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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen eines Druckunterschiedes,
wobei die Vorrichtung eine Membran aufweist, welche bei Anlegen unterschiedlicher
Drücke
an verschiedene Seiten der Membran eine Verbiegung ausführt. Die
Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Erfassen eines Druckunterschiedes.
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Stand der Technik
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Sensoren
zum Erfassen eines Druckes werden in unterschiedlichsten Anwendungsgebieten
eingesetzt. Hierunter fallen zum Beispiel der Bereich des Maschinenbaus,
der Prozessmesstechnik, der Kfz-Technik und der Medizintechnik.
Eine Herausforderung stellt hierbei das Erfassen von Differenzdrücken dar,
d. h. eines Unterschiedes zwischen den herrschenden Drücken in
zwei voneinander getrennten Räumen
oder Medien. In der Prozessautomation wird beispielsweise der Differenzdruck
von Prozessmedien gemessen, die als Flüssigkeiten, Gase oder Dämpfe vorliegen
können.
Ein Beispiel aus dem Fahrzeugbereich ist das Bestimmen des Unterschiedes
des Abgasdruckes vor und hinter einem Partikelfilter, wodurch sich
die Belegung des Filters ermitteln lässt.
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Zur
Messung des Druckunterschiedes an Partikelfiltern werden typischerweise
piezoresistive Sensorelemente eingesetzt, welche eine Membran mit
auf der Membran angeordneten piezoresistiven Widerstandselementen
aufweisen. Durch Beaufschlagen der Membran mit einem Druck wird
die Membran ausgelenkt, wodurch sich die Länge und damit der elektrische
Widerstand der Widerstandselemente ändert. Auf der Grundlage einer
Widerstandsmessung kann daher auf den angelegten Druck zurückge schlossen
werden. Zum Erfassen des Differenzdrucks werden üblicherweise zwei separate
piezoresistive Drucksensoren verwendet, welche die zugehörigen Drücke vor
und hinter dem Partikelfilter absolut messen. Der Differenzdruck
wird elektronisch durch Subtraktion der gewonnenen Messwerte bestimmt.
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Ein
derartiges Erfassen eines Druckunterschiedes mithilfe von zwei piezoresistiven
Drucksensoren kann mit einer relativ großen Ungenauigkeit verbunden
sein. Ursache hierfür
ist eine zu geringe Messgenauigkeit eines einzelnen Sensors, so
dass bei Vorliegen von großen
Druckbereichen bzw. hohen Absolutdrücken und einem kleinen Druckunterschied
(bezogen auf den Messbereich eines Absolutdrucksensors) ein durch
Subtraktion von zwei Messwerten gewonnener Differenzdruck mit einem
erheblichen Messfehler behaftet sein kann. Des weiteren weisen piezoresistive
Drucksensoren Nachteile wie zum Beispiel eine hohe Temperaturempfindlichkeit auf,
und können
darüber
hinaus nur drahtgebunden durch eine Messeinrichtung ausgelesen werden. Hierbei
besteht das Problem, dass Kontakte bzw. Anschlussleitungen durch
aggressiv wirkende Medien, welche sich zum Beispiel in einem zu
messenden Abgasstrom befinden können,
angegriffen und gegebenenfalls zerstört werden. Infolgedessen sind
Schutzmaßnahmen
wie beispielsweise eine Verkapselung der Anschlüsse erforderlich.
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Neben
piezoresistiven Drucksensoren sind des weiteren kapazitive Drucksensoren
bekannt. Diese weisen üblicherweise
zwei Kondensatorelektroden auf, von denen eine als druckempfindliche Membran
ausgebildet ist. Unter Druckbeaufschlagung wird die Membran ausgelenkt,
wodurch sich der Abstand der Elektroden und damit die elektrische
Kapazität
verändert.
Auf der Grundlage einer Kapazitätsmessung
kann daher der angelegte Druck bestimmt werden. Auch derartige Sensoren
werden üblicherweise
als Absolutdruckmessvorrichtung betrieben. Das Erfassen eines Druckunterschiedes
erfordert daher wiederum das Durchführen von zwei Messungen mithilfe
separater Drucksenso ren und eine anschließende Subtraktion von Messwerten,
was mit einer Ungenauigkeit verbunden sein kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte
Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zum Erfassen eines Druckunterschiedes
anzugeben, wobei die oben beschriebenen Nachteile vermieden werden.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und durch ein
Verfahren gemäß Anspruch
9 gelost. Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind
in den abhängigen
Ansprüchen
angegeben.
