DE102010000915A1 - Capacitive ceramic pressure sensor i.e. absolute pressure sensor, for container opening to measure absolute pressure on measuring membrane, has electrode and counter electrode between which space is formed and smaller than joint thickness - Google Patents

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Andreas 79713 Roßberg
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Abstract

The sensor has a metallic joint (7) that connects an outer rim of a measuring membrane (5) with an outer rim of a base body (1). A capacitor is formed by an electrode (9) and a counter electrode (11), where capacitance of the capacitor is provided as a measure for pressure-dependent deformation of the membrane. The body is projected inside a measuring chamber (3). A space between the electrode applied on a surface area of the body and the counter electrode applied on the membrane is smaller than thickness (d) of the joint. The body and the membrane consist of ceramic.

Description

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven keramischen Drucksensor mit einem keramischen Grundkörper, einer mit dem Grundkörper unter Bildung einer Messkammer druckdicht mittels einer metallischen Fügestelle verbundenen Messmembran, und einem kapazitiven elektromechanischen Wandler, der dazu dient, eine druckabhängige Verformung der Messmembran in ein elektrisches Primärsignal umzuwandeln, der eine auf einer in die Messkammer weisenden Oberfläche des Grundkörpers aufgebrachte Elektrode und eine auf einer in die Messkammer weisenden Oberfläche der Messmembran aufgebrachte Gegenelektrode aufweist, bei dem die Elektroden einen Messkondensator bilden, dessen Kapazität ein Maß für die druckabhängige Verformung der Messmembran ist.The invention relates to a capacitive ceramic pressure sensor with a ceramic base body, a measuring diaphragm connected pressure-tight to the base body by means of a metal joint, and a capacitive electromechanical transducer which converts a pressure-dependent deformation of the measuring diaphragm into an electrical primary signal an electrode applied to a surface of the base body pointing into the measuring chamber and a counter electrode applied to a surface of the measuring diaphragm facing the measuring chamber, in which the electrodes form a measuring capacitor whose capacitance is a measure of the pressure-dependent deformation of the measuring diaphragm.

Drucksensoren im hier verwendeten Sinn umfassen Absolutdrucksensoren, die den absoluten, auf die Messmembran einwirkenden Druck gegen Vakuum messen, Relativdrucksensoren, die den auf die Messmembran einwirkenden Druck bezogen auf einen der Messkammer zugeführten Referenzdruck, wie z. B. dem aktuellen Atmosphärendruck, messen, sowie Differenzdrucksensoren, die eine Druckdifferenz zwischen einem auf die Messmembran einwirkenden ersten Druck und einem der Messkammer zugeführten zweiten Druck erfassen.Pressure sensors in the sense used here include absolute pressure sensors, which measure the absolute, acting on the measuring diaphragm pressure against vacuum, relative pressure sensors, the pressure acting on the measuring membrane relative to a reference chamber supplied to the reference pressure, such. As the current atmospheric pressure, and differential pressure sensors that detect a pressure difference between a force acting on the diaphragm first pressure and the measuring chamber supplied second pressure.

Sie finden heute weit gefächerte Anwendung in nahezu allen Bereichen der industriellen Messtechnik. Kapazitive keramische Drucksensoren werden von der Anmelderin unter der Bezeichnung Cerabar hergestellt und in Verkehr gebracht.Today you will find a wide range of applications in almost all areas of industrial metrology. Capacitive ceramic pressure sensors are manufactured and marketed by the Applicant under the name Cerabar.

Es gibt eine Vielzahl von Anwendungen, in denen vorzugsweise möglichst kleine Drucksensoren eingesetzt werden. Dies ist beispielsweise in Anwendungen der Fall, in denen sehr wenig Platz für den Einbau der Drucksensoren vorhanden ist. Ein weiteres Beispiel sind Anwendungen, bei denen die Drucksensoren in Behälteröffnungen eingesetzt werden. Hier ist man häufig bemüht, die erforderlichen Behälteröffnungen möglichst klein zu halten. Dies ist beispielsweise bei druckfesten Behältern aus Stabilitätsgründen der Fall. Ein weiteres Beispiel sind Behälter, in denen auf Platz sparende Weise sehr viele Öffnungen zur Aufnahme verschiedenster unterschiedlicher Sensoren oder Messgeräte untergebracht werden müssen.There are a variety of applications in which preferably the smallest possible pressure sensors are used. This is the case, for example, in applications in which very little space is available for installing the pressure sensors. Another example is applications where the pressure sensors are inserted into container openings. Here one often strives to keep the required container openings as small as possible. This is the case, for example, with pressure-resistant containers for reasons of stability. Another example is containers in which space-saving manner many openings for receiving a variety of different sensors or measuring instruments must be accommodated.

