DE10100321A1

DE10100321A1 - Kapazitive Druckmessung mit beweglichem Dielektrikum

Info

Publication number: DE10100321A1
Application number: DE10100321A
Authority: DE
Inventors: Roger L Frick; Charles R Willcox
Original assignee: Rosemount Inc
Current assignee: Rosemount Inc
Priority date: 2000-01-06
Filing date: 2001-01-05
Publication date: 2001-07-12
Anticipated expiration: 2021-01-06
Also published as: US6505516B1; GB0100038D0; JP2001242027A; JP4851011B2; GB2362716B; GB2362716A; DE10100321B4

Abstract

Drucksensor mit einer Membran, der einen dielektrischen Abschnitt aufweist, der sich in einem Hohlraum in der Nähe von Kondensatorplatten bewegt, die relativ zu einem Montagerahmen fixiert sind. Die Membran liegt auf dem Rahmen auf, und der Rahmen umgibt den Hohlraum. Die Membran weist eine druckaufnehmende Außenfläche und eine dem Hohlraum zugewandte Innenfläche auf. Die Kondensatorplatten, die fixiert sind, erfassen die Bewegung des in der Nähe angeordneten dielektrischen Abschnitts und erzeugen ein elektrisches Ausgangssignal, das den Druck darstellt. Das Kriechen von Metallbelägen auf einer flexiblen Membran wird vermieden. Die Fertigung wird vereinfacht, da die Metallbeschichtung der Membran vermieden wird.

Description

Kapazitive Drucksensoren werden bei anspruchsvollen An wendungen eingesetzt, wie z. B. industriellen Meßwandlern bzw. Transmittern und Raumsonden. Sensorkörper werden aus gestapel ten Schichten aus dielektrischem Material mit geringer Hyste rese geformt, wie z. B. Saphir, Silizium oder Keramik. Minde stens eine Schicht in dem Stapel weist einen dünner ausgeführ ten Membranbereich auf, der durch den Druck durchgebogen wird. Auf den Membranbereich werden eine Metallkondensatorplatte und eine gegenüberliegende Trägerplatte aufgebracht, um einen Kon densator zu bilden. Die Metallkondensatorplatte auf der Mem bran kann Probleme Verursachen, da das Metall bei der Durch biegung der Membran kriecht, was zu Hysteresefehlern beim ge messenen Druck führt. Das Aufbringen der Kondensatorplatte auf die Membran und das Anbringen einer Zuleitung an der Kondensa torplatte sind Fertigungsverfahren, deren Ausführung und Steuerung in der Massenproduktion kostenaufwendig sein kann.

Das Problem mit Hysteresefehlern wegen der Gegenwart von Metall auf dem sich durchbiegenden, hysteresearmen Mem branmaterial erlangt eine zunehmende Bedeutung, wenn andere Fehlerquellen von Drucksensoren durch Verwendung von verbes serten Membranmaterialien, verbessertes Bonden, wie z. B. Di rektbonden, und verbesserte Spannungsisolierung bei der Monta ge von Sensoren und elektrischen Zuleitungen korrigiert wer den.

Es wird eine Technologie benötigt, welche die Probleme beim Aufbringen von Metall auf Membranen und das Kriechen oder die Hysterese in Metallen auf sich durchbiegenden Membranen in Drucksensoren bei anspruchsvollen Anwendungen vermeidet.

Diese Aufgabe soll mit der Erfindung gelöst werden.

Ein Drucksensor weist eine Membran bzw. ein Diaphragma mit einem dielektrischen Abschnitt auf, der sich in einem Hohlraum in der Nähe von Kondensatorplatten bewegt, die in Be zug auf einen Montagerahmen fixiert werden können.

Die Membran liegt auf dem Rahmen auf, und der Rahmen umgibt den Hohlraum. Die Membran weist eine Außenfläche, die Druck aufnimmt, und eine dem Hohlraum zugewandte Innenfläche auf. Die Innenfläche trägt einen dielektrischen Abschnitt, der durch den Druck gegenüber dem Rahmen beweglich ist.