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Erfindungsgemäß wird eine
Vorrichtung zum Erfassen eines Druckunterschiedes vorgeschlagen. Die
Vorrichtung weist eine Membran mit einer ersten und einer zweiten
Seite auf. Die Membran ist ausgebildet, bei Anlegen eines ersten
Druckes an die erste Seite und eines von dem ersten Druck verschiedenen zweiten
Druckes an die zweite Seite eine Verbiegung auszuführen. Die
Vorrichtung weist weiter eine räumlich
von der Membran getrennte Elektrodeneinrichtung mit einem ersten
und einem zweiten Elektrodenelement auf. Das erste Elektrodenelement
ist derart mit der Membran verbunden, dass bei der Verbiegung der
Membran eine Anordnung des ersten Elektrodenelements in Bezug auf
das zweite Elektrodenelement verändert
wird, wodurch eine elektrische Kapazität zwischen dem ersten und zweiten
Elektrodenelement verändert
wird.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
ermöglicht
ein direktes und genaues Erfassen eines Druckunterschiedes zwischen
dem ersten und zweiten Druck. Dieser kann durch Ermitteln der elektrischen Kapazität bzw. der
Kapazitätsänderung
zwischen dem ersten und zweiten Elektrodenelement bestimmt werden.
Hierbei wird eine Ungenauigkeit, welche bei zwei Absolutdruckmessungen
mit anschließender Subtraktion
auftreten kann, vermieden.
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Auch
weist die Vorrichtung eine gegenüber piezoresistiven
Drucksensoren geringere Temperaturempfindlichkeit auf, und ermöglicht ferner
ein drahtloses Erfassen des Druckunterschiedes. Bei der Vorrichtung
wird die Verbiegung der Membran in ein Verändern der Anordnung des ersten
Elektrodenelements in Bezug auf das zweite Elektrodenelement umgesetzt.
Dadurch besteht die Möglichkeit,
die Vorrichtung so zu betreiben, dass sich die Anordnung des ersten
Elektrodenelements und damit die Kapazität in Abhängigkeit der „Richtung” des Druckunterschiedes
verändert
(d. h. welcher der beiden Drücke der
größere ist).
Durch die räumliche
Trennung von Membran und Elektrodeneinrichtung können die beiden Elektrodenelemente
in einer Atmosphäre
angeordnet sein, welche unabhängig
ist von den auf die Membran einwirkenden Druckatmosphären. Auf
diese Weise können
beispielsweise dielektrische Eigenschaften eines zwischen den Elektrodenelementen befindlichen
Dielektrikums konstant gehalten werden, wodurch eine genaues Erfassen
des Druckunterschiedes weiter begünstigt wird.
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Hierbei
es bevorzugt, dass die Elektrodeneinrichtung einen abgeschlossenen
Hohlraum aufweist. Das erste Elektrodenelement ist beweglich und
das zweite Elektrodenelement ortsfest in dem Hohlraum angeordnet.
Der Hohlraum besitzt im Unterschied zur Membran keine Druckanbindung,
so dass ein Eindringen von Partikeln und Schmutz, durch welches
die elektrische Kapazität
verfälscht werden
könnte,
vermieden wird. Auch sind die beiden Elektrodenelemente vor aggressiv
wirkenden Bestandteilen, welche sich in den auf die Membran einwirkenden
Druckatmosphären
befinden können,
geschützt.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
weist die Elektrodeneinrichtung einen Verbindungssteg auf, über welchen
das erste Elektrodenelement mit der Membran verbunden ist. Der Verbindungssteg
stellt einen Drehpunkt bereit, um welchen das erste Elektrodenelement
bei der Verbiegung der Membran gedreht wird. Auf diese Weise wird
ein relativ einfaches, „wippenartiges” Umsetzen der
Verbiegung der Membran in eine Bewegung des ersten Elektrodenelements
in Bezug auf das zweite Elektrodenelement ermöglicht.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
weist wenigstens eines der beiden Elektrodenelemente eine Isolationsschicht
auf, um einen Kurzschluss bei einer Berührung der Elektrodenelemente
zu vermeiden.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist vorgesehen, dass das erste Elektrodenelement in einem Ausgangszustand
der Membran, in welchem kein Druckunterschied an der Membran anliegt,
in Berührungskontakt
mit dem zweiten Elektrodenelement steht. Weiter ist vorgesehen, dass
eine zwischen der ersten und zweiten Elektrodenelement vorliegende
Berührfläche bei
der Verbiegung der Membran verändert
wird. Auf diese Weise lässt
sich eine hohe Linearität
in dem Messverhalten der Vorrichtung erzielen.