Die eingangs genannten kapazitiven keramischen Drucksensoren weisen bei geringen Abmessungen jedoch eine deutlich geringere Messgenauigkeit auf.However, the capacitive ceramic pressure sensors mentioned above have a significantly lower measuring accuracy with small dimensions.

Eine Ursache hierfür besteht darin, dass metallische Fügestellen eine durch die verwendete Fügetechnik bedingte Mindestdicke aufweisen, die nicht unterschritten werden kann. Ein Beispiel hierfür ist die Mindestdicke einer in einem Hartlötverfahren mittels eines Lotbandes hergestellten Fügestelle, die eine Größenordnung von 20 μm aufweist.One reason for this is that metallic joints have a minimum thickness due to the joining technique that can not be undercut. An example of this is the minimum thickness of a joint produced in a brazing process by means of a solder strip, which has an order of magnitude of 20 μm.

Dies hat zur Folge, dass eine Reduzierung der Grundfläche der Drucksensoren bei gleich bleibendem, durch die Mindestdicke der Fügestelle vorgegebenem Mindestabstand zwischen den Messelektroden zu einer deutlichen Verringerung der Kapazität des Messkondensators führt. Je kleiner die Grundfläche der Drucksensoren ausgebildet wird, umso geringer ist die im Drucksensor zur Verfügung stehende Elektrodenfläche. Entsprechend sinkt das für die zu messende Kapazität maßgebliche Verhältnis der Elektrodenfläche zum Elektrodenabstand mit zunehmender Miniaturisierung immer weiter ab.This has the consequence that a reduction in the base area of the pressure sensors leads to a significant reduction in the capacitance of the measuring capacitor while maintaining the minimum distance between the measuring electrodes that is constant, given the minimum thickness of the joint. The smaller the base area of the pressure sensors is formed, the lower the electrode area available in the pressure sensor. Correspondingly, the ratio of the electrode area to the electrode spacing, which is decisive for the capacitance to be measured, decreases with increasing miniaturization.

Je kleiner die Kapazität des Messkondensators ist, umso geringer sind auch deren druckabhängige Änderungen, die zur Messung eines auf die Messmembran einwirkenden Drucks messtechnisch erfasst werden müssen. Dementsprechend führt eine Reduzierung der Abmessungen der Drucksensoren bei gleich bleibendem, durch die Mindestdicke der Fügestelle vorgegebenem Elektrodenabstand zwangsläufig zu einer deutlichen Verschlechterung der erzielbaren Messgenauigkeit.The smaller the capacitance of the measuring capacitor, the lower are also the pressure-dependent changes, which must be measured to measure a pressure acting on the measuring diaphragm. Accordingly, a reduction in the dimensions of the pressure sensors inevitably leads to a significant deterioration of the achievable accuracy of measurement with a constant, predetermined by the minimum thickness of the joint electrode spacing.

Ein weiteres Problem der Miniaturisierung besteht darin, dass die Membrandicke reduziert werden muss, um bei kleinerer Membrangrundfläche einen für die Messung ausreichenden druckabhängigen Membranhub zu gewährleisten. Damit sinkt jedoch die Überlastfestigkeit der Drucksensoren.Another problem of miniaturization is that the membrane thickness must be reduced in order to ensure a pressure-dependent diaphragm stroke which is sufficient for the measurement with a smaller diaphragm surface area. However, this reduces the overload resistance of the pressure sensors.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung einen kapazitiven keramischen Drucksensor mit geringen Abmessungen und hoher Messgenauigkeit anzugeben.It is an object of the invention to provide a capacitive ceramic pressure sensor with small dimensions and high accuracy.

