DE10212947C1 - Pressure sensor determining absolute pressure capacitatively comprises main body, membrane, spacer and holder forming measurement cell assembly - Google Patents
Pressure sensor determining absolute pressure capacitatively comprises main body, membrane, spacer and holder forming measurement cell assemblyInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Drucksensor, insbesondere zur kapazitiven Be stimmung des Absolutdrucks, der mit einem Grundkörper, der wenigstens eine Elektrode aufweist, und mit einer Membran versehen ist. Die Membran ist durch einen Abstandhalter von dem Grundkörper getrennt und weist zum Erzeugen eines elektrischen Felds zwischen Grundkörper und Membran wenigstens eine Gegenelektrode auf. Der Grundkörper und die Membran sind jeweils aus einem keramischen Werkstoff gefertigt. Die Membran ist an einem aus einem kerami schen Werkstoff gefertigten Trägerkörper angeordnet und durch einen Stoff schluß, der frei von Zusatzwerkstoffen ist, mit dem Trägerkörper verbunden.The invention relates to a pressure sensor, in particular for capacitive loading absolute pressure, the one with a basic body, the at least one Has electrode, and is provided with a membrane. The membrane is through a spacer separated from the base body and has to produce of an electrical field between the base body and the membrane, at least one Counter electrode on. The base body and the membrane are each made of one ceramic material. The membrane is made of a kerami the carrier material manufactured and arranged by a material conclusion, which is free of filler materials, connected to the carrier body.
Drucksensoren dienen im allgemeinen dazu, den Druck von Medien, etwa Flüssigkeiten, Gase oder Dämpfe, absolut oder relativ zu einem Referenzdruck, beispielsweise dem Umgebungsdruck, zu messen. Bei einem kapazitiven Drucksensor wird der Druck an Hand der Veränderung eines durch zwei einan der gegenüberliegende Elektroden gebildeten Kondensators bestimmt. Ein ka pazitiver Drucksensor wird beispielsweise in der EP 1 039 284 A1 beschrieben. Der bekannte Drucksensor weist einen aus einem keramischen Werkstoff ge fertigten Grundkörper auf, der mit einer Elektrode versehen ist. Beabstandet zu der Elektrode ist eine elastisch verformbare Membran angeordnet, die aus ei nem keramischen Werkstoff besteht und mit einer Gegenelektrode versehen ist. Die Membran wird auf der dem Grundkörper abgewandten Seite mit einem Druckmedium beaufschlagt, das eine Verformung der Membran hervorruft. In Abhängigkeit von der Verformung der Membran ändert sich der Abstand zwi schen der Elektrode und der Gegenelektrode und damit die Kapazität des durch die Elektrode und Gegenelektrode gebildeten Kondensators. Ein die Än derung der Kapazität erfassende Auswerteeinrichtung liefert ein elektrisches Signal, das proportional zu dem Druck des die Membran beaufschlagenden Mediums ist.Pressure sensors are generally used to measure the pressure of media, for example Liquids, gases or vapors, absolute or relative to a reference pressure, for example to measure the ambient pressure. With a capacitive Pressure sensor will change the pressure by changing one by two the capacitor formed opposite electrodes determined. A ka capacitive pressure sensor is described for example in EP 1 039 284 A1. The known pressure sensor has a ge made of a ceramic material manufactured base body, which is provided with an electrode. Spaced to the electrode is arranged an elastically deformable membrane made of egg nem ceramic material and provided with a counter electrode is. The membrane is on the side facing away from the base body with a Pressurized medium that causes deformation of the membrane. In Depending on the deformation of the membrane, the distance between rule the electrode and the counter electrode and thus the capacity of the capacitor formed by the electrode and counter electrode. A the aen change of the capacity detecting evaluation device provides an electrical Signal proportional to the pressure of the membrane Medium is.
Ein kapazitiver Sensor, bei dem der Grundkörper und die Membran aus Kera mik gefertigt sind, offenbaren auch die DE 39 10 646 C2 und DE 40 23 420 A1. Den bekannten Drucksensoren ist zudem gemeinsam, daß durch die Membran und den Grundkörper eine Meßzelle ausgebildet wird, die als verbundene Ein heit Anwendung findet. Hierbei hat sich als nachteilig erwiesen, daß durch die Befestigung der Meßzelle in einem Bauteil ein Spannungszustand in der Mem bran hervorgerufen wird, der zu Hystereseerscheinungen und damit zu Verfäl schungen der gemessenen Kapazitätsänderungen führen kann.A capacitive sensor in which the base body and the membrane are made of Kera are manufactured, also disclose DE 39 10 646 C2 and DE 40 23 420 A1. The known pressure sensors also have in common that through the membrane and the base body is formed a measuring cell, which as a connected one unit is used. It has been found to be disadvantageous that the Fastening the measuring cell in a component a stress state in the mem bran is caused, which leads to hysteresis and thus to falsification of the measured changes in capacity.