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Erfindungsgemäß wird ferner
ein Verfahren zum Erfassen eines Druckunterschiedes vorgeschlagen,
wobei ein erster Druck an eine erste Seite einer Membran und ein
von dem ersten Druck verschiedener zweiter Druck an eine zweite
Seite der Membran angelegt werden, um eine Verbiegung der Membran auszuführen. Das
Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Verbiegung der Membran
in eine Veränderung
einer Anordnung eines ersten Elektrodenelements in Bezug auf ein
zweites Elektrodenelement einer räumlich von der Membran getrennten Elektrodeneinrichtung
umgesetzt wird. Hierbei wird durch die Veränderung der Anordnung des ersten Elektrodenelements
in Bezug auf das zweite Elektrodenelement eine elektrische Kapazität zwischen
dem ersten und zweiten Elektrodenelement verändert. Durch Messen der elektrischen
Kapazität
bzw. der Kapazitätsänderung
zwischen dem ersten und zweiten Elektrodenelement wird der Unterschied
zwischen dem ersten und zweiten Druck erfasst. In entsprechender
Weise ermöglicht
das erfindungsgemäße Verfahren
ein direktes und genaues Erfassen eines Druckunterschiedes.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
dreidimensionale Darstellung eines Drucksensors;
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2 und 3 Schnittdarstellungen
des Drucksensors von 1 bei unterschiedlichen Druckverhältnissen;
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4 und 5 Schnittdarstellungen
eines weiteren Drucksensors bei verschiedenen Druckverhältnissen;
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6 und 7 Schnittdarstellungen
eines weiteren Drucksensors bei verschiedenen Druckverhältnissen;
und
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8 eine
Schnittdarstellung eines weiteren Drucksensors.
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Ausführungsform(en)
der Erfindung
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Die
folgenden Figuren zeigen kapazitive Drucksensoren, welche ein direktes
Ermitteln eines Differenzdruckes ermöglichen. Eine elektronische Subtraktion
von Sensorsignalen fällt
daher weg. Die Differenzbildung wird hierbei über das Sensordesign verwirklicht,
so dass auch bei kleinen Differenzdrücken und hohen Absolutdrücken eine
genaue (fehlerfreie) Detektion der Druckverhältnisse möglich ist. Die kapazitiven
Drucksensoren, welche eine geringere Temperaturempfindlichkeit aufweisen
als piezoresistive Sensoren, können
beispielsweise im Automobilbereich, oder alternativ in anderen Gebieten
wie zum Beispiel dem Maschinenbau, der Prozessmesstechnik und der
Medizintechnik zum Einsatz kommen.
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Die
folgenden 1 bis 3 zeigen
einen Drucksensor 100 in einer dreidimensionalen Darstellung
und in Schnittdarstellungen bei unterschiedlichen Druckverhältnissen.
Der Drucksensor 100 weist eine freiliegende Membran 110 auf,
an welche an eine erste (obere) Seite ein erster Druck p1 und an eine
zweite (untere) Seite ein zweiter Druck p2 angelegt werden kann.
Zu diesem Zweck wird die Membran 110 wie in den 2 und 3 angedeutet über entsprechende
Druckbereiche 151, 152 (beispielsweise Druckzuführungen
oder Druckkammern) mit den Drücken
p1, p2 beaufschlagt. Die Druckbereiche 151, 152 sind
dabei durch die Membran 110 voneinander getrennt.