Hierzu besteht die Erfindung in einem Drucksensor mit

  • – einem Grundkörper,
  • – einer scheibenförmigen Messmembran,
  • – einer metallischen Fügestelle, die einen äußeren Rand der Messmembran mit einem äußeren Rand des Grundkörpers verbindet,
  • – einer unter der Messmembran eingeschlossenen, durch die Fügestelle und den Grundkörper nach außen abgeschlossenen Messkammer, und
  • – einem kapazitiven elektromechanischen Wandler,
  • – der dazu dient, eine druckabhängige Verformung der Messmembran in ein elektrisches Primärsignal umzuwandeln,
  • – der eine auf einer der Messmembran zugewandten Oberfläche des Grundkörpers flächig aufgebrachte Elektrode und eine auf einer dem Grundkörper zugewandten Oberfläche der Messmembran flächig aufgebrachte Gegenelektrode aufweist,
  • – bei dem die Elektrode und die Gegenelektrode einen Kondensator bilden, dessen Kapazität ein Maß für die druckabhängige Verformung der Messmembran ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Grundkörper in der Mitte des Drucksensors in die Messkammer hinein ragt, und ein Abstand zwischen der flächig auf die Oberfläche des Grundkörpers aufgebrachten Elektrode und der flächig auf die Messmembran aufgebrachten Gegenelektrode in der Mitte des Drucksensors geringer als eine Dicke der Fügestelle ist.For this purpose, the invention consists in a pressure sensor
  • A basic body,
  • A disk-shaped measuring membrane,
  • A metallic joint connecting an outer edge of the measuring membrane to an outer edge of the body,
  • - An enclosed under the measuring diaphragm, completed by the joint and the body to the outside measuring chamber, and
  • A capacitive electromechanical transducer,
  • - which serves to convert a pressure-dependent deformation of the measuring diaphragm into a primary electrical signal,
  • - One on a measuring membrane facing surface of the body surface applied electrode and one on the base body facing surface of the Measuring membrane has a flat applied counter electrode,
  • In which the electrode and the counterelectrode form a capacitor whose capacitance is a measure of the pressure-dependent deformation of the measuring diaphragm,
characterized in that
the base body protrudes into the measuring chamber in the middle of the pressure sensor, and a distance between the electrode applied flatly to the surface of the base body and the counterelectrode applied flatly to the measuring diaphragm in the middle of the pressure sensor is less than a thickness of the joint.

Gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist die Oberfläche des Grundkörpers und der darauf flächig aufgebrachten Elektrode konvex, insb. kugel- oder ellipsensegmentförmig.According to a first embodiment of the invention, the surface of the base body and the surface applied electrode is convex, esp. Ball or ellipsensegmentförmig.

Gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung ist die Oberfläche des Grundkörpers stufenförmig und die flächig darauf aufgebrachte Elektrode überdeckt mindestens eine in der Mitte der Oberfläche angeordnete Stufe.According to a second embodiment of the invention, the surface of the base body is step-shaped and the surface applied electrode covers at least one arranged in the middle of the surface level.

Der erfindungsgemäße Drucksensor weist den Vorteil auf, dass der für die erzielbare Messgenauigkeit maßgebliche Elektrodenabstand in der Mitte des Drucksensors aufgrund der erfindungsgemäßen Formgebung des Grundkörper nicht mehr durch die Mindestdicke der Fügestelle nach unten begrenzt ist. Der geringere Elektrodenabstand bewirkt eine deutliche Vergrößerung der zu messenden druckabhängigen Kapazität bzw. deren Änderungen. Entsprechend weisen die erfindungsgemäßen Drucksensoren auch bei sehr kleinen Bauformen eine hohe Messgenauigkeit auf.The pressure sensor according to the invention has the advantage that the decisive for the achievable accuracy of measurement electrode spacing in the middle of the pressure sensor is no longer limited by the minimum thickness of the joint due to the inventive design of the base body down. The smaller electrode distance causes a significant increase in the measured pressure-dependent capacity or their changes. Accordingly, the pressure sensors according to the invention have a high measurement accuracy even in very small designs.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die erfindungsgemäßen Drucksensoren auch bei Verwendung von an die reduzierten Sensorabmessungen angepassten dünnen Messmembranen eine hohe Überlastfestigkeit aufweisen. Dabei bildet der in der Mitte des Drucksensors die Messkammer hinein weisende Abschnitt des Grundkörpers eine Auflagefläche, auf der die Messmembran im Überlastfall zur Auflage kommt. Hierdurch ist die Messmembran im Überlastfall vor weitergehenden Verformungen und/oder mechanischen Beschädigungen geschützt.Another advantage is that the pressure sensors according to the invention have a high overload resistance even when using adapted to the reduced sensor dimensions thin measuring membranes. In this case, the portion of the base body pointing into the middle of the pressure sensor forms a bearing surface on which the measuring diaphragm comes to rest in the event of an overload. As a result, the diaphragm is protected in case of overload from further deformations and / or mechanical damage.

Die Erfindung und deren Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen drei Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert. Gleiche Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.The invention and its advantages will now be explained in more detail with reference to the figures of the drawing, in which three embodiments are shown. Identical elements are provided in the figures with the same reference numerals.

