Die Erfindung bezieht sich auf einen kapazitiven Differenzdruckwandler der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.
Solche Differenzdruckwandler eignen sich beispielsweise zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit in Heizwasserkreisen.
Ein Differenzdruckwandler der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art ist aus der DE-OS 3 820 418 bekannt.
Ferner ist ein mikromechanisch herstellbarer Differenzdruckwandler mit einem Paar Membranen bekannt (EP-B1 0 164 413), von denen die eine einem Druck p1 und die andere einem Druck p2 ausgesetzt ist. Beide Membranen sind in derselben Ebene an einer mit inkompressibler Flüssigkeit gefüllten Kapsel ausgebildet. Mindestens eine Membran beinhaltet eine leitende Schicht, die zusammen mit einer weiteren leitenden Schicht an einer zur Membran parallelen Seite der Kapsel einen Kondensator bildet. Eine Druckdifferenz p1-p2 verursacht Kräfte auf beide Membranen, so dass die Membranen in zueinander entgegengesetzten Richtungen ausgelenkt werden. Die dadurch erfolgende Kapazitätsänderung am Kondensator ist ein Mass für die Druckdifferenz p1-p2.
Der Einfluss der Temperatur auf die Form und die Funktion der einzelnen Elemente und deren Verbindungsstellen im Wandler muss bei der Auswertung eines Ausgangssignals berücksichtigt werden. Gelangen konstruktionsbedingt verschiedene Werkstoffe mit unterschiedlichem thermischem Verhalten zur Anwendung, und ändert sich die Temperatur des Druckmediums wie beispielsweise in Heizwasserkreisen, wird die für eine genaue Differenzdruckmessung notwendige Korrektur des Ausgangssignals aufwendig und unter Umständen praktisch unmöglich.
Ausserdem müssen Form und Material der einzelnen Wandlerteile sowie die angewendeten Verbindungstechniken sorgfältig aufeinander abgestimmt sein, damit der Wandler verspannungsfrei hergestellt werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kapazitiven Differenzdruckwandler so zu verbessern, dass er sehr genau, langzeitstabil, klein und in grosser Stückzahl mit kleiner Streuung der Parameter herstellbar ist.
Die Erfindung besteht in den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Differenzdruckwandler, bei dem die Erfassungsmembranen mit einem Stützelement verbunden sind, im Querschnitt,
Fig. 2 einen Membranträger, bei dem durch eine Vertiefung ein dehnbarer Rahmen in die Erfassungsmembran geformt ist, in der Draufsicht,
Fig. 3 eine Variante des Differenzdruckwandlers, bei dem eine Flüssigkeit den Kraftschluss zwischen den Erfassungsmembranen bewirkt, und
Fig. 4 eine Variante des Membranträgers, bei dem durch eine Vertiefung die Erfassungsmembran ausgebildet ist.
In der Fig. 1 bedeutet 1 einen scheibenförmigen Elektrodenträger mit mindestens einem vorteilhaft im Zentrum des Elektrodenträgers 1 angeordneten Loch 2 und zwei Mittelelektroden 3a und 3b. Der Elektrodenträger 1 ist abständig und gasdicht zwischen einem ersten Membranträger 4 und einem zweiten Membranträger 5 angeordnet. Beide Membranträger 4 und 5 haben einen gleichen, zum Elektrodenträger 1 symmetrischen Aufbau. Die Membranträger 4 und 5 halten je eine dehnbare, im wesentlichen in Richtung ihrer Zentrumsachse bewegbare Erfassungsmembran 8 bzw. 9. Je eine durch Abtragen von Material entstandene Vertiefung 6 bzw. 7 rahmt einen inneren, in der Draufsicht (Fig. 2) quadratischen Teil (16) der Erfassungsmembran 8 bzw. 9 ein. Die der Mittelelektrode 3a bzw. 3b zugewandte Stirnfläche der Erfassungsmembran 8 bzw. 9 ist mit einer elektrisch leitenden Schicht 10 bzw. 11 versehen.