Die Kondensatorplatten befinden sich nicht auf der sich durchbiegenden Membran, sondern sind beide fixiert. Die Kon densatorplatten erfassen eine Bewegung des nahegelegenen die lektrischen Abschnitts der sich durchbiegenden Membran und er zeugen ein elektrisches Ausgangssignal, das den Druck dar stellt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung nä her erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Umgebung für einen Druckmeßwandler bzw. Transmitter;

Fig. 2 eine Ausführungsform eines Druckmeßwandlers bzw. Transmitters;

Fig. 3-7 verschiedene Ansichten einer Ausführungsform eines kapazitiven Drucksensors mit beweglichem Dielektrikum;

Fig. 8 ein Verfahren zur Herstellung eines kapazitiven Drucksensors mit beweglichem Dielektrikum;

Fig. 9 einen Teilschnitt eines Druckmeßwandlers mit ka pazitiven Sensoren mit beweglichem Dielektrikum;

Fig. 10 einen kapazitiven Drucksensor mit beweglichem Dielektrikum, der in einer Isolatoreinheit angeordnet ist;

Fig. 11-13 Anordnungen von Kondensatorplatten und be weglichen Dielektrika in einem kapazitiven Drucksensor;

Fig. 14 einen kapazitiven Drucksensor mit beweglichem Dielektrikum und einer Abschirmungsanordnung;

Fig. 15-16 eine ineinandergreifende Elektrodenanord nung bzw. Fingerelektrodenanordnung für einen kapazitiven Drucksensor mit beweglichem Dielektrikum;

Fig. 17-18 eine Abschirmungsanordnung für ineinander greifende Elektroden; und

Fig. 20 eine Umgebung für eine Raumsonde.

In Fig. 1 ist eine typische Umgebung 20 für einen indu striellen Drucksensor dargestellt. Prozeßgrößenmeßwandler, wie z. B. ein Strömungsmesser 22 in einer Prozeßfluidleitung 23, Druckgeber 24, 26, 36 in der Nähe des Behälters 28 und ein in tegrierter Blendenströmungsmesser 30 in der Prozeßleitung 31 sind in elektrischer Verbindung mit einem Steuerungssystem 32 dargestellt. Das Steuerungssystem 32 steuert den Strom zum Druckmeßwandler 38, der das Steuerventil 40 steuert.

Prozeßgrößenmeßwandler bzw. Transmitter können so kon figuriert werden, daß sie eine oder mehrere Prozeßgrößen über wachen, die mit Prozeßanlagenfluiden verbunden sind, wie z. B. Aufschlämmungen, Flüssigkeiten, Dämpfen und Gasen in Verarbei tungsanlagen für Chemikalien, Zellstoff, Erdöl, Gas, Pharma zeutika, Nahrungsmittel und andere Fluide. Die überwachten Prozeßgrößen können Druck, Temperatur, Durchflußmenge, Füll stand, pH-Wert, Leitfähigkeit, Trübung, Dichte, Konzentration, chemische Zusammensetzung oder andere Eigenschaften von Flui den sein. Ein Prozeßgrößenmeßwandler weist einen oder mehrere Sensoren auf, die entweder innerhalb oder außerhalb des Meß wandlers angeordnet sein können, in Abhängigkeit von Installa tionserfordernissen der Verarbeitungsanlage.

Prozeßgrößenmeßwandler erzeugen ein oder mehrere Meß wandlerausgangssignale, welche die gemessene Prozeßgröße dar stellen. Meßwandlerausgangssignale sind für eine Übertragung über weite Entfernungen über Kommunikationsbusse 34 zu einer Steuereinrichtung 32 oder einer Anzeige konfiguriert. In typi schen Fluidverarbeitungsanlagen kann ein Kommunikationsbus 34 eine auf 4-20 mA ausgelegte Stromschleife, die den Meßwandler speist, oder eine Feldbusverbindung, eine HART-Protokoll- Verbindung oder eine Lichtwellenleiterverbindung zu einer Steuereinrichtung, einem Steuerungssystem oder einer Sichtan zeige sein. Bei Meßwandlern, die durch eine Zweidrahtschleife gespeist werden, wird die Leistung niedrig gehalten, um für Eigensicherheit in explosiven Atmosphären zu sorgen.

Fig. 2 zeigt eine auseinandergezogene Darstellung eines Beispiels eines Druckmeßwandlers 50. Der Meßwandler 50 weist eine Flansch 52 zur Aufnahme eines Differenzdrucks sowie einen Sensormodul 54 mit zwei Absolutdrucksensoren (nicht darge stellt) auf. Der Sensormodul 54 ist mit einem Gehäuse 55 ge koppelt, das elektronische Meßwandlerschaltungen 56 aufweist. Der Meßwandler 50 ist an einen Flanschadapter 58 angeschraubt. Der Flanschadapter 58 ist mit Impulsleitungen verbunden, die mit Flanschadapterstutzen 60 oder anderen Verbindungsstücken verbunden sind. Jeder Absolutdrucksensor in dem Sensormodul 54 kann einen beweglichen dielektrischen Abschnitt aufweisen, wie weiter unten erläutert.