1 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Drucksensor mit einer konvexen Grundkörperoberfläche; 1 shows a section through a pressure sensor according to the invention with a convex body surface;

2 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Drucksensor mit einer eine Stufe aufweisenden Grundkörperoberfläche; und 2 shows a section through a pressure sensor according to the invention with a one-step having body surface; and

3 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Drucksensor mit einer drei Stufen aufweisenden Grundkörperoberfläche. 3 shows a section through a pressure sensor according to the invention with a three-level body surface.

1 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Drucksensor mit einem im wesentlichen zylindrischen Grundkörper 1 und einer mit dem Grundkörper 1 unter Bildung einer Messkammer 3 druckdicht verbundenen scheibenförmigen Messmembran 5. 1 shows a section through a pressure sensor according to the invention with a substantially cylindrical body 1 and one with the main body 1 forming a measuring chamber 3 pressure-tight connected disk-shaped measuring diaphragm 5 ,

Der Drucksensor kann beispielsweise als Absolutdrucksensor ausgebildet sein. In dem Fall ist die unter der Messmembran 5 eingeschlossene Messkammer 3 evakuiert. Alternativ kann der Drucksensor als Relativ- oder Differenzdrucksensor ausgebildet werden, in dem der Messkammer 3 über eine durch den Grundkörper 1 hindurch geführte, in 1 durch gestrichelte Linien angedeutete Druckzuleitung, ein Referenzdruck pR, z. B. ein Umgebungsdruck, oder ein zweiter Druck p2 zugeführt wird.The pressure sensor may be designed, for example, as an absolute pressure sensor. In that case it is under the measuring membrane 5 enclosed measuring chamber 3 evacuated. Alternatively, the pressure sensor may be formed as a relative or differential pressure sensor, in which the measuring chamber 3 about one through the main body 1 guided through, in 1 indicated by dashed lines pressure supply line, a reference pressure p R , z. B. an ambient pressure, or a second pressure p 2 is supplied.

Grundkörper 1 und Messmembran 5 bestehen aus Keramik, insb. aus Korund. Keramik weist für die Anwendung in der Druckmesstechnik besonders vorteilhafte thermische, chemische und mechanische Eigenschaften auf, die unter anderem eine hohe Langzeitstabilität der erzielbaren Messergebnisse und einen innerhalb weiter Temperaturbereiche verhältnismäßig spannungsfreien Einbau des Drucksensors in hier nicht dargestellte, in der Regel metallische Sensorgehäuse und/oder Prozessanschlüsse erlauben.body 1 and measuring membrane 5 consist of ceramic, esp. Of corundum. Ceramic has for application in pressure measurement particularly advantageous thermal, chemical and mechanical properties, including high long-term stability of the achievable measurement results and within relatively wide temperature ranges relatively stress-free installation of the pressure sensor in not shown here, usually metallic sensor housing and / or Allow process connections.

Ein äußerer Rand der Messmembran 5 ist mit einem äußeren Rand des Grundkörpers 1 mittels einer metallischen Fügestelle 7 druckdicht und gasdicht verbunden. Für diese Fügestelle 7 wird vorzugsweise ein Aktivhartlot eingesetzt. Besonders geeignet sind hierfür ternäre Aktivhartlote, die eine Zr-Ni-Legierung und Titan aufweisen. Ein Beispiel hierfür ist in der EP 0 490 807 B1 beschrieben. Die Fügestelle 7 wird beispielsweise hergestellt, indem das Aktivhartlot als ringscheibenförmiges Lotformteil zwischen die Ränder von Messmembran 5 und Grundkörper 1 eingebracht und dort verlötet wird.An outer edge of the measuring membrane 5 is with an outer edge of the main body 1 by means of a metallic joint 7 pressure-tight and gas-tight connected. For this joint 7 Preferably, an active brazing material is used. Especially suitable for this purpose are ternary active hard solders which have a Zr-Ni alloy and titanium. An example of this is in the EP 0 490 807 B1 described. The joint 7 is manufactured, for example, by the active brazing material as a ring-shaped solder preform between the edges of the measuring membrane 5 and basic body 1 is introduced and soldered there.

