DD228350A1 - Kapazitiver drucksensor in dickschichttechnik - Google Patents

Abstract

Kapazitiver Drucksensor in Dickschichttechnik, der zur Absolut- und Differenzdruckmessung fluessiger und gasfoermiger Medien eingesetzt wird. Er bezweckt eine hohe Messempfindlichkeit und Reproduzierbarkeit der Werte ueber einen langen Zeitraum bei geringer Stoeranfaelligkeit gegenueber aeusseren Einfluessen sowie die Lieferung hochgenauer stoersicherer Ausgangssignale in einem weiten Temperaturbereich bei unkompliziertem Gesamtaufbau. Erfindungsgemaess wird ein Dickschichtkondensator, dessen beide Elektroden als Fingerstrukturen auf einer isolierenden Substratplatte ausgebildet sind, gegenueber einer metallischen Membran in einem vorgegebenen geringen Abstand angeordnet. Die Membran ist nicht als Kondensator geschaltet und mit keiner Stromzufuehrung versehen. Der Abstand wird vorzugsweise durch einen um den Dickschichtkondensator gedruckten Rahmen eines Dielektrikums eingestellt, wobei entweder der Dickschichtkondensator oder die Membran durch eine aufgebrachte durchgaengige Dielektrikumsschicht gegeneinander isoliert sind. Weitere Ausgestaltungen betreffen u. a. die Anwendung einer Messbrueckenschaltung. Angewendet wird die Erfindung in der industriellen Technik zur Erfassung von Absolut- und Differenzdruecken. Fig. 1

Description

Anmelder: Berlin, 13.08,, 1984

Kombinat TEB ^{P 1484}

Slektr o-Apparate-Werke Berlin-iTr ept ow ZENIEDM FuH FOESCHUIiG UDD (TECHNOLOGIE

1055 Berlin, Storkower Str· 101 Büro für Schatzrechte

Kapazitiver Drucksensor in Dickschichttechnik

G 01 L - 9/12

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Drucksensor in Dickschichttechnik, der zur Absolut- und Differenzdruckmessung in Flüssigkeiten und Gasen in verschiedenen Bereichen der industriellen Technik, der Medizin und der Landtechnik sowie in der Konsumgütertechnik sowohl zu Meß- als auch zu Steuerzwecken eingesetzt werden kann·

Charakteristik der bekannten technischen Losungen

Es ist allgemein bekannt, zur Messung von Absolut- und Differenzdrücken kapazitive Drucksensoren anzuwenden, die aus zwei voneinander getrennten Kondensatorelektroden bestehen. Als Dielektrikum wird eine inkompressible Flüssigkeit, Luft oder Vakuum angewendet· Der Abstand beider Kondensatorplatten zueinander wird durch die Druckbeaufschlagung verändert, wobei in den meisten Fällen die eine Platte als flexible Membran eines Gehäuses ausgebildet ist, welche sich bei Einwirkung eines Differenzdruckes zwischen innerem und äußerem Druckraum durchbiegt, beispielsweise beschrieben in der DE-OS 29 38 205 und DE-OS 28 48 856. Weiterhin ist aus den DE-AS 22 21 062 und der DE-OS 31 37 219 bekannt, zwei voneinander isolierte flexible Membranen zur kapazitiven Druckmessung zu verwenden· In der DE-OS 25 56 94-7 wird eine auf Druck ansprechende Kapazität beschrieben, bei der die stationäre Kondensatorelektrode mit

einer dielektrischen Schicht überzogen and die Membran als flexible Elektrode geprägt wird, so daß sie einen schaienförmigen Innenabschnitt enthält, der sich auf dem Mittelbereich der gegenüberliegenden Kondensatorelektrode abstützt.

