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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Abstract
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,
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,
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.
Der Drucksensor kann beispielsweise als Absolutdrucksensor ausgebildet sein. In dem Fall ist die unter der Messmembran
Grundkörper
Ein äußerer Rand der Messmembran
Die Fügestelle
Die Messmembran
Die Elektrode
Elektrode
Erfindungsgemäß ragt der Grundkörper
Hierzu kann eine Vielzahl unterschiedlicher Ausgestaltungen der Form der Oberfläche des Grundkörpers
In dem in
In dem in
In dem in
Die erfindungsgemäße Formgebung des Grundkörpers
Dabei kann die Dicke der Messmembran
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
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
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Legal Events
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