Die Fügestelle 7 weist eine Dicke d auf, die den Abstand zwischen der Messmembran 5 und dem Grundkörper 1 am äußeren Rand des Drucksensors bestimmt. Dabei kann eine Mindestdicke der Fügestelle 7 in der Größenordnung von 20 μm mit heutigen technischen Möglichkeiten nicht unterschritten werden. Diese Mindestdicke ist insb. durch die Mindestdicke, in der Lotformteile hergestellt und verarbeitet werden können vorgegeben.The joint 7 has a thickness d, which is the distance between the measuring diaphragm 5 and the body 1 determined at the outer edge of the pressure sensor. In this case, a minimum thickness of the joint 7 in the order of 20 microns with today technical possibilities are not undershot. This minimum thickness is predefined in particular by the minimum thickness in which solder preforms can be manufactured and processed.

Die Messmembran 5 ist druckempfindlich, d. h. ein von außen auf sie einwirkender Druck p bewirkt eine Auslenkung der Messmembran 5 aus deren Ruhelage. Der Drucksensor weist einen kapazitiven elektromechanischen Wandler auf, der dazu dient, eine druckabhängige Verformung der Messmembran 5 in ein elektrisches Primärsignal umzuwandeln. Der Wandler umfasst eine auf einer der Messmembran 5 zugewandten Oberfläche des Grundkörpers 1 flächig aufgebrachte Elektrode 9 und eine auf einer dem Grundkörper 1 zugewandten Innenseite der Messmembran 5 flächig aufgebrachte Gegenelektrode 11.The measuring membrane 5 is pressure-sensitive, ie a pressure p acting on it from outside causes a deflection of the measuring diaphragm 5 from their rest position. The pressure sensor has a capacitive electromechanical transducer, which serves to a pressure-dependent deformation of the measuring diaphragm 5 to convert into a primary electrical signal. The transducer comprises one on one of the measuring membrane 5 facing surface of the body 1 flat electrode applied 9 and one on one of the main body 1 facing inside of the measuring diaphragm 5 flat counter electrode 11 ,

Die Elektrode 9 wird über einen durch den Grundkörper 1 hindurch nach außen geführten Primärsignalpfad elektrisch kontaktiert. Hierzu ist im Grundkörper 1 eine zylindrische, durch den Grundkörper 1 hindurch führende Bohrung vorgesehen, in die ein Metallstift 13 eingesetzt ist. Der Metallstift 13 besteht vorzugsweise aus dem gleichen Werkstoff wie die Elektrode 9, vorzugsweise aus Tantal. Die Gegenelektrode 11 steht vorzugsweise mit der Fügstelle 7 in elektrischem Kontakt und wird über die Fügstelle 7 elektrisch kontaktiert.The electrode 9 gets over one through the main body 1 electrically outwardly guided primary signal path. This is in the main body 1 a cylindrical, through the main body 1 through bore provided, into which a metal pin 13 is used. The metal pin 13 is preferably made of the same material as the electrode 9 , preferably tantalum. The counter electrode 11 is preferably with the Fügstelle 7 in electrical contact and is over the Fügstelle 7 electrically contacted.

Elektrode 9 und Gegenelektrode 11 bilden einen Kondensator, dessen Kapazität sich in Abhängigkeit von der druckbedingten Auslenkung der Messmembran 5 ändert. Die druckabhängige Kapazität bzw. deren Änderungen werden über eine an die Elektrode 9 und die Gegenelektrode 11 angeschlossene, hier nicht dargestellte Messschaltung erfasst und in ein druckabhängiges Messsignal umgewandelt, das dann zur Anzeige, zur weiteren Verarbeitung und/oder Auswertung zur Verfügung steht.electrode 9 and counter electrode 11 form a capacitor whose capacity depends on the pressure-induced deflection of the measuring diaphragm 5 changes. The pressure-dependent capacity or its changes are via a to the electrode 9 and the counter electrode 11 connected, not shown here measuring circuit detected and converted into a pressure-dependent measurement signal, which is then available for display, for further processing and / or evaluation.

Erfindungsgemäß ragt der Grundkörper 1 in der Mitte des Drucksensors in die durch die Dicke d der den äußeren Rand der Messmembran 5 mit dem äußeren Rand des Grundkörpers 1 verbindenden Fügestelle 7 und die scheibenförmige Messmembran 5 aufgespannte zylindrische Messkammer 3 hinein. Hierdurch ist der Abstand zwischen der flächig auf die Oberfläche des Grundkörpers 1 aufgebrachte Elektrode 9 und der flächig auf die Messmembran 5 aufgebrachten Gegenelektrode 11 in der Mitte des Drucksensors geringer als die Dicke d der Fügestelle 7. Damit können in der Mitte des Drucksensors Elektrodenabstände realisiert werden, die kleiner als die Mindestdicke der Fügestelle 7 sind.According to the invention, the main body protrudes 1 in the middle of the pressure sensor in through the thickness d of the outer edge of the measuring diaphragm 5 with the outer edge of the body 1 connecting joint 7 and the disk-shaped measuring membrane 5 clamped cylindrical measuring chamber 3 into it. As a result, the distance between the surface on the surface of the body 1 applied electrode 9 and the surface on the measuring membrane 5 applied counter electrode 11 in the middle of the pressure sensor less than the thickness d of the joint 7 , Thus, in the middle of the pressure sensor electrode distances can be realized, which is smaller than the minimum thickness of the joint 7 are.