Nachteilig bei diesen Lösungen ist, daß, bedingt durch die beiden räumlich voneinander getrennten Eondensatorplatten, ein hoher Innenwiderstand zu unerwünschten elektrischen Störfeldern führt, und der Meßkondensator empfindlich auf ungewollt zwischen die Platten eindringende Substanzen (Öle, Fette, Gase, flüssigkeiten, oxidierende Bestandteile) reagiert. Somit besitzen die nach diesem Prinzip aufgebauten Drucksensoren eine geringe Langzeitstabilität, unzureichende Genauigkeit und damit einen eingeschränkten Einsatzbereich und eine geringe Betriebsdauer. Weitere Nachteile sind die geringe Kapazität und die geringe Heproduzierbarkeit dieser Kondensatoren, wobei das" niedrige resultierende Ausgangssignal zusätzlich zu dem erhöhten elektrischen Auswertungsaufwand beiträgt·

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, eine hohe Meßempfindlichkeit und Reproduzierbarkeit der Werte über einen langen Zeitraum bei geringer Störanfälligkeit gegenüber äußeren Einflüssen zu erreichen-und hochgenaue, elektrisch einfach auswertbare, störsichere Ausgangssignale in einem weiten Temperaturbereich zu liefern,bei unkompliziertem Gesamtaufbau·

Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kapazitiven Drucksensor in Dickschichttechnik mit hoher Meßempfindlichkeit und Heproduzierbarkeit bei geringer Störanfälligkeit gegen äußere Einflüsse, langzeitstabil und in möglichst unkomplizierter Bauweise, mit hoher Genauigkeit und in weitem Temperaturbereich· .... arbeitend zu entwickeln. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Dickschichtkondensator, dessen beide Elektroden als Fingerstrukturen auf einem isolierenden Substrat, beispielsweise aus Aluminiumoxid-, Berylliumoxidkeramik oder aus Aluminiumnitrid ausgebildet und durch eine

Dielektrikumsschicht abgedeckt sind, gegenüber einer metallischen Membran angeordnet sind. Die Kapazität des Flächenkondensators kann in einem Abgleichprozeß auf einen festen Sollwert eingestellt werden. Erfindungsgemäß wird dabei die metallische Membran, die beispielsweise aas Feder- oder Berylliumbronze, Federstahl oder einer Magnetlegierang besteht, nicht als Kondensatorelektrode geschaltet und erhält keine Stromzuführung. Sie ist in einem vorgegebenen geringen Abstand zum Flächenkondensator angeordnet, dieser Abstand wird durch einen um den Kondensator mittels Siebdruckverfahren zusätzlich zu druckenden Eahmen eines Dielektrikums eingestellt« Erfindungsgemäß kann auf die über dem Flächenkondensator aufgebrachte Dielektrikumsschicht verzichtet werden, wenn die metallische Membran durch einen nach einem bekannten Verfahren aufgebrachte SiO₂- oder Ta₂O=- Dünnschicht isoliert wird. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung trägt das Keramiksubstrat für eine Meßbrückenschaltung auf seiner der Membran abgewandten Seite eine durch das Substrat thermisch gekoppelte Vergleichskapazität, insbesondere in Form einer im Siebdruck aufgebrachten, dem Kondensator auf der Membranseite deckungs^ gleichen Struktur. Weiterhin kann in der Ebene der Kondensatorstruktur ein temperaturabhängiger Widerstand in Schichttechnik zum vorzugsweisen Erfassen eines temperaturproportionalen Signals zur Nutzung für eine Korrektur bzw. Kompensation von Temperatureinflußfaktoren aufgebracht werden.

Erfindungsgemäß kann statt des vorgenannten Flächenkondensators auch ein entsprechend dimensionierter Flächenkondensator in Dünnschichtausführung auf einem Glassubstrat eingesetzt werden, der ebenfalls auf einen Sollwert, abgeglichen werden kann.

Zur Steigerung der Empfindlichkeit des Drucksensors gegen geringe Druckdifferenzen wird die Durchbiegung der Membrane verstärkt, indem man auf der dem Flächenkondensator zugewandten Seite einen ringförmigen Graben einätzt, dessen Tiefe 50 % der Membranstärke nicht übersteigt. Innerhalb des Grabens behält die zentrale Zone die volle Membranstärke bei.

