DD228350A1 - CAPACITIVE PRESSURE SENSOR IN THICK-LAYER TECHNOLOGY - Google Patents
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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. 1Capacitive pressure sensor in thick film technology, which is used for absolute and differential pressure measurement of liquid and gaseous media. It aims at a high sensitivity and reproducibility of the values over a long period of time with low susceptibility to external influences as well as the supply of highly accurate interference-proof output signals in a wide temperature range with uncomplicated overall design. According to the invention, a thick-film capacitor, whose two electrodes are formed as finger structures on an insulating substrate plate, is arranged opposite a metallic membrane at a predetermined small distance. The membrane is not connected as a capacitor and has no power supply. The spacing is preferably adjusted by a frame of a dielectric printed around the thick-film capacitor, wherein either the thick-film capacitor or the membrane is insulated from each other by an applied continuous dielectric layer. Further embodiments relate u. a. the application of a measuring bridge circuit. The invention is applied in industrial technology for the detection of absolute and differential pressures. Fig. 1
Description
Anmelder: Berlin, 13.08,, 1984Applicant: Berlin, 13.08 ,, 1984
Kombinat TEB P 1484 Kombinat TEB P 1484
Slektr o-Apparate-Werke Berlin-iTr ept ow ZENIEDM FuH FOESCHUIiG UDD (TECHNOLOGIESlektr o-Apparate-Werke Berlin-iTr ept ow ZENIEDM FOH FOESCHUIiG UDD (TECHNOLOGY
1055 Berlin, Storkower Str· 101 Büro für Schatzrechte1055 Berlin, Storkower Str · 101 Treasury Office
Kapazitiver Drucksensor in DickschichttechnikCapacitive pressure sensor in thick film technology
G 01 L - 9/12G 01 L - 9/12
Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention
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·The invention relates to a capacitive pressure sensor in thick-film technology, which can be used for measuring absolute and differential pressure in liquids and gases in various fields of industrial technology, medicine and agricultural technology as well as in consumer goods technology for measuring and control purposes.
Charakteristik der bekannten technischen LosungenCharacteristic of the known technical solutions
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 mitIt is well known to use capacitive pressure sensors consisting of two separate capacitor electrodes to measure absolute and differential pressures. As the dielectric an incompressible liquid, air or vacuum is applied · The distance between the two capacitor plates to each other is changed by the pressurization, wherein in most cases the one plate is designed as a flexible membrane of a housing, which is subject to a differential pressure between the inner and outer pressure chamber Bends, for example, described in DE-OS 29 38 205 and DE-OS 28 48 856. Furthermore, from DE-AS 22 21 062 and DE-OS 31 37 219 known to use two mutually insulated flexible membranes for capacitive pressure measurement In DE-OS 25 56 94-7 a pressure-responsive capacity is described in which the stationary capacitor electrode with
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.a dielectric layer coated and the membrane is embossed as a flexible electrode so that it contains a schaienförmigen inner portion which is supported on the central region of the opposite capacitor electrode.
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·A disadvantage of these solutions is that, due to the two spatially separated Eondensatorplatten, a high internal resistance leads to unwanted electrical interference, and the measuring capacitor sensitive to unwanted between the plates penetrating substances (oils, fats, gases, liquids, oxidizing constituents) reacts , Thus, the pressure sensors constructed according to this principle have a low long-term stability, insufficient accuracy and thus a limited range of application and a short service life. Further disadvantages are the low capacity and the low hepatability of these capacitors, the "low resulting output signal contributing in addition to the increased electrical evaluation effort."
Ziel der ErfindungObject of the invention
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·The aim of the invention is to achieve a high measuring sensitivity and reproducibility of the values over a long period of time with low susceptibility to external influences and to provide highly accurate, electrically easily evaluable, interference-free output signals in a wide temperature range, with uncomplicated overall design.
Wesen der ErfindungEssence of the invention
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 eineThe invention has for its object to develop a capacitive pressure sensor in thick film technology with high sensitivity and Heproduzierbarkeit with low susceptibility to external influences, long-term stability and as uncomplicated construction, with high accuracy and in a wide temperature range · working .... According to the invention, this object is achieved in that a thick film capacitor whose two electrodes are formed as finger structures on an insulating substrate, for example of alumina, beryllia or aluminum nitride and by a
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.Dielectric layer are covered, are arranged opposite a metallic membrane. The capacitance of the area capacitor can be set to a fixed set point in a calibration process. According to the invention, the metallic membrane, which consists for example of a spring or beryllium bronze, spring steel or a magnetic alloy, is not connected as a capacitor electrode and receives no current supply. It is arranged at a predetermined small distance to the area capacitor, this distance is adjusted by a to the capacitor to be printed by Siebdruckverfahren Eahmen of a dielectric "According to the invention can be dispensed with the applied over the area capacitor dielectric layer when the metallic membrane by a known Method applied SiO 2 - or Ta 2 O = - thin film is isolated. In another embodiment of the invention, the ceramic substrate for a Meßbrückenschaltung carries on its side facing away from the membrane a thermally coupled through the substrate comparative capacity, in particular in the form of a screen-applied, the condenser on the membrane side covering same structure. Furthermore, in the plane of the capacitor structure, a temperature-dependent resistor in layer technology for preferentially detecting a temperature-proportional signal for use for a correction or compensation of temperature influence factors can be applied.