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Der
Drucksensor 100 weist weiter eine mit der Membran 110 verbundene
Elektrodeneinrichtung 120 auf, welche eine die Membran 110 bzw.
den Rand der Membran 110 umgebende Form aufweist. Die Membran 110 ist
beispielsweise wie in 1 dargestellt kreisförmig und
die Elektrodeneinrichtung 120 in Form eines die Membran 110 umschließenden Kreisrings
ausgebildet. Alternativ ist es möglich,
die Membran 110 beispielsweise rechteckförmig oder quadratisch,
und die Elektrodeneinrichtung 120 in Form eines die Membran 110 umgebenden
rechteckförmigen
bzw. quadratischen Rahmens auszubilden. Darüber hinaus sind auch mehreckige
bzw. polygonale Ausführungen
der Membran 110 und der die Membran 110 umgebenden
Elektrodeneinrichtung 120 vorstellbar.
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Die
Elektrodeneinrichtung 120 weist einen abgeschlossenen Hohlraum 122 auf,
in welchem ein erstes Elektrodenelement 131 und in einem
Abstand d zu dem ersten Elektrodenelement 131 ein zweites Elektrodenelement 132 angeordnet
sind. Der Hohlraum 122 ist hermetisch gegenüber der
Umgebung und insbesondere den Druckbereichen 151, 152 abgedichtet
und bietet Schutz für
die Elektrodenelemente 131, 132. In dem Hohlraum 122 kann
eine vorgegebene Gas- bzw. Druckatmosphäre oder ein Vakuum eingestellt
sein.
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Das
erste Elektrodenelement 131 weist einen flächigen (vorliegend
kreisringförmigen)
Grundkörper 135 und
eine auf einer Seite des Grundkörpers 135 ausgebildete
elektrisch leitfähige
Schicht 136 auf. Das erste Elektrodenelement 131 bzw.
dessen Grundkörper 135 ist
dabei in Form einer „Flügelstruktur” mit einem
Verbindungssteg 124 der Elektrodeneinrichtung 120 verbunden,
welcher den Rand der Membran 110 umgibt. Das zweite Elektrodenelement 132 umfasst
eine weitere elektrisch leitfähige Schicht 137,
welche ortsfest in dem Hohlraum 122 angeordnet ist. Die
elektrisch leitfähigen
Schichten 136, 137, welche einander gegenüberliegend
angeordnet sind, bilden zusammen einen Kondensator. Bei den Schichten 136, 137 kann
es sich beispielsweise um metallische Schichten handeln, wohingegen
die restlichen Komponenten des Drucksensors 100 ein Halbleitermaterial
wie zum Beispiel Silizium aufweisen können. Optional können das
erste und/oder das zweite Elektrodenelement 131, 132 zusätzlich eine
auf den Schichten 136, 137 ausgebildete isolierende
Schicht aufweisen, um einen Kurzschluss bei einer Berührung der
leitfähigen
Schichten 136, 137 der Elektrodenelemente 131, 132 zu
vermeiden (nicht dargestellt).
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Über den
Verbindungssteg 124 ist die Membran 110 mit der
Elektrodeneinrichtung 120 bzw. mit dem ersten Elektrodenelement 131 verbunden.
Der Verbindungssteg 124 stellt – jeweils im Querschnitt am
Rand der Membran 110 – einen
Drehpunkt 140 bereit, um welchen das erste Elektrodenelement 131 bei
einer Auslenkung der Membran 110 auf einfache Weise wippenartig
gedreht werden kann. Diese Funktionsweise wird anhand der Schnittdarstellungen
der 2 und 3 deutlich. Sofern die an der Membran 110 anliegenden
Drücke
p1, p2 wie in 2 dargestellt gleich sind, d.
h. dass kein Druckunterschied gegeben ist, weist die Membran 110 eine planare
Form auf. In diesem Ausgangszustand der Membran 110 ist
das erste Elektrodenelement 131 parallel in einem Abstand
d zu dem zweiten Elektrodenelement 132 angeordnet.
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Bei
Vorliegen einer Druckdifferenz ist die Membran 110 wie
in 3 dargestellt gegenüber dem planaren Ausgangszustand
ausgelenkt. Die Auslenkung der Membran 110 wird über den
Verbindungssteg 124 in eine gedrehte Anordnung des ersten
Elekt rodenelements 131 in Bezug auf das zweite Elektrodenelement 132 umgesetzt.
