 2016-10-06 | Johannes Schumm | Pressure Sensor |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2860326C1 (en) * | 2025-09-08 | 2026-04-16 | Дмитрий Вячеславович Агафонов | Rapidly varying and static pressure sensor |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7710001B2 (en) | Piezoelectric transducers and associated methods | |
| Kressmann et al. | Silicon condenser microphones with corrugated silicon oxide/nitride electret membranes | |
| Hillenbrand et al. | Quasistatic and dynamic piezoelectric coefficients of polymer foams and polymer film systems | |
| US4156800A (en) | Piezoelectric transducer | |
| US12497283B2 (en) | MEMS die and MEMS-based sensor | |
| Kacprzyk et al. | Double-layer electret transducer | |
| Hansen et al. | Wideband micromachined capacitive microphones with radio frequency detection | |
| Hu et al. | A ScAlN-based piezoelectric MEMS microphone with sector-connected cantilevers | |
| RU2680855C1 (en) | High-frequency thin-film capacitive pressure sensor | |
| Chobotov et al. | Nonlinear response of a circular membrane to sinusoidal acoustic excitation | |
| Hillenbrand et al. | High sensitivity electret accelerometer with integrated FET | |
| Hillenbrand et al. | Piezoelectricity of cellular and porous polymer electrets | |
| US20150215707A1 (en) | Pblg based planar microphones | |
| Pazhooh et al. | Design and simulation of a novel high sensitive MEMS microphone based on a spring-supported circular diaphragm | |
| KR20240071167A (en) | Diaphragm for detecting acoustic wave and microphone including the same | |
| Zheng et al. | Tunable Piezoelectric MEMS Microphone Based on Inverse Piezoelectric Effect | |
| RU2145065C1 (en) | Capacitive pressure fluctuation transducer and process of its assembly | |
| Loboda et al. | Capacitive MEMS microphones for medical applications | |
| Hansen et al. | Improved modeling and design of microphones using radio frequency detection with capacitive micromachined ultrasonic transducers | |
| Rai et al. | Electret microphone for photoacoustic spectrometer and a simple power meter | |
| RU2334964C1 (en) | Measuring condenser microphone of sound pressure and method of its assembly | |
| WO2021016458A1 (en) | Multi frequency acoustic emission micromachined transducers for non-destructive evaluation of structural health | |
| Medley et al. | Properties of an electrostatic transducer | |
| Hillenbrand et al. | Electret transducers for measuring acceleration and structure-borne sound | |
| Huang et al. | Micromachined piezoelectric microphone with high signal to noise ratio |