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.According to the invention, instead of the aforementioned area capacitor, a correspondingly dimensioned area capacitor in thin-film design can also be used on a glass substrate, which can likewise be adjusted to a desired value.
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.To increase the sensitivity of the pressure sensor against small pressure differences, the deflection of the membrane is enhanced by etching on the surface capacitor side facing an annular trench whose depth does not exceed 50 % of the membrane thickness. Within the trench, the central zone maintains full membrane thickness.
Ausführungsbeispielembodiment
Anhand der Zeichnungen werden einige Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben und deren Wirkungsweise erläutert. Es zeigenWith reference to the drawings, some embodiments of the invention will be described and their operation explained. Show it
Fig. 1: Erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines kapazitiven Drucksensors im SchnittFig. 1: Inventive embodiment of a capacitive pressure sensor in section
Fig. 2: Darstellung der kapazitiven Fingerstruktur Fig· 3: Erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines kapazitiven Drucksensors mit Vergleichskapazität und isolierter MembranFIG. 2: Illustration of the capacitive finger structure FIG. 3: Inventive exemplary embodiment of a capacitive pressure sensor with comparison capacity and insulated membrane
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.The capacitive pressure transducer of FIG. 1 consists of a housing of the housing bottom 1 and the housing cover 2 with the pressure ports 11 for the pressure to be measured P, - and the comparison pressure port 14 for the comparison pressure P 2nd On the housing bottom 1 with the Eondensatoranschlüssen 10, which are provided with pressure-tight glass ducts 15, the insulating substrate plate 5 is glued. According to FIG. 2, this substrate plate contains the finger electrodes 6j 7 in a plane; these are produced as finger structures by screen printing with a commercially available thick-film conductive paste. At the locations where the capacitor terminals 10 are guided through the housing bottom 1, the insulating substrate plate 5 bores, which serve for the via connection to said capacitor terminals 10 by means of conductive adhesive. The finger electrodes 6; 7 are covered with a screen-printed dielectric layer 8 of a thick film paste over the entire surface and then adjusted to a desired value.
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 mitOn the continuous insulation layer is still a Eahmen with the same insulation paste printed as a distance isolation j through which the cavity 9 and the distance membrane / finger structure is set. About this Eahmen 12, the diaphragm 3 is mounted fitting spring bronze, being electrically insulated from the housing bottom 1 by an insulating connection point 4, between the housing bottom 1 and cover 2 is attached. About the pressure port 11, the membrane 3 with
dem zu. messenden Druck P^ beaufschlagt, der Vergleichsdr uek Pp liegt im Hohlraum 9 an· Im Beispiel ist der Vergleichsdruckanschluß 14 eine Bohrung, so daß Atmosphärendruck anliegt und der Überdruck gemessen wird·to that. In the example, the comparison pressure port 14 is a bore, so that atmospheric pressure is applied and the overpressure is measured. In the example, the comparison pressure P p is applied in the cavity 9.
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.According to the pressure difference between the pressure to be measured and the atmospheric pressure, the deflection of the membrane 3 »takes place so that the course of the electric field lines between the pinger electrodes 6; 7 of the applied on the insulating substrate plate 5 surface capacitor changes and thus causes a pressure-proportional capacitance change. The electrical evaluation of the capacitance change takes place in a known manner by switching the area capacitor as a frequency-determining part of an oscillator, which provides a differential pressure to the frequency-analog signal.
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 .FIG. 3 shows the detail of a capacitive pressure transducer, as it is designed as part of a Wheatstone bridge circuit. The structure of the finger electrodes 6; Unlike in Example 1, in this application, the insulation of the membrane is carried out by applying a sputtered SiO 2 layer as membrane insulation 13f, the insulation with respect to the finger electrodes 6j 7 causes. On the back side of the insulating substrate plate 5 is additionally a comparison capacity of the finger electrodes 6 '; 7 * applied, with the measuring capacity of the finger electrodes 6; After applying the comparative capacitance insulating layer 8 * and adhesive mounting on the housing bottom 1, wherein the comparative capacitance rests on the housing bottom 1, the measuring capacitance is adjusted to the value of the comparison capacity by adjusting the function · In this application has the housing bottom 1 four capacitor terminals 10 with glass feedthroughs 15 of the same kind as in Example 1, in addition two for the comparison capacity. Pressure proportional output signal in this example is the bridge voltage.
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.The embodiment of the pressure sensor corresponds to that in Example 1 or Example 2. To achieve a higher accuracy is additionally in the measuring capacity of the finger electrodes 6; 7 a temperature-dependent PTC thermistor integrated in thick film technology, which has a TK in the range of about 2500 ppm and has a linear characteristic curve. Via two additional connections analogous to 10 in the housing bottom T (Fig. 1), the output signal is placed in a compensation circuit which compensates for the temperature-dependent portion of the pressure.
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.In one embodiment of the pressure sensor according to Example 1, the membrane made of spring bronze is provided by photolithographic means with an annular hat having a depth of up to 50 % of the membrane thickness. In this way one achieves a greater sensitivity of the membrane to small pressure differences, d. The deflection of the central membrane area increases with the same applied pressure difference.
Claims (7)
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DD26668484A DD228350A1 (en) | 1984-08-28 | 1984-08-28 | CAPACITIVE PRESSURE SENSOR IN THICK-LAYER TECHNOLOGY |
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- 1984-08-28 DD DD26668484A patent/DD228350A1/en not_active IP Right Cessation
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