Ausführungsbeispiel

Anhand der Zeichnungen werden einige Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben und deren Wirkungsweise erläutert. Es zeigen

Fig. 1: Erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines kapazitiven Drucksensors im Schnitt

Fig. 2: Darstellung der kapazitiven Fingerstruktur Fig· 3: Erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines kapazitiven Drucksensors mit Vergleichskapazität und isolierter Membran

Beispiel 1

Der kapazitive Druckgeber nach Fig. 1 besteht aus einem Gehäuse aus Gehäuseboden 1 und Gehäusedeckel 2 mit den Druckanschlüssen 11 für den zu messenden Druck P,- und den Vergleichsdruckanschluß 14 für den Vergleichsdruck P₂. Auf den Gehäuseboden 1 mit den Eondensatoranschlüssen 10, die mit druckdichten Glasdurchführungen 15 versehen sind, wird die isolierende Substratplatte 5 geklebt. Diese Substratplatte enthält gemäß Fig. 2 die Fingerelektroden 6j 7 in einer Ebene, diese werden als Fingerstrukturen im Siebdruckverfahren mit einer handelsüblichen Dickschichtleitpaste hergestellt. An den Stellen, an denen die Kondensatoranschlüsse 10 durch den Gehäuseboden 1 geführt sind, weist die isolierende Substratplatte 5 Bohrungen auf, die zur Durchkontaktierung zu den genannten Kondensatoranschlüssen 10 mittels Leitkleber dienen. Die Fingerelektroden 6; 7 werden mit einer siebgedruckten Dielektrikumsschicht 8 aus einer Dickschichtpaste ganzflächig abgedeckt und anschließend auf einen Sollwert abgeglichen.

Auf die durchgängige Isolationsschicht wird noch ein Eahmen mit der gleichen Isolationspaste als Abstandsisolation gedruckt j durch welchen der Hohlraum 9 bzw. der Abstand Membran/ Fingerstruktur festgelegt wird. Über diesem Eahmen 12 wird die Membran 3 aus Federbronze anliegend angebracht, wobei sie zum Gehäuseboden 1 durch eine isolierende Verbindungsstelle 4· elektrisch isoliert, zwischen Gehäuseboden 1 und -deckel 2 befestigt wird. Über den Druckanschluß 11 wird die Membran 3 mit

dem zu. messenden Druck P^ beaufschlagt, der Vergleichsdr uek P_p liegt im Hohlraum 9 an· Im Beispiel ist der Vergleichsdruckanschluß 14 eine Bohrung, so daß Atmosphärendruck anliegt und der Überdruck gemessen wird·

Entsprechend der Druckdifferenz zwischen dem zu messenden Druck und dem Atmosphärendruck erfolgt die Durchbiegung der Membran 3» die damit den Verlauf der elektrischen Feldlinien zwischen den Pingerelektroden 6; 7 des auf der isolierenden Substratplatte 5 aufgebrachten Flächenkondensators verändert und auf diese Weise eine druckproportionale Kapazitätsänderung bewirkt. Die elektrische Auswertung der Kapazitätsänderung erfolgt in bekannter Weise durch Schaltung des Flächenkondensators als frequenzbestimmenden Teil eines Oszillators, der ein dem Differenzdruck frequenz-analoges Signal liefert.

Beispiel 2

Fig. 3 zeigt den Ausschnitt eines kapazitiven Druckgebers, wie er als Bestandteil einer Wheatstone-Brückenschaltung gestaltet wird. Der Aufbau der Fingerelektroden 6; 7 erfolgt wie im Beispiel 1· Abweichend davon wird keine Isolationsschicht aufgebracht, sondern nur der Eahmen 12· Anders als im Beispiel 1 erfolgt in diesem Anwendungsfall die Isolation der Membran durch Aufbringen einer gesputterten SiO₂-Schicht als Membranisolation 13f die die Isolation gegenüber den Fingerelektroden 6j 7 bewirkt. Auf der Bückseite der isolierenden Substratplatte 5 wird zusätzlich eine Vergleichkapazität aus den Fingerelektroden 6'; 7* aufgebracht, die mit der Meßkapazität aus den Fingerelektroden 6; 7 über das gut wärmeleitende Substrat thermisch gekoppelt ist· Nach Aufbringen der Vergleichskapazität-Isolationsschicht 8* und Klebemontage auf dem Gehäuseboden 1, wobei die Vergleichskapazität auf dem Gehäuseboden 1 aufliegt, wird durch Funktionsabgleich die Meßkapazität auf den Wert der Vergleichskapazität abgeglichen· In diesem Anwendungsfall besitzt der Gehäuseboden 1 vier Kondensatoranschlüsse 10 mit Glasdurchführungen 15 gleicher Art wie in Beispiel 1, zusätzlich zwei für die Vergleichskapazität. Druckproportionales Ausgangssignal ist in diesem Beispiel die Brückenspannung .