Hierbei kann auch der Verbindungssteg 124 eine verbogene
bzw. verdrehte Form aufweisen (nicht dargestellt). Die gegenüber dem
Ausgangszustand veränderte
Anordnung des ersten Elektrodenelements 131 in Bezug auf
das zweite Elektrodenelement 132 hat einen (im Mittel)
geänderten
Abstand d der Elektrodenelemente 131, 132 und
damit eine geänderte
elektrische Kapazität
zwischen den Elektrodenelementen 131, 132 bzw.
deren leitfähigen
Schichten 136, 137 zur Folge. Die Kapazität bzw. Kapazitätsänderung
ist dabei abhängig
von oder proportional zu der Auslenkung der Membran 110 und
damit zu den an der Membran 110 anliegenden Druckverhältnissen.
Durch Messen der elektrischen Kapazität kann daher auf die Differenz zwischen
den beiden Drücken
p1 und p2 direkt zurückgeschlossen
werden. Zu diesem Zweck ist, wie in den 2 und 3 schematisch
angedeutet, eine entsprechende Messeinrichtung 160 vorgesehen,
welche die Elektrodenelemente 131, 132 bzw. deren
leitfähige
Schichten 136, 137 kontaktieren kann.
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Sofern,
wie in 3 dargestellt, der erste Druck p1 den zweiten
Druck p2 übersteigt,
wird die Membran 110 nach unten ausgelenkt, wodurch das erste
Elektrodenelement 131 nach oben gedreht und der Abstand
d zwischen den Elektrodenelementen 131, 132 vergrößert wird.
Folge ist eine Verkleinerung der elektrischen Kapazität. Im umgekehrten Fall,
d. h. bei Vorliegen eines gegenüber
dem Druck p1 größeren Druckes
p2, wird der Abstand d zwischen den Elektrodenelementen 131, 132 verkleinert und
damit die elektrische Kapazität
vergrößert (nicht dargestellt).
Der Sensor 100 eignet sich insofern zum Erfassen der „Richtung” des Druckunterschiedes,
d. h. dass bestimmbar ist, welcher von den Drücken p1, p2 der größere ist.
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Die
Empfindlichkeit des Drucksensors 100 ist weitgehend durch
geometrische Parameter des Sensoraufbaus bestimmt. Hierzu gehören beispielsweise
der Durchmesser und die Dicke der Membran 110, die Form
der Elektrodeneinrichtung 120 inklusive des Abstands und
der Ausgestaltung der gegenüberliegenden
Elekt rodenelemente 131, 132. Insbesondere die
Gestaltung des Verbindungssteges 124, d. h. zum Beispiel
dessen Höhe
und Dicke, haben Einfluss auf die Funktionsweise des Sensors 100. Um
die Bewegung des ersten Elektrodenelements 131 zu begünstigen,
kann in der Elektrodeneinrichtung 120 ferner eine Aussparung
oder Einkerbung 126 zwischen dem Verbindungssteg 124 und
dem zweiten Elektrodenelement 132 vorgesehen sein, wie
anhand der 2 und 3 ersichtlich
wird.
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Durch
die Anordnung der Elektrodenelemente 131, 132 in
dem abgeschlossenen Hohlraum 122 sind die Elektrodenelemente 131, 132 hermetisch von
der Umgebung abgedichtet. Auf diese Weise wird ein Eindringen eines
Gases aus der Umgebung und von Partikeln und Schmutz, sowie ein
dadurch verursachtes Verändern
von dielektrischen Eigenschaften in dem Hohlraum 122, durch
welches die elektrische Kapazität
verfälscht
werden könnte,
vermieden. Auch sind die Elektrodenelemente 131, 132 vor
aggressiv wirkenden Medien, welche gegebenenfalls in den Druckbereichen 151, 152 enthalten sind,
geschützt.
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Anstelle
eines drahtgebundenen Ermittelns der Kapazität zwischen den Elektrodenelementen 131, 132 besteht
die Möglichkeit,
dass die Kapazität bzw.