Die Schichten 10, 11 sowie die Mittelelektroden 3a, 3b sind ausserhalb des Differenzdruckwandlers kontaktierbar, was in der Zeichnung nicht dargestellt ist. Durch ein rahmenförmiges Abstandsmittel 12 zwischen dem Elektrodenträger 1 und dem Membranträger 4 und ein weiteres solches Abstandsmittel 13 zwischen dem Elektrodenträger 1 und dem Membranträger 5 ist ein Hohlraum 14 zwischen den beiden Erfassungsmembranen 8, 9 gasdicht abgeschlossen und zudem ist sichergestellt, dass die Erfassungsmembranen 8 und 9 bewegbar und die leitenden Schichten 10 und 11 von den Mittelelektroden 3a, 3b isoliert sind. Die beiden Erfassungsmembranen 8 und 9 sind durch ein Stützelement 15 miteinander kraftschlüssig verbunden, so dass keine der beiden Erfassungsmembranen 8, 9 unabhängig von der anderen Erfassungsmembran 8 bzw. 9 auslenkbar ist.
Die Mittelelektrode 3a bzw. 3b bildet mit der elektrisch leitenden Schicht 10 einen Kondensator mit einer Kapazität C1 und mit der leitenden Schicht 11 einen weiteren Kondensator mit einer Kapazität C2. Ist die Erfassungsmembran 8 einem Druck p1 eines Messguts und die Erfassungsmembran 9 einem Druck p2 des Messguts ausgesetzt, verursacht eine Druckdifferenz p1-p2 eine Kraft auf die Erfassungsmembranen 8, 9, die entgegen einer Rückstellungskraft der Erfassungsmembranen 8, 9 wirkt und die ein Durchbiegen der Erfassungsmembranen 8, 9 auf jene Seite des Differenzdruckwandlers verursacht, deren Erfassungsmembran 8 bzw. 9 mit dem niedrigeren Wert der beiden Drücke p1 und p2 beaufschlagt ist.
Ein Überdehnen der Erfassungsmembranen 8, 9 wird durch den steifen Elektrodenträger 1 verhindert, der bei einem vorbestimmten Betrag der Druckdifferenz p1-p2 als Anschlag für die gegen ihn ausgelenkte Erfassungsmembran 8 oder 9 wirkt.
Durch den Elektrodenträger 1 ist der Differenzdruckwandler symmetrisch überdrucksicher.
Das Durchbiegen verändert die Kapazitäten C1 und C2 komplementär. Ist beispielsweise der Druck p1 grösser als der Druck p2, wird die Kapazität C1 vergrössert, während die Kapazität C2 verkleinert wird. Bei gleichen Drücken p1 und p2 sind die Kapazitäten C1 und C2 vorzugsweise gleich gross. Die Kapazitäten C1 und C2 können beispielsweise als frequenzbestimmende Elemente in Oszillatoren eingesetzt werden, deren Frequenzen dadurch von der Druckdifferenz p1-p2 gesteuert sind.
Die Membranträger 4, 5 weisen eine quadratische Form mit einer Kantenlänge von etwa 1 mm bis 4 mm und einer Dicke von ungefähr 0,4 mm auf. Zum Vermeiden von mechanischen Verspannungen ist jede Erfassungsmembran 8 bzw. 9 Teil des sie umfassenden Membranträgers 4 bzw. 5 und aus einkristallinem Silizium gefertigt. Die Vertiefungen 6, 7 sind durch Abtragen von Material derart mikromechanisch erzeugt, dass das Material des Membranträgers 4 bzw. 5 nahtlos und ohne zusätzliche Störungen im kristallinen Bau in das Material der Erfassungsmembran 8 bzw. 9 übergeht, die daher praktisch frei von Restspannungen ist, welche die Genauigkeit der Messung verfälschen. Ein anisotropes Ätzen der Vertiefungen 6, 7 bewirkt eine in definiertem Winkel zueinander stehende Anordnung von je zwei sich gegenüberliegenden Seitenwänden der Vertiefungen 6, 7.
Es ist auch möglich, jedoch in der Zeichnung nicht dargestellt, dass die Vertiefung 6 bzw. 7 auf jener Seite des Membranträgers 4 bzw. 5 angebracht ist, die dem Messgut zugewandt ist. Dadurch ist mehr Platz für eine Anordnung der leitenden Schichten 10, 11 verfügbar.