In den Fig. 3, 4 und 5 sind eine perspektivische An sicht und eine Schnittansicht eines Drucksensors 100 darge stellt. Der Drucksensor 100 weist einen Körper auf, der aus zwei Schichten 102, 104 aus Material mit geringer mechanischer Hysterese besteht. Die Schichten 102, 104 bestehen vorzugswei se aus Saphir, aber für weniger anspruchsvolle Anwendungen können auch Silizium, Keramik oder Glas verwendet werden. Die Schicht 102 ist an einem äußeren Rand oder Rahmen 106, der ei nen Hohlraum 108 umgibt, mit der Schicht 104 verbunden. Der Rahmen 106 weist einen ersten Rahmenabschnitt 110 auf der Schicht 102 und einen zweiten Rahmenabschnitt 112 auf der Schicht 104 auf. Alternativ kann der Rahmen 106 aus nur einer der Schichten geformt werden, oder der Sensor 100 kann aus drei Schichten bestehen, wobei die mittlere Schicht den Rahmen bildet.

Die Schicht 104 weist einen verdünnten Bereich oder ei ne Membran 114 auf, die an ihrer Umfangskante auf dem Rahmen 106 aufliegt. Die Membran 114 weist eine Außenfläche 116, die den Druck aufnimmt, und eine dem Hohlraum 108 zugewandte In nenfläche 118 auf.

Die Innenfläche 118 trägt einen dielektrischen Ab schnitt 120. Der dielektrische Abschnitt 120 bewegt sich zu sammen mit der Membran 114 gegenüber dem Rahmen 106, wenn der Druck die Membran 114 auslenkt bzw. durchbiegt.

Die Kondensatorplatten 122, 124 sind auf einer Oberflä che der Schicht 104 im Hohlraum 108 in der Nähe des bewegli chen dielektrischen Abschnitts 120 relativ zum Rahmen 106 fi xiert. Die Kondensatorplatten 122, 124 erfassen die Bewegung des nahegelegenen dielektrischen Abschnitts 120 und erzeugen ein elektrisches Ausgangssignal, das den Druck darstellt. Das elektrische Ausgangssignal ist eine Kapazität, die in Abhän gigkeit vom Druck variiert. Die erste Kondensatorplatte 122 ist durch einen Zwischenraum 126 im Hohlraum 108 von der zwei ten Kondensatorplatte 124 getrennt. Der bewegliche dielektrische Abschnitt 120 bewegt sich durch den Zwischenraum 126 und variiert das elektrische Ausgangssignal.

In der in den Fig. 3-5 dargestellten Anordnung über schneidet sich der Zwischenraum 126 in dem Hohlraum 108 nicht mit einer Gerader 128 zwischen der ersten und der zweiten Kon densatorplatte 122, 124. Es zeigt sich, daß ein ausreichendes elektrisches Feld vorhanden ist, das in Randnähe der Kondensa torplatten streut und die Bewegung von dielektrischem Material in der Nähe der Elektroden erfaßt, auch wenn das Dielektrikum nicht durch eine gerade Linie zwischen den Kondensatorplatten bewegt wird. Als Alternative kann sich der Zwischenraum im Hohlraum 108 mit einer Geraden zwischen den ersten und zweiten Kondensatorplatten schneiden, wenn sich die Kondensatorplatten über die Montagefläche erheben und der dielektrische Abschnitt sich direkt zwischen den Platten bewegt, wie weiter unten in Verbindung mit Fig. 12 erläutert wird.

In den Fig. 3-5 sind der bewegliche dielektrische Abschnitt 120 und die Membran 114 frei von metallischen Lei terbelägen bzw. Metallisierungen. Es gibt daher kein Problem mit der Hysterese oder dem Kriechen von Metall, wenn die Mem bran unter veränderlichem Druck durchfedert oder sich durch biegt. Vorzugsweise ist der bewegliche dielektrische Abschnitt 120 ein integrierter Bestandteil der Membran 114, wodurch das Kriechen vermieden wird, das sonst auftreten könnte, wenn Bin demittel bzw. Bondingmaterial zwischen dem dielektrischen Ab schnitt 120 und der Membran 114 vorhanden wären. Die Kondensa torplatten 122, 124 sind auf einer dickeren Trägerfläche fi xiert, die sich nicht wesentlich durchbiegt.