Hierzu kann eine Vielzahl unterschiedlicher Ausgestaltungen der Form der Oberfläche des Grundkörpers 1 eingesetzt werden.For this purpose, a variety of different configurations of the shape of the surface of the body 1 be used.

In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Oberfläche des Grundkörpers 1 und damit auch die Oberfläche der flächig darauf aufgebrachten Elektrode 9 konvex ausgebildet. Diese konvexe Oberfläche 15 ist beispielsweise kugelsegmentförmig oder ellipsensegmentförmig. Entsprechend weist der Abstand zwischen der Elektrode 9 und der Gegenelektrode 11 in der Mitte des Drucksensors ein Minimum auf, und steigt zum Rand der Messkammer 3 hin nach außen kontinuierlich an.In the in 1 illustrated embodiment, the surface of the body 1 and thus also the surface of the surface applied electrode 9 convex. This convex surface 15 is, for example, spherical segment-shaped or elliptical segment-shaped. Accordingly, the distance between the electrode 9 and the counter electrode 11 in the middle of the pressure sensor to a minimum, and rises to the edge of the measuring chamber 3 towards the outside continuously.

2 und 3 zeigen zwei alternative Ausgestaltungen, bei denen die Oberfläche des Grundkörpers 1a, 1b stufenförmig ausgebildet ist und die flächig darauf aufgebrachte Elektrode 9a, 9b mindestens eine in der Mitte der Oberfläche angeordnete Stufe 17, 19, 21, 23 überdeckt. 2 and 3 show two alternative embodiments in which the surface of the main body 1a . 1b is stepped and the surface applied electrode 9a . 9b at least one step located in the middle of the surface 17 . 19 . 21 . 23 covered.

In dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Oberfläche des Grundkörpers 1a eine einzige Stufe 17 auf, die eine parallel zur Messmembran 5 verlaufende, in die Messkammer 3 hinein weisende Stufenoberfläche aufweist, die vollständig von der Elektrode 9a überdeckt ist. Die Stufe 17 ist hier ein zylindrischer, in die Messkammer 3 ragender Absatz, über dessen Höhe der Elektrodenabstand über die gesamte Fläche der Elektrode 9a eingestellt wird.In the in 2 illustrated embodiment, the surface of the body 1a a single step 17 on, one parallel to the measuring diaphragm 5 running, into the measuring chamber 3 pointing in step surface, which completely from the electrode 9a is covered. The stage 17 Here is a cylindrical, in the measuring chamber 3 projecting heel over the height of the electrode spacing over the entire surface of the electrode 9a is set.

In dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Oberfläche des Grundkörpers 1b drei zur Mitte des Drucksensors hin ansteigende Stufen 19, 21, 23 auf, deren Stufenoberflächen ebenfalls parallel zur Messmembran 5 ausgerichtet sind. Die Elektrode 9b überdeckt alle drei Stufen 19, 21, 23. Hierzu ist sie auf die zugehörigen Stufenoberflächen sowie auf die zylindrischen senkrecht zu den Stufenoberflächen verlaufenden Verbindungsflächen zwischen den benachbarten Stufenoberflächen aufgebracht.In the in 3 illustrated embodiment, the surface of the body 1b three steps rising towards the center of the pressure sensor 19 . 21 . 23 on whose stepped surfaces also parallel to the measuring diaphragm 5 are aligned. The electrode 9b covers all three levels 19 . 21 . 23 , For this purpose, it is applied to the associated step surfaces and to the cylindrical connecting surfaces running perpendicular to the step surfaces between the adjacent step surfaces.