Die leitenden Schichten 10, 11 sind durch ein Dünnfilmverfahren, beispielsweise durch Aufdampfen von Aluminium oder einem anderen geeigneten Metall, angefertigt. Um zusammen mit den Mittelelektroden 3a und 3b definierte Kapazitäten C1 und C2 zu erhalten, sind die Vertiefungen 6, 7 im wesentlichen nicht beschichtet.
Der Elektrodenträger 1 hat vorzugsweise die gleichen äusseren Abmessungen wie die Membranträger 4, 5 und ist aus Silizium. Die Mittelelektroden 3a und 3b sind vorteilhaft Dünnfilmschichten, die den elektrisch leitenden Schichten 10 bzw. 11 genau gegenüber liegen und welche dieselbe Form der Schichten 10, 11 haben und damit parasitäre Kapazitäten minimieren. Es ist auch möglich, anstelle der beiden Mittelelektroden 3a, 3b eine einzige, gemeinsame Mittelelektrode vorzusehen.
Die Abstandsmittel 12, 13 sind aus Silizium oder Siliziumdioxid. Die Verwendung von Silizium hat den Vorteil, dass der Elektrodenträger 1 ohne ein Fremdmaterial mit den beiden Membranträgern 4, 5 durch sogenanntes silicon-fusion-bonding verbindbar ist. Damit ist ein Auftreten von Verspannungen, welche die Genauigkeit und die Langzeitstabilität des Differenzdruckwandlers verschlechtern, auf ein Minimum vermindert. Zudem wird eine thermische Abhängigkeit des Differenzdruckwandlers einfacher korrigierbar, da nur ein Material zu berücksichtigen ist. Die Abstandsmittel 12, 13 können beispielsweise durch einen zusätzlichen Ätzschritt aus dem Ausgangsmaterial der Membranträger 4, 5 erzeugt werden.
Die Abstandsmittel 12, 13 können auch in Siliziumdioxid ausgebildet sein.
Das Stützelement 15 besteht mit Vorteil aus Silizium und ist durch silicon-fusion-bonding zwischen den Erfassungsmembranen 8, 9 befestigt. Eine mögliche Temperaturänderung bewirkt damit nur eine äusserst geringe Auslenkung der Erfassungsmembranen 8, 9. Es ist auch möglich, dass zwischen dem Stützelement 15 und den Erfassungsmembranen 8, 9 je eine Schicht Siliziumdioxid angeordnet ist. Diese Schichten stellen vor allem eine prozesstechnische Vereinfachung dar, falls die Abstandsmittel 12, 13 auch aus Siliziumdioxid gefertigt sind.
Der Hohlraum 14 ist mit einem chemisch neutralen Schutzgas gefüllt oder evakuiert.
Die Seite der Erfassungsmembran 4; 5, die dem Messgut zugewandt ist, kann zum Schutz gegen korrosive Medien mit einer Passivierungsschicht versehen sein.
Eine Vielzahl der beschriebenen Differenzdrucksensoren ist kostengünstig gleichzeitig herstellbar, wenn als Ausgangsmaterialien polierte Wafer aus Silizium mit den entsprechend erforderlichen Dicken für die Membranträger 4 bzw. 5 und den Elektrodenträger 1 dienen.
Die Fig. 3 zeigt eine Variante des Differenzdruckwandlers, bei dem der Hohlraum 14 min durch eine inkompressible dielektrische Flüssigkeit, wie z.B. Silikonöl, ausgefüllt ist, womit die beiden Erfassungsmembranen 8 min , 9 min miteinander kraftschlüssig verbunden sind. Ein Vorteil dieser Variante ist die einfachere Fertigung, das Stützelement 15 (Fig. 1) aus Silizium entfällt. In dieser Variante ist das Loch 2 min vorteilhaft nicht im Zentrum des Elektrodenträgers 1 min .
Zudem zeigt die Fig. 3 eine mögliche Ausgestaltung der Erfassungsmembranen 8 min , 9 min mit einer im Flächenzentrum des Membranträgers 4 min , 5 min angebrachten, in der Draufsicht vorzugsweise quadratischen Vertiefung 6 min bzw. 7 min (Fig. 4).