Beispiel 3

Die Ausführung des Drucksensors entspricht der in Beispiel 1 oder Beispiel 2. Zum Erreichen einer höheren Genauigkeit wird zusätzlich in die Meßkapazität aus den Fingerelektroden 6; 7 ein temperaturabhängiger PTC-Thermistor in Dickschichttechnik integriert, der einen TK im Bereich von ca. 2500 ppm aufweist und einen linearen Kennlinienverlauf hat. Über zwei zusätzliche Anschlüsse analog 10 im Gehäuseboden T (Fig. 1) wird das Ausgangssignal in eine Kompensationsschaltung gegeben, die den temperaturabhängigen Anteil des Druckes kompensiert.

Beispiel 4

In einer Ausführung des Drucksensors entsprechend Beispiel 1 versieht man die Membran aus Federbronze auf fotolithografischem Wege mit einer ringförmigen Hut einer Itztiefe von bis zu 50 % d'er Membranstärke. Auf diese Weise erreicht man eine stärkere Empfindlichkeit der Membran gegen geringe Druckdifferenzen, d. h· die Auslenkung des zentralen Membranbereichs bei gleicher anliegender Druckdifferenz wird größer.

Claims (7)

1. Er f ind ang sanspr uch

   · Kapazitiver Drucksensor in Dickschichttechnik, gekennzeichnet dadurch, daß ein Dickschichtkondensator, dessen beide Fingerelektroden (6; 7) auf einer isolierenden Substratplatte (5), beispielsweise aus Aluminium- bzw· Berylliumozjdkeramik oder Aluminiumnitrid, ausgebildet sind und dessen Kapazität durch einen Abgleichprozeß auf einen bestimmten Sollwert eingestellt werden kann, gegenüber einer metallischen Membran (3) in einem vorgegebenen geringen Abstand angeordnet wird, wobei die nicht als Kondensatorelektrode geschaltete und nicht mit einer Stromzuführung versehene Membran (3) vorzugsweise aus Feder- oder Berylliumbronze, Federstahl oder einem weichmagnetischen Werkstoff besteht, und daß der Abstand vorzugsweise durch einen um den Dickschichtkondensator gedruckten Eahmen (12) aus einem Dielektrikum eingestellt ist, wobei entweder der Dickschichtkondensator oder die Membran (3) durch eine aufgebrachte durchgängige Dielektrikumsschicht (8; 13) gegeneinander isoliert sind,
2. 2· Kapazitiver Drucksensor nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Isolation der Fingerelektroden (6; 7) gegenüber der Membran (3) durch eine im Siebdruckverfahren aufgebrachte Dielektrikumsschicht (8) erfolgt.
3. 3· Kapazitiver Drucksensor nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Membran (3) auf der dem Kondensator zugewandten Seite eine Membranisolation (13)» vorzugsweise bestehend aus einer SiOg- oder Ta₂Oc-Scnicht, aufweist,
4. 4* Kapazitiver Drucksensor nach Punkt 1 bis 3» gekennzeichnet dadurch, daß auf die isolierende Substratplatte (5) für eine Meßbrückenschaltung auf der der Membran (3) abgewandten Seite eine durch das Substrat (5) thermisch gekoppelte Tergleichskapazität - Fingerelektroden 1 und 2 (6^T; 7¹) - aufgebracht ist.
5. 5· Kapazitiver Drucksensor nach Punkt 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß in der Ebene der Kondensatorstruktur ein temperaturabhängiger Widerstand in Schichttechnik zum Erfassen eines temperaturproportionalen Signals aufgebracht werden kann·
6. 6. Kapazitiver Drucksensor nach Punkt 1 und 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Fingerelektroden (6; 7) iß. Dünnschichttechnik ausgebildet werden, wobei die isolierende Substratplatte (5) bevorzugt aus Glas besteht·
7. 7. Kapazitiver Drucksensor nach Punkt 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß die Membran (3) eine zentrale Zone aufweist, die durch einen eingeätzten Graben von ihrer Bandzone abgegrenzt wird, wobei die Tiefe des Grabens 50 % der Membranstärke nicht übersteigt·

   Hierzu 1 Blatt Zeichnung·