Die erfindungsgemäße Formgebung des Grundkörpers 1, 1a, 1b, bewirkt in der Mitte des Drucksensors eine gezielte Verringerung des Abstands zwischen der flächig auf die Oberfläche des Grundkörpers 1, 1a, 1b aufgebrachten Elektrode 9 und der Gegenelektrode 11. Hierdurch erhöht sich die zu messende Kapazität des Messkondensators, und damit die erzielbare Messgenauigkeit. Auf diese Weise ist es trotz des durch die Mindestdicke der Fügestelle 7 vorgegebenen Abstands zwischen dem äußeren Rand der Messmembran 5 und dem äußeren Rand des Grundkörpers 1, 1a, 1b möglich, extrem kleine, kapazitive keramische Drucksensoren herzustellen, die eine hohe Messgenauigkeit aufweisen.The inventive design of the body 1 . 1a . 1b , causes in the middle of the pressure sensor, a targeted reduction in the distance between the surface on the surface of the body 1 . 1a . 1b applied electrode 9 and the counter electrode 11 , This increases the capacitance of the measuring capacitor to be measured, and thus the achievable measuring accuracy. In this way it is despite the minimum thickness of the joint 7 predetermined distance between the outer edge of the measuring diaphragm 5 and the outer edge of the body 1 . 1a . 1b It is possible to manufacture extremely small, capacitive ceramic pressure sensors with high measuring accuracy.

Dabei kann die Dicke der Messmembran 5 in Anpassung an den geringen Durchmesser des Drucksensors problemlos reduziert werden, um einen messbaren druckabhängigen Membranhub zu gewährleisten. In Verbindung mit entsprechend dünnen Messmembranen 5 bietet die erfindungsgemäße Formgebung der Oberfläche des Grundkörpers 1, 1a, 1b den Vorteil, dass sie einen wirksamen und stabilen Überlastschutz für die Messmembran 5 bietet. Wirkt auf die Messmembran 5 ein Überdruck ein, so kommt die Messmembran 5 aufgrund des geringen Elektrodenabstands in der Mitte des Grundkörpers 1, 1a, 1b des Drucksensors zur Auflage und ist hierdurch mechanisch geschützt.In this case, the thickness of the measuring diaphragm 5 be easily reduced in adaptation to the small diameter of the pressure sensor to a measurable pressure-dependent diaphragm stroke guarantee. In conjunction with correspondingly thin measuring membranes 5 provides the inventive shape of the surface of the body 1 . 1a . 1b the advantage that they provide effective and stable overload protection for the diaphragm 5 offers. Acts on the measuring membrane 5 an overpressure, so comes the measuring diaphragm 5 due to the small electrode spacing in the middle of the main body 1 . 1a . 1b the pressure sensor to support and is thus mechanically protected.

Die erfindungsgemäßen Drucksensoren können ohne Einbußen in der Messgenauigkeit mit extrem kleinen Abmessungen hergestellt werden. So kann beispielsweise ein für einen Beispielsmessbereich von 100 mbar ausgelegter Drucksensor mit einem Durchmesser in der Größenordnung von 1,5 cm bis 2 cm angefertigt werden. In Verbindung mit diesem Messbereich und diesem Durchmesser liegt die Dicke der Messmembran vorzugsweise in der Größenordnung von 100 μm, und der durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Grundkörpers 1, 1a bzw. 1b reduzierte Elektrodenabstand in der Mitte des Drucksensors liegt vorzugsweise in der Größenordnung von 5 μm bis 15 μm. Dieser Abstand ist deutlich geringer als die Mindestdicke der Fügestelle 7 und bewirkt eine drastische Erhöhung der Kapazität. Diese führt wiederum zu einer deutlichen Verbesserung der Messgenauigkeit. Mit dem hier beschriebenen Beispielsensor sind Druckmessungen mit einer Messgenauigkeit von 0,1% ausführbar.The pressure sensors according to the invention can be manufactured without sacrificing the accuracy of measurement with extremely small dimensions. For example, a pressure sensor with a diameter of the order of 1.5 cm to 2 cm designed for an example measuring range of 100 mbar can be produced. In conjunction with this measuring range and this diameter, the thickness of the measuring diaphragm is preferably in the order of 100 microns, and by the inventive design of the body 1 . 1a respectively. 1b reduced electrode spacing in the middle of the pressure sensor is preferably in the order of 5 microns to 15 microns. This distance is significantly less than the minimum thickness of the joint 7 and causes a drastic increase in capacity. This in turn leads to a significant improvement in measurement accuracy. With the example sensor described here, pressure measurements can be carried out with a measurement accuracy of 0.1%.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1, 1a, 1b1, 1a, 1b
Grundkörperbody
33
Messkammermeasuring chamber
55
Messmembranmeasuring membrane
77
metallische Fügestellemetallic joint
9, 9a, 9b9, 9a, 9b
Elektrodeelectrode
1111
Gegenelektrodecounter electrode
1313
Metallstiftmetal pin
1515
konvexe Oberflächeconvex surface
1717
Stufestep
1919
Stufestep
2121
Stufestep
2323
Stufestep