The invention relates to a capacitive differential pressure transducer of the type mentioned in the preamble of claim 1.
Such differential pressure transducers are suitable, for example, for measuring the flow rate in heating water circuits.
A differential pressure converter of the type mentioned in the preamble of claim 1 is known from DE-OS 3 820 418.
Furthermore, a micromechanically producible differential pressure converter with a pair of membranes is known (EP-B1 0 164 413), one of which is exposed to a pressure p1 and the other to a pressure p2. Both membranes are formed in the same plane on a capsule filled with incompressible liquid. At least one membrane contains a conductive layer which, together with another conductive layer, forms a capacitor on a side of the capsule parallel to the membrane. A pressure difference p1-p2 causes forces on both membranes, so that the membranes are deflected in opposite directions. The resulting change in capacitance at the capacitor is a measure of the pressure difference p1-p2.
The influence of temperature on the shape and function of the individual elements and their connection points in the converter must be taken into account when evaluating an output signal. If, due to the design, different materials with different thermal behavior are used, and if the temperature of the pressure medium changes, such as in heating water circuits, the correction of the output signal necessary for an accurate differential pressure measurement becomes complex and under certain circumstances practically impossible.
In addition, the shape and material of the individual transducer parts and the connection technology used must be carefully coordinated so that the transducer can be manufactured without tension.
The object of the invention is to improve a capacitive differential pressure transducer in such a way that it can be produced very precisely, with long-term stability, small and in large numbers with a small spread of the parameters.
The invention consists in the features specified in claim 1. Advantageous refinements result from the dependent claims.
Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the drawing.
Show it:
1 shows a differential pressure transducer, in which the detection membranes are connected to a support element, in cross section,
2 shows a membrane carrier, in which a stretchable frame is formed in the detection membrane by a recess, in plan view,
Fig. 3 shows a variant of the differential pressure transducer, in which a liquid causes the frictional connection between the detection membranes, and
Fig. 4 shows a variant of the membrane carrier, in which the detection membrane is formed by a recess.
In FIG. 1, 1 means a disk-shaped electrode carrier with at least one hole 2 which is advantageously arranged in the center of the electrode carrier 1 and two center electrodes 3a and 3b. The electrode carrier 1 is spaced apart and gas-tight between a first membrane carrier 4 and a second membrane carrier 5. Both membrane supports 4 and 5 have the same structure, symmetrical to the electrode support 1. The membrane supports 4 and 5 each hold an expandable detection membrane 8 and 9, which can be moved essentially in the direction of their center axis. Each recess 6 or 7 created by the removal of material frames an inner part which is square in plan view (FIG. 2) ( 16) of the detection membrane 8 or 9. The end face of the detection membrane 8 or 9 facing the center electrode 3a or 3b is provided with an electrically conductive layer 10 or 11.
The layers 10, 11 and the central electrodes 3a, 3b can be contacted outside the differential pressure converter, which is not shown in the drawing. A frame-shaped spacer 12 between the electrode carrier 1 and the membrane carrier 4 and another such spacer 13 between the electrode carrier 1 and the membrane carrier 5 seals a cavity 14 between the two detection membranes 8, 9 and also ensures that the detection membranes 8 and 9 movable and the conductive layers 10 and 11 are isolated from the center electrodes 3a, 3b. The two detection membranes 8 and 9 are non-positively connected to one another by a support element 15, so that neither of the two detection membranes 8, 9 can be deflected independently of the other detection membrane 8 or 9.
The center electrode 3a or 3b forms a capacitor with a capacitance C1 with the electrically conductive layer 10 and a further capacitor with a capacitance C2 with the conductive layer 11. If the detection membrane 8 is exposed to a pressure p1 of a measurement object and the detection membrane 9 to a pressure p2 of the measurement object, a pressure difference p1-p2 causes a force on the detection membranes 8, 9 which acts against a restoring force of the detection membranes 8, 9 and which deflects them Detection membranes 8, 9 caused on that side of the differential pressure transducer, the detection membrane 8 or 9 is acted upon by the lower value of the two pressures p1 and p2.
Overstretching of the detection membranes 8, 9 is prevented by the rigid electrode carrier 1, which acts as a stop for the detection membrane 8 or 9 deflected against it at a predetermined amount of the pressure difference p1-p2.