Der Drucksensor 100 wird vorzugsweise direkt gebondet, evakuiert und abgedichtet, so daß in dem Hohlraum 108 ein Hochvakuum besteht. Über einem Durchführungsschlitz 128 für die Zuleitungen wird eine Dichtung 127 angebracht, und die Dichtung 127 hält das Hochvakuum. Die Dichtung 127 besteht vorzugsweise aus einer Glasfritte, z. B. einem Gemisch aus feinverteiltem Glasstaub und Ethylcellulose. Nach dem Aufbrin gen der Glasfritte über dem Durchführungsschlitz wird die Glasfritte erhitzt, um die Ethylcellulose auszutreiben und den Glasstaub zur Ausbildung einer Glasdichtung zu schmelzen. Alternativ kann jede Zuleitung durch einen separaten Durchfüh rungsschlitz herausgeführt werden, und jeder Durchführungs schlitz kann mit einem elektrisch leitenden Lot oder einer hartgelöteten Dichtung abgedichtet werden.

Der Rahmen 106 ist langgestreckt und weist ein erstes Ende 130 mit der druckbeaufschlagten Membran und ein zweites Ende 132 auf, das dem ersten Ende gegenüberliegt und elektri sche Anschlüsse 134 für die Kondensatorplatten 122, 124 auf weist.

Eine Mesainsel 136 bietet eine vergrößerte Auflage in einem Montagebereich zwischen dem ersten und dem zweiten Ende 130, 132. Der Montagebereich des Sensors 100 bildet eine Stel le für eine abgedichtete Barriere zwischen dem Prozeßfluid und den elektrischen Anschlüssen, wie in den Fig. 9-10 darge stellt.

Der in den Fig. 3-5 dargestellte Drucksensor 100 ist als Träger oder langgestreckter Rahmen erkennbar, der um den Mittelkanal oder Hohlraum 108 herum ausgebildet ist. Der Drucksensor weist eine Auflagefläche 140 im Mittelkanal auf. Der Träger schließt eine Membran 114 mit einer äußeren Mem branfläche 116 und einer aus Dielektrikum bestehenden inneren Membranfläche 118, 120 ein. Die innere Membranfläche 120 ist von der Auflagefläche 140 im Mittelkanal beabstandet. Das Die lektrikum 120 ist relativ zur Auflagefläche 140 durch Druck beweglich. Die Kondensatorplatten 122, 124 sind auf der Aufla gefläche 118 in der Nähe des beweglichen Dielektrikums 120 fi xiert und liefern an den Zuleitungen 134 ein elektrisches Aus gangssignal, das den Druck darstellt.

Die Fig. 6-7 zeigen vergrößerte Ansichten der Schichten 102, 104, wobei die gleichen Bezugszeichen wie in den Fig. 3-5 verwendet werden. Wie in Fig. 6 dargestellt, kann der Sensor 100 auch ein Temperatursensorelement 135 auf weisen, das mit einer Meßwandlerschaltung verbunden werden kann, um für einen besseren Temperaturausgleich zu sorgen. Das Temperaturmeßelement 135 kann, wie dargestellt, ein Platin- Dünnschichtwiderstandsthermometer (PRT) sein, oder es kann ein anderer bekannter Temperatursensortyp verwendet werden. Wie in Fig. 7 dargestellt, weist die Schicht 104 eine Membran 114 auf, die frei von Metallbelägen ist. Bei einer Durchbiegung der Membran 114 tritt kein Fehler infolge des Kriechens von Metallbelägen bzw. Metallisierungen der Membran auf.

Der Sensor 100 wird nach einem bevorzugten Verfahren hergestellt, das in Fig. 8 durch schematische Schnittansichten dargestellt ist. Zunächst werden die Schichten 102, 104 ge formt, um die Komponenten eines Trägers auszubilden, wie bei 150 dargestellt. Die Formgebung erfolgt typischerweise unter Anwendung des selektiven chemischen Ätzens von ebenen Schich ten mit Hilfe von Maskierungsverfahren, die bei Fertigungspro zessen für Mikrostrukturen gebräuchlich sind. Paßflächen 152, 154 werden so fertigbearbeitet, daß sie für das Direktbonden optisch eben sind. Als nächstes werden Meßschichten 122, 124 auf die Schicht 102 aufgebracht, wie bei 156 dargestellt. Dann werden die geformten Schichten in direktem Kontakt miteinander übereinandergestapelt, um den Träger 138 zu bilden, der die Kondensatorplatten 122, 124 auf einer Auflagefläche 140 mit einem Zwischenraum 126 zwischen ihnen und einem dielektrischen Abschnitt 120 aufweist, der sich in dem Zwischenraum 126 in der Nähe der Kondensatorplatten durchbiegen kann, wie bei 158 dargestellt. Der Träger 138 wird dann erhitzt, während die Schichten sich an den optisch ebenen, äußerst sauberen Flächen in direktem Kontakt miteinander befinden. Beim Direktbonden werden keine Bindemittel verwendet, und in bestimmten Fällen ist die Verbindung ohne Erhitzen ausreichend.