Kapazitätsänderung
drahtlos über
die Messeinrichtung 160 erfasst wird. Zu diesem Zweck können die
Elektrodenelemente 131, 132 mit einer (beispielsweise
in der Elektrodeneinrichtung 120 vorgesehenen) Spule zur
Bildung eines elektrischen Schwingkreises verschaltet sein (nicht
dargestellt). Die mit einer Druckänderung verbundene Kapazitätsänderung hat
hierbei eine Änderung
der Resonanzfrequenz des Schwingkreises zur Folge, was induktiv über eine weitere
Spule erfasst werden kann. Da in einem solchen Fall keine durchgehenden
Anschlussleitungen zwischen den Elektrodenelementen 131, 132 und
der Messeinrichtung 160 vorliegen, die gegebenenfalls durch
aggressive Bestandteile in den Druckbereichen 151, 152 angegriffen
werden könnten,
ermöglicht
der Drucksensor 100 in einer derartigen Konfiguration ein
sicheres und zuverlässiges
Erfassen des Druckunter schiedes. Dies trifft gleichermaßen auf
die in den folgenden Figuren dargestellten Drucksensoren zu.
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Die 4 und 5 zeigen
einen weiteren kapazitiven Drucksensor 200 in einer Schnittdarstellung
bei unterschiedlichen Druckverhältnissen.
Der Drucksensor 200 stimmt hinsichtlich seines Aufbaus im
wesentlichen mit dem Drucksensor 100 der 1 bis 3 überein,
und weist wiederum eine von zwei Seiten mit Drücken p1, p2 beaufschlagbare
Membran 210 und eine die Membran 210 umgebende
Elektrodeneinrichtung 220 auf. In einem Hohlraum der Elektrodeneinrichtung 220 sind
ein bewegliches erstes und ein ortsfestes zweites Elektrodenelement 231, 232 angeordnet,
welche wiederum jeweils eine elektrisch leitfähige Schicht 236, 237 aufweisen.
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Im
Unterschied zu dem Drucksensor 100 stehen die beiden Elektrodenelemente 231, 232 des Sensors 200 in
einem planaren Ausgangszustand der Membran 210, in welchem
kein Druckunterschied vorliegt, in Berührungskontakt miteinander.
Hierbei ist das erste Elektrodenelement 231 wie in 4 dargestellt
an das zweite Elektrodenelement 232 herangedrückt. Um
einen Kurzschluss zwischen den leitfähigen Schichten 236, 237 zu
vermeiden, ist des weiteren eine isolierende Schicht 238 zwischen
den Schichten 236, 237 vorgesehen. Die Schicht 238 kann
dem ersten Elektrodenelement 231 zugeordnet und daher mit
der leitfähigen
Schicht 236 verbunden sein.
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Bei
Vorliegen eines Druckunterschiedes (Druck p1 größer als Druck p2) ist die Membran 210 wie
in 5 dargestellt ausgelenkt, wodurch das erste Elektrodenelement 231 eine
in Bezug auf das zweite Elektrodenelement 232 geänderte Anordnung aufweist.
Durch die Auslenkung wird das erste Elektrodenelement 231 bzw.
ein Teil hiervon über
einen Verbindungssteg 224 wippenartig gedreht, so dass das
erste Elektrodenelement 231 von dem zweiten Elektrodenelement 232 abgehoben
wird und infolgedessen eine zwischen den beiden Elektrodenelementen 231, 232 vorliegende
Berührfläche verkleinert
wird, was zu einer Kapazitätsverringerung
führt. Durch
Messen der elektrischen Kapazität
mit einer entsprechenden Messeinrichtung (nicht dargestellt) kann
daher auf die Druckdifferenz zurückgeschlossen
werden. Die Funktionsweise des Sensors 200, eine Auslenkung
der Membran 210 in ein Ändern
einer Berührfläche zwischen
den Elektrodenelementen 231, 232 umzusetzen, ermöglicht eine
hohe Linearität
in dem Messverhalten des Sensors 200.
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Die 6 und 7 zeigen
einen weiteren kapazitiven Drucksensor 300 in einer Schnittdarstellung
bei unterschiedlichen Druckverhältnissen,
welcher hinsichtlich des Aufbaus und der Funktionsweise im wesentlichen
mit dem Drucksensor 200 der 4 und 5 übereinstimmt.
Der Drucksensor 300 weist wiederum eine von zwei Seiten
mit Drücken
p1, p2 beaufschlagbare Membran 310 und eine die Membran 310 umgebende
Elektrodeneinrichtung 320 auf, in deren Hohlraum ein bewegliches
erstes und ein ortsfestes zweites Elektrodenelement 331, 332 mit
leitfähigen
Schichten 336, 337 vorgesehen sind.