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • EP 0490807 B1 [0023] EP 0490807 B1 [0023]

Claims (3)

Drucksensor mit – einem Grundkörper (1, 1a, 1b), – einer scheibenförmigen Messmembran (5), – einer metallischen Fügestelle (7), die einen äußeren Rand der Messmembran (5) mit einem äußeren Rand des Grundkörpers (1, 1a, 1b) verbindet, – einer unter der Messmembran (5) eingeschlossenen, durch die Fügestelle (7) und den Grundkörper (1, 1a, 1b) nach außen abgeschlossenen Messkammer (3), und – einem kapazitiven elektromechanischen Wandler, – der dazu dient, eine druckabhängige Verformung der Messmembran (5) in ein elektrisches Primärsignal umzuwandeln, – der eine auf einer der Messmembran (5) zugewandten Oberfläche des Grundkörpers (1, 1a, 1b) flächig aufgebrachte Elektrode (9, 9a, 9b) und eine auf einer dem Grundkörper (1, 1a, 1b) zugewandten Oberfläche der Messmembran (5) flächig aufgebrachte Gegenelektrode (11) aufweist, – bei dem die Elektrode (9, 9a, 9b) und die Gegenelektrode (11) einen Kondensator bilden, dessen Kapazität ein Maß für die druckabhängige Verformung der Messmembran (5) ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (1, 1a, 1b) in der Mitte des Drucksensors in die Messkammer (3) hinein ragt, und ein Abstand zwischen der flächig auf die Oberfläche des Grundkörpers (1, 1a, 1b) aufgebrachten Elektrode (9, 9a, 9b) und der flächig auf die Messmembran (5) aufgebrachten Gegenelektrode (11) in der Mitte des Drucksensors geringer als eine Dicke (d) der Fügestelle ist.Pressure sensor with - a basic body ( 1 . 1a . 1b ), - a disc-shaped measuring membrane ( 5 ), - a metallic joint ( 7 ), which forms an outer edge of the measuring diaphragm ( 5 ) with an outer edge of the basic body ( 1 . 1a . 1b ), - one under the measuring membrane ( 5 ), through the joint ( 7 ) and the basic body ( 1 . 1a . 1b ) to the outside sealed measuring chamber ( 3 ), and - a capacitive electromechanical transducer, - which serves a pressure-dependent deformation of the measuring diaphragm ( 5 ) into an electrical primary signal, - one on one of the measuring membrane ( 5 ) facing surface of the body ( 1 . 1a . 1b ) surface applied electrode ( 9 . 9a . 9b ) and one on one of the main body ( 1 . 1a . 1b ) facing surface of the measuring membrane ( 5 ) surface-mounted counterelectrode ( 11 ), - in which the electrode ( 9 . 9a . 9b ) and the counterelectrode ( 11 ) form a capacitor whose capacity is a measure of the pressure-dependent deformation of the measuring diaphragm ( 5 ), characterized in that the basic body ( 1 . 1a . 1b ) in the middle of the pressure sensor into the measuring chamber ( 3 protrudes into it, and a distance between the surface on the surface of the body ( 1 . 1a . 1b ) applied electrode ( 9 . 9a . 9b ) and the flat on the measuring membrane ( 5 ) counter electrode ( 11 ) in the center of the pressure sensor is less than a thickness (d) of the joint. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Grundkörpers (1) und der darauf flächig aufgebrachten Elektrode (9) konvex, insb. kugelsegmentförmig oder ellipsensegmentförmig, ist.Pressure sensor according to claim 1, characterized in that the surface of the base body ( 1 ) and the surface applied electrode ( 9 ) is convex, in particular spherical segment-shaped or elliptical segment-shaped. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Grundkörpers (1a, 1b) stufenförmig ist und die flächig darauf aufgebrachte Elektrode (9a, 9b) mindestens eine in der Mitte der Oberfläche angeordnete Stufe (17, 19, 21, 23) überdeckt.Pressure sensor according to claim 1, characterized in that the surface of the base body ( 1a . 1b ) is step-shaped and the surface applied electrode ( 9a . 9b ) at least one stage located in the middle of the surface ( 17 . 19 . 21 . 23 ) covered.
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