Der Kanal wird durch Ausbildung einer Glasfrittendich tung 127 in dem Spalt um die Zuleitungen herum abgedichtet, wie bei 160 dargestellt. Der Kanal wird vorzugsweise mit einem Vakuum darin abgedichtet, um den Sensor zu einem Absolutdruck sensor zu machen.

In Fig. 9 ist der Drucksensormodul 180 dargestellt, der dem in Fig. 2 dargestellten Modul 54 entspricht. Die Einheit 180 weist zwei Sensoren 182, 184 auf, wie in den Fig. 3-7 dargestellt. In Fig. 9 weist ein Isolierbecher 198 eine Öff nung 199 auf, die an einer Außenfläche des Trägers zwischen dem geschlossenen Ende und dem gegenüberliegenden, isolierten Ende abgedichtet ist. Die Sensoren 182, 184 sind mit einer Leiterplatte 200 verdrahtet, die ihrerseits über eine abgedichtete Durchführung 201 mit einer zweiten Leiterplatte 202 verdrahtet ist.

In Fig. 10 ist ein Sensormodul 210 dargestellt, der ei ne Isolier- bzw. Trennmembran 212 aufweist, deren Rand 214 an einem Isolierbecher 216 abgedichtet ist. Die Trennmembran 212 trennt ein Prozeßfluid 218 von einem Isolier- bzw. Trennfluid 220, das in dem durch den Isolierbecher 216 und die Trennmem bran 212 umschlossenen Raum eingeschlossen ist. Der Sensor 222 ist so aufgebaut, wie in den Fig. 3-7 dargestellt, und wird an einer Öffnung 224 in dem Isolierbecher 216 abgedich tet. Die Trennmembran 212 und das Trennfluid 220 koppeln Druck an den Sensor 222 an, während sie den Sensor von dem Prozeß fluid 218 trennen. Am Isolierbecher 216 wird der Sensor 222 durch die abgedichtete Öffnung 224 durchgeführt, und der Be cher trennt die elektrischen Anschlüsse 226 am Sensor 222 so wohl von dem unter Druck stehenden Prozeßfluid 218 als auch von dem unter Druck stehenden Trennfluid 220. Der Isolierbe cher kann eine Rückwand 228 mit einem Wärmeausdehnungskoeffi zienten aufweisen, der genau an den Wärmeausdehnungskoeffizi enten des Sensors 222 angepaßt ist. Ein Materialblock 230 kann in den Isolierbecher 216 eingepreßt werden, wobei das Material 230 einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der den Wär meausdehnungskoeffizienten des Trennfluids 220 teilweise kom pensiert, um eine unerwünschte Bewegung der Trennmembran 212 aufgrund von Temperaturänderungen zu begrenzen. Zwischen dem Block 230 und dem Sensor 222 ist ein kleiner, mit Trennfluid 220 gefüllter Spalt vorgesehen.

In den Fig. 11-13 sind alternative Ausführungsfor men der fixierten Kondensatorplatten und des beweglichen Die lektrikums dargestellt. In Fig. 11 bewegt sich ein flacher dielektrischer Abschnitt 252, der eine Membran ist, in einem Raum 252, der nicht direkt zwischen den Kondensatorplatten 254, 256 liegt, sondern etwas oberhalb der Kondensatorplatten in einem Bereich mit elektrischem Streufeld von den Kondensa torplatten.

In Fig. 12 bewegt sich ein dielektrischer Abschnitt 258 in einem Raum 260, der auf einer direkten Linie zwischen den Kondensatorplatten 262, 264 liegt.

In Fig. 13 bewegt sich ein dielektrischer Abschnitt in einem Raum 282, der nicht auf einer direkten Linie zwischen den Kondensatorplatten 284, 286 liegt

In Fig. 14 sind die Kondensatorplatten 266, 268 gegen Streukopplung über eine Trägerplatte 270 durch Abschirmungs- oder Schirmelektroden 272, 274 abgeschirmt. Die Schirmelektro den 272, 274 werden durch Puffer bzw. Trennstufen bei 276, 278 mit dem Verstärkungsfaktor 1 angesteuert.