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In
einem Ausgangszustand der Membran 310, in welchem kein
Druckunterschied vorliegt, stehen die beiden Elektrodenelemente 331, 332 wie
in 6 dargestellt in Berührungskontakt miteinander. Um
einen Kurzschluss zwischen den Elektrodenschichten 336, 337 zu
vermeiden, ist des weiteren eine isolierende Schicht 338 zwischen
den Schichten 336, 337 vorgesehen, welche beispielsweise
dem zweiten Elektrodenelement 332 zugeordnet sein kann.
Im Unterschied zu dem Sensor 200 weist die Membran 310 des
Drucksensors 300 bereits in dem Ausgangszustand eine ausgelenkte
Form auf.
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Bei
Vorliegen einer Druckdifferenz (Druck p1 größer als Druck p2) wird die
Membran 310 wie in 7 dargestellt
in eine Form mit einer geringeren Auslenkung verbogen. Hierbei wird
das erste Elektrodenelement 331 bzw. ein Teil desselben über einen Verbindungssteg 324 wippenartig
gedreht, wodurch eine zwischen den beiden Elektrodenelementen 331, 332 vorliegende Berührfläche verkleinert
wird und sich infolgedessen die elektrische Kapazität ändert. Durch
Messen der Kapazität
kann daher wieder auf die Druckdifferenz zurückgeschlossen werden. Auch der
Drucksensor 300 zeichnet sich durch eine hohe Linearität des Messverhaltens
aus.
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Die
anhand der 1 bis 7 erläuterten Drucksensoren
stellen mögliche
Ausführungsformen der
Erfindung dar. Darüber
hinaus lassen sich weitere Ausführungsformen
verwirklichen, welche weitere Abwandlungen der Erfindung umfassen.
Beispielsweise ist es möglich,
die in den 4 bis 7 dargestellten
Drucksensoren 200, 300 derart abzuändern, dass
auf beiden Elektrodenelementen 231, 232, 331, 332 jeweils
eine isolierende Schicht zum Verhindern eines Kurzschlusses vorgesehen
ist.
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Des
weiteren liegen die Elektrodenelemente 231, 232, 331, 332 bei
den Drucksensoren 200, 300 in dem Ausgangszustand,
in welchem an der Membran 210, 310 keine Druckdifferenz
anliegt, im wesentlichen vollständig
in Berührkontakt
miteinander. Dadurch können
die Drucksensoren 200, 300 nur in einer „Richtung” des Druckunterschiedes
betrieben werden, d. h. sofern einer der Drücke (hier p1) größer ist
als der andere Druck (hier p2). Um ein Erfassen des Druckunterschieds
entsprechend dem Sensor 100 der 1 bis 3 in
beiden „Richtungen” zu ermöglichen,
können
die Drucksensoren 200, 300 weiter derart modifiziert
werden, dass die Elektrodenelemente 231, 232, 331, 332 in
dem Ausgangszustand der Membran 210, 310 sich
nur zu einem Teil berühren.
Hinsichtlich des Drucksensors 300 könnte beispielsweise 7 den
Ausgangszustand bei übereinstimmenden
Drücken
p1 und p2 darstellen, wobei die Membran 310 eine ausgelenkte
Form aufweist. Bei zunehmendem Druckunterschied kann die Berührfläche und
damit die Kapazität
in Abhängigkeit der
Richtung des Druckunterschiedes ab- bzw. zunehmen. In entsprechender
Weise könnte
der Drucksensor 200 derart abgeändert werden, dass sich die Elektrodenelemente 231, 232 in
dem planaren Ausgangszustand der Membran 210 nur teilweise
berühren.
Dies ist anhand des modifizierten Drucksensors 200' von 8 veranschaulicht.
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Anstelle
eine Elektrodeneinrichtung mit einer eine Membran umgebenden Form
auszubilden, könnte
ein Sensor alternativ eine oder mehrere Elektrodeneinrichtungen
(mit jeweils einem beweglichen und einem ortsfesten Elektrodenelement)
aufweisen, welche nur an einem Teilbereich des Randes der Membran
angeordnet sind.