The differential pressure transducer is symmetrically overpressure-proof due to the electrode carrier 1.
The bending changes the capacities C1 and C2 in a complementary manner. For example, if the pressure p1 is greater than the pressure p2, the capacitance C1 is increased while the capacitance C2 is decreased. At the same pressures p1 and p2, the capacitances C1 and C2 are preferably of the same size. The capacitors C1 and C2 can be used, for example, as frequency-determining elements in oscillators, the frequencies of which are controlled by the pressure difference p1-p2.
The membrane supports 4, 5 have a square shape with an edge length of approximately 1 mm to 4 mm and a thickness of approximately 0.4 mm. To avoid mechanical tension, each detection membrane 8 or 9 is part of the membrane carrier 4 or 5 comprising it and made of single-crystal silicon. The recesses 6, 7 are produced by removing micromechanical material in such a way that the material of the membrane carrier 4 or 5 merges seamlessly and without additional disturbances in the crystalline structure into the material of the detection membrane 8 or 9, which is therefore practically free of residual stresses which falsify the accuracy of the measurement. Anisotropic etching of the depressions 6, 7 results in an arrangement of two opposing side walls of the depressions 6, 7 at a defined angle to one another.
It is also possible, but not shown in the drawing, that the recess 6 or 7 is provided on that side of the membrane carrier 4 or 5 which faces the material to be measured. As a result, more space is available for an arrangement of the conductive layers 10, 11.
The conductive layers 10, 11 are made by a thin film process, for example by vapor deposition of aluminum or another suitable metal. In order to obtain defined capacitances C1 and C2 together with the center electrodes 3a and 3b, the depressions 6, 7 are essentially not coated.
The electrode carrier 1 preferably has the same outer dimensions as the membrane carriers 4, 5 and is made of silicon. The center electrodes 3a and 3b are advantageously thin-film layers which lie exactly opposite the electrically conductive layers 10 and 11 and which have the same shape as the layers 10, 11 and thus minimize parasitic capacitances. It is also possible to provide a single, common center electrode instead of the two center electrodes 3a, 3b.
The spacing means 12, 13 are made of silicon or silicon dioxide. The use of silicon has the advantage that the electrode carrier 1 can be connected to the two membrane carriers 4, 5 by means of so-called silicon-fusion-bonding without any foreign material. This minimizes the occurrence of tension, which deteriorates the accuracy and long-term stability of the differential pressure transducer. In addition, a thermal dependency of the differential pressure transducer is easier to correct since only one material has to be taken into account. The spacing means 12, 13 can be produced, for example, by an additional etching step from the starting material of the membrane carrier 4, 5.
The spacing means 12, 13 can also be formed in silicon dioxide.
The support element 15 advantageously consists of silicon and is fastened between the detection membranes 8, 9 by silicon-fusion-bonding. A possible change in temperature thus causes only an extremely slight deflection of the detection membranes 8, 9. It is also possible for a layer of silicon dioxide to be arranged between the support element 15 and the detection membranes 8, 9. Above all, these layers represent a process-technical simplification if the spacing means 12, 13 are also made of silicon dioxide.
The cavity 14 is filled or evacuated with a chemically neutral protective gas.
The side of the detection membrane 4; 5, which faces the material to be measured, can be provided with a passivation layer for protection against corrosive media.
A large number of the differential pressure sensors described can be produced inexpensively at the same time if polished wafers made of silicon with the correspondingly required thicknesses for the membrane carriers 4 or 5 and the electrode carrier 1 serve as starting materials.
Fig. 3 shows a variant of the differential pressure transducer, in which the cavity is 14 min by an incompressible dielectric liquid, such as e.g. Silicone oil is filled, with which the two detection membranes are non-positively connected for 8 min, 9 min. An advantage of this variant is the simpler production, the support element 15 (FIG. 1) made of silicon is omitted. In this variant, the hole is advantageously 2 minutes away from the center of the electrode carrier 1 minute.
In addition, FIG. 3 shows a possible embodiment of the detection membranes 8 min, 9 min with a recess 6 min or 7 min, preferably square in plan view, in the center of the surface of the membrane support (FIG. 4).