In den Fig. 15-16 ist eine Ausführungsform mit be weglichem Dielektrikum 290 und ineinandergreifenden bzw. fin gerförmigen oder "interdigitierten" Kondensatorplatten 292, 294 auf einer Auflagefläche 296 dargestellt. Die ineinander greifende Anordnung für die Kondensatorplatten ergibt eine hö here Kapazität in einem kompakteren Raum in der Nähe einer Membran. Der Begriff "ineinandergreifend" bzw. "interdigi tiert", wie er in dieser Patentanmeldung gebraucht wird, be deutet, daß die Kondensatorplatten nicht einfache rechteckige oder runde Platten sind, sondern eine komplexe Geometrie auf weisen, die bei einer kleinen wirksamen Oberfläche einen sehr langen Spalt zwischen den Platten bildet. Ineinandergreifende oder interdigitierte Kondensatorplatten können Anordnungen wie die dargestellten aufweisen, wo abwechselnde Mehrfachfinger an jeder Platte vorhanden sind, und auch serpentinenförmige bzw. sich schlängelnde Platten einschließen, die nebeneinander zickzackförmig gestaltet sind, um für einen sehr langen Spalt in einem kleinen Raum zu sorgen. Kombinationen von Fingern und serpentinenförmigen Wegen werden gleichfalls erwogen.

In den Fig. 17-18 ist eine Ausführungsform mit be weglichem Dielektrikum 300, ineinandergreifenden fixierten Kondensatorplatten 302, 304 auf einer Trägerplatte 306 und elektrischen Abschirmungsleitern 308, 310 dargestellt, die durch Puffer bzw. Trennstufen 312, 314 mit dem Verstärkungs faktor 1 angesteuert werden. Diese Anordnung liefert eine hohe Kapazität in einem kompakten Raum für einen Drucksensor mit verbessertem Empfindlichkeitsfaktor (ΔC/C₀) aufgrund der redu zierten effektiven Streukapazität. Das Verhältnis von ΔC, der Kapazitätsänderung zwischen minimalem und maximalem Druck, zu C₀, der Ruhekapazität, ist höher, weil C₀ wegen der durch die Puffer 312, 314 aktiv angesteuerten elektrischen Abschirmungs leiter 308, 310 kleiner ist. Die Abschirmungsleiter 308, 310 werden durch die Puffer dynamisch auf im wesentlichen dem gleichen Potential gehalten wie eine benachbarte Kondensator platte.

Abschirmungen oder Abschirmelektroden, die geerdet sind, können in zu den Kondensatorplatten peripheren Bereichen gleichfalls vorgesehen werden, um die Rauschankopplung zu den Kondensatorplatten zu vermindern.

Fig. 19 zeigt eine maßgerechte Anordnung von Kondensa torplatten und einem dazwischen eingefügten Dielektrikum. Die Kapazität von beabstandeten Elektroden als Funktion der Ver schiebung (t) der dielektrischen Membran und unter Vernachläs sigung von parasitären bzw. Störeffekten ist durch die folgen de Gleichung gegeben.

mit:
ε₀ = Dielektrizitätskonstante des Vakuums;
W = Länge der einander zugewandten Flächen der Elektro den 22A und 22B;
T = Höhe der Elektroden 22A und 22B;
t = Anteil der Höhe des Vorsprungs 38, der entlang gera den Höhenlinien zwischen den Elektroden 22A und 22B verläuft;
K = relative Dielektrizitätskonstante des Materials, das den dielektrischen Vorsprung 38 bildet;
S = Breite des Vorsprungs 38 zwischen den Elektroden 22A und 22B;
d = Breite, die durch Subtrahieren der Breite 5 von der durch den Pfeil 51 angezeigten Breite zwischen ein ander zugewandten Flächen der Elektroden 22A und 22B berechnet wird.

Der Kapazitätsbereich zwischen den Elektroden, die auch als Kondensatorplatten bezeichnet werden, ist:

ΔC = C(t) - C(0) Gl. 2

Durch Kombination von Gl. 1 und Gl. 2 erhält man:

Die Anordnung hat viele Vorteile gegenüber herkömmli chen kapazitiven Sensoren mit beweglichen Platten. Die Anord nung mit beweglichem Dielektrikum kann im Vergleich zur her kömmlichen Anordnung Verstärkungsfaktoren von 5 oder mehr auf weisen. Für eine vergleichbare Kapazitätsänderung wird eine geringere Durchbiegung benötigt. Außerdem kann ein Material mit höherer Dielektrizitätskonstante für den beweglichen die lektrischen Abschnitt verwendet werden, und als Träger der Kondensatorplatten kann ein Material mit niedrigerer Dielek trizitätskonstante benutzt werden, um die Streukapazität zu verringern. Die Beziehung zwischen Druck und Kapazitätsände rung ist bei dem beweglichen Dielektrikum stärker linear, wo durch die Anforderungen an eine elektronische Kompensation oder Linearisierung vermindert werden. Die Anordnung liefert einen inhärenten Überdruckschutz, und es besteht keine Gefahr einer Überbrückung der Kondensatorplatten durch Kurzschluß im Überdruckzustand oder des Übergangs zu einem extrem hohen Ka pazitätswert im Überdruckzustand. Die Herstellung ist einfach, da die Metallisierung der Kondensatorplatten nur auf einer Schicht zu erfolgen braucht und die Membran von Metallbelägen frei bleibt.

Fig. 20 zeigt eine Drucksensoranordnung 62 für eine Turbinentriebwerksanordnung 64. Das Turbinentriebwerk weist Turbinenschaufeln auf, wie z. B. die Schaufel 66, die in einem Turbinengehäuse 68 rotiert. In dem Turbinengehäuse 68 ist eine Bohrung 70 zur Messung des Drucks in dem Turbinentriebwerk an gebracht. Die Drucksensoranordnung 62 ist durch einen Sockel 72 von dem Turbinengehäuse 68 beabstandet. Der Sockel 72 hält die Drucksensoranordnung 62 auf Abstand vom Turbinengehäuse, um die Drucksensoranordnung 62 in eine Umgebung mit niedrigerer Temperatur zu bringen. Ein Kanal 74 durch den Sockel 72 koppelt die unter Druck stehenden Gase innerhalb des Turbinen gehäuses mit der Drucksensoranordnung 62. In der Drucksen soranordnung 62 ist ein Drucksensor 74 enthalten. Der Druck sensor 74 weist ein bewegliches Dielektrikum auf. Der Druck sensor 74 weist außerdem isolierte Sensorzuleitungen 78 auf, die durch einen abgedichteten Spalt 80 im Träger hindurchgehen und durch Zuleitungen 82 mit elektronischen Umwandlungsschal tungen (nicht dargestellt) verbunden sind.

Die vorliegende Erfindung ist zwar anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben worden, aber der Fachmann wird erkennen, daß Änderungen in Form und Detail vorgenommen werden können, ohne vom Grundgedanken und vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.

Claims

1. Drucksensor, der aufweist:
einen Rahmen, der einen Hohlraum umgibt;
eine von dem Rahmen gestützte. Membran mit einer druck aufnehmenden Außenfläche und einer dem Hohlraum zugewandten Innenfläche;
einen auf der Innenfläche getragenen dielektrischen Ab schnitt, wobei der dielektrische Abschnitt durch den Druck ge genüber dem Rahmen beweglich ist; und
Kondensatorplatten, die relativ zu dem Rahmen in dem Hohlraum in der Nähe des dielektrischen Abschnitt fixiert sind, wobei die Kondensatorplatten die Bewegung des in der Nä he befindlichen dielektrischen Abschnitts erfassen und ein elektrisches Ausgangssignal erzeugen, das den Druck darstellt.

2. Drucksensor nach Anspruch 1, wobei die Kondensator platten eine erste Kondensatorplatte aufweisen, die in dem Hohlraum durch einen Zwischenraum von einer zweiten Kondensa torplatte getrennt ist, wobei der bewegliche dielektrische Ab schnitt durch den Zwischenraum beweglich ist, um das elektri sche Ausgangssignal zu verändern.

3. Drucksensor nach Anspruch 2, wobei sich der Zwi schenraum in dem Hohlraum mit einer Geraden zwischen der er sten und der zweiten Kondensatorplatte schneidet.

4. Drucksensor nach Anspruch 2, wobei sich der Zwi schenraum in dem Hohlraum nicht mit einer Geraden zwischen der ersten und der zweiten Kondensatorplatte schneidet.

5. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das bewegliche Dielektrikum frei von elektrischen Leitern ist.

6. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Hohlraum evakuiert und abgedichtet ist.

7. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Rahmen langgestreckt ist und ein erstes Ende, das die Mem bran einschließt, sowie ein dem ersten Ende gegenüberliegendes zweites Ende aufweist, das von dem Überdruckzustand getrennt bzw. isoliert ist und elektrische Anschlüsse für die Kondensa torplatten aufweist.

8. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Kondensatorplatten ineinandergreifen.

9. Drucksensor nach Anspruch 8, der ferner eine Träger platte aufweist, auf der die Kondensatorplatten angeordnet sind, und der auf der Trägerplatte angeordnete Abschirmelek troden aufweist.

10. Drucksensor nach Anspruch 9, der ferner Puffer mit dem Verstärkungsfaktor 1 aufweist, die mit den Abschirmelek troden gekoppelt sind.

11. Drucksensor, der aufweist:
einen Träger, der um einen Mittelkanal herum ausgebil det ist und eine Auflagefläche im Mittelkanal aufweist, wobei der Täger eine Membran mit einer druckaufnehmenden Membranau ßenfläche und einer aus Dielektrikum bestehenden Membraninnen fläche aufweist, die von der Auflagefläche im Mittelkanal be abstandet ist, wobei das Dielektrikum durch den Druck gegen über der Auflagefläche beweglich ist; und
Kondensatorplatten, die auf der Auflagefläche in der Nähe des beweglichen Dielektrikums fixiert sind, wobei die Kondensatorplatten die Bewegung des in der Nähe befindlichen Dielektrikums erfassen und ein elektrisches Ausgangssignal liefern, das den Druck darstellt.

12. Drucksensor nach Anspruch 11, wobei die Kondensa torplatten eine erste Kondensatorplatte aufweisen, die durch einen Zwischenraum im Mittelkanal von einer zweiten Kondensa torplatte getrennt ist, wobei der bewegliche dielektrische Ab schnitt durch den Zwischenraum beweglich ist, um das elektri sche Ausgangssignal zu verändern.

13. Drucksensor nach Anspruch 12, wobei sich der Zwi schenraum in dem Mittelkanal mit einer Geraden zwischen der ersten und der zweiten Kondensatorplatte schneidet.

14. Drucksensor nach Anspruch 12, wobei sich der Zwi schenraum in dem Mittelkanal nicht mit einer Geraden zwischen der ersten und der zweiten Kondensatorplatte schneidet.

15. Drucksensor nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wo bei das bewegliche Dielektrikum frei von elektrischen Leitern ist.

16. Drucksensor nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wo bei der Mittelkanal evakuiert und abgedichtet ist.

17. Drucksensor nach einem der Ansprüche 11 bis 16, wo bei der Rahmen langgestreckt ist und ein erstes Ende, das die Membran einschließt, sowie ein dem ersten Ende gegenüberlie gendes zweites Ende aufweist, das von dem Überdruckzustand ge trennt bzw. isoliert ist und elektrische Anschlüsse für die Kondensatorplatten aufweist.

18. Drucksensor nach einem der Ansprüche 11 bis 17, wo bei die Kondensatorplatten ineinandergreifen.

19. Drucksensor nach einem der Ansprüche 11 bis 18, der ferner auf der Auflagefläche angeordnete Abschirmelektroden aufweist.

20. Drucksensor nach Anspruch 19, der ferner Puffer mit dem Verstärkungsfaktor 1 aufweist, die mit den Abschirmelek troden gekoppelt sind.

21. Drucksensor, der aufweist:
einen Rahmen, der einen Hohlraum umgibt;
eine auf dem Rahmen aufliegende Membran mit einer druckaufnehmenden Außenfläche und einer dem Hohlraum zugewand ten Innenfläche;
einen auf der Innenfläche getragenen dielektrischen Ab schnitt, wobei der dielektrische Abschnitt durch den Druck ge genüber dem Rahmen beweglich ist; und
eine Einrichtung zum Abtasten der Bewegung des dielek trischen Abschnitts, die Kondensatorplatten aufweist, die rel tiv zum Rahmen in dem Hohlraum in der Nähe des beweglichen dielektrischen Abschnitts fixiert sind, wobei die Kondensator platten ein elektrisches Ausgangssignal erzeugen, das den Druck darstellt.

22. Drucksensor, der aufweist:
einen Träger, der um einen Mittelkanal herum ausgebil det ist und eine Auflagefläche im Mittelkanal aufweist, wobei der Täger eine Membran mit einer druckaufnehmenden Membranau ßenfläche und einer aus Dielektrikum bestehenden Membraninnenfläche aufweist, die von der Auflagefläche im Mittelkanal be abstandet ist, wobei das Dielektrikum durch den Druck gegen über der Auflagefläche beweglich ist; und
eine Einrichtung zum Abtasten der Bewegung des Dielek trikums, die Kondensatorplatten aufweist, die auf der Auflage fläche in der Nähe des beweglichen Dielektrikums fixiert sind, wobei die Kondensatorplatten ein elektrisches Ausgangssignal liefern, das den Druck darstellt.