Demgegenüber offenbart die WO 99/34184 eine kapazitive Vakuummeßzelle, die einen ersten Gehäusekörper, eine Membran und einen zweiten Gehäuse körper aufweist. Die Gehäusekörper und die Membran sind aus Aluminiumoxid gefertigt. Die Membran ist zwischen dem ersten Gehäusekörper und dem zwei ten Gehäusekörper angeordnet und mit diesen stoffschlüssig verbunden. Zu diesem Zweck findet entweder ein Glaslot, das zugleich dazu dient, die Mem bran von den Gehäusekörpern zu beabstanden, oder eine durch beispielswei se Verschweißen oder diffusiv erzeugte stoffschlüssige Verbindung zwischend der Membran und den Gehäusekörpern Anwendung. Der Stoffschluß kann da bei frei von Zusatzwerkstoffen sein.In contrast, WO 99/34184 discloses a capacitive vacuum measuring cell, which a first housing body, a membrane and a second housing has body. The housing body and the membrane are made of aluminum oxide manufactured. The membrane is between the first housing body and the two ten housing body arranged and connected to them cohesively. To for this purpose either a glass solder is used, which also serves to mem spaced from the housing bodies, or one by example se welding or diffusely produced integral connection between the membrane and the housing bodies application. The cohesion can be there be free of filler materials.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drucksensor der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß sich bei einer einfachen, ko stengünstigen und robusten Ausgestaltung sowie einer weitgehend spannungs freien Lagerung der Membran ein vergleichsweise genaues Meßergebnis erzie len läßt. The invention has for its object a pressure sensor of the beginning mentioned type to the extent that with a simple, knockout cost-effective and robust design and a largely tension Free storage of the membrane a comparatively accurate measurement result len leaves.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist in Übereinstimmung mit Anspruch 1 bei einem Drucksensor mit den oben genannten Merkmalen erfindungsgemäß eine Meß zelle vorgesehen, die aus dem Grundkörper, der Membran, dem Abstandhalter und dem Trägerkörper zusammengesetzt und in einem hermetischen Gehäuse angeordnet ist, wobei an dem Grundkörper eine kapazitive Änderungen der Meßzelle erfassende Auswerteeinrichtung angeordnet ist, die einen die Tempe ratur der Meßzelle erfassenden Sensor aufweist.To solve this problem is in accordance with claim 1 A pressure sensor with the features mentioned above according to the invention cell provided, consisting of the base body, the membrane, the spacer and the carrier body assembled and in a hermetic housing is arranged, a capacitive changes in the base body Measuring cell detecting evaluation device is arranged, the one the tempe temperature of the measuring cell detecting sensor.
Ein solchermaßen ausgestalteter Drucksensor macht sich die Erkenntnis zu eigen, daß durch das Vorsehen eines Trägerkörpers für die Membran eine weitgehend spannungsfreie Lagerung der Membran erreicht wird. Grund hierfür ist in erster Linie, daß auf Grund des Trägerkörpers keine Kräfte an der Mem bran angreifen, die, wie im Stand der Technik, eine unerwünschte Beanspru chung der Membran, beispielsweise auf Torsion, hervorrufen. Zu einer weitge hend spannungsfreien Lagerung der Membran trägt zudem die stoffschlüssige Verbindung von Membran und Trägerkörper maßgeblich bei. So wird etwa das Auftreten von unerwünschten thermischen Spannungen in der Fügezone von Membran und Trägerkörper dadurch vermieden, daß der Stoffschluß ohne Zu satzwerkstoffe gebildet wird. Auf diese Weise bleibt die Fügezone zwischen Membran und Trägerkörper frei von jeglichen fremden Werkstoffen, die das Meßverhalten des Drucksensors, etwa durch auftretende Hystereseerschei nungen, beeinträchtigten.A pressure sensor designed in this way is gaining knowledge peculiar that a by providing a support body for the membrane largely stress-free storage of the membrane is achieved. reason for that is primarily that due to the support body no forces on the mem attack bran, which, as in the prior art, an undesirable claim chung the membrane, for example, to torsion. To a wide The tension-free storage of the membrane also supports the cohesive Connection of membrane and carrier body significantly. This is how it becomes Occurrence of undesirable thermal stresses in the joining zone of Membrane and carrier body avoided in that the material connection without Zu typesetting materials is formed. In this way, the joining zone remains between Membrane and carrier body free of any foreign materials that the Measurement behavior of the pressure sensor, for example due to hysteresis solutions, impaired.
Auf Grund des Trägerkörpers läßt sich die durch Membran und Grundkörper gebildete Meßeinheit ohne weiteres an einem Bauteil befestigen. Eine robuste Ausgestaltung des Drucksensors ist somit sichergestellt. Hierzu trägt auch die Meßzelle bei, die aus dem Grundkörper, der Membran, dem Abstandhalter und dem Trägerkörper zusammengesetzt und in einem hermetischen Gehäuse an geordnet ist, wobei der Trägerkörper an dem Gehäuse befestigbar ist. Die den Trägerkörper umfassende Meßzelle erfährt durch die Anordnung in dem Ge häuse einen Schutz gegenüber Umgebungseinflüssen. Auf Grund dieser Kap selung der Meßzelle ergibt sich ein überaus robuster Drucksensor. Die Befesti gung der Meßzelle mittels des Trägerkörpers an dem Gehäuse ermöglicht eine freie und damit spannungsarme Anordnung von Grundkörper und Membran. Dies gewährleistet eine verhältnismäßig hohe Genauigkeit der Druckmessung.Due to the support body, the membrane and base body can Attach the measuring unit formed to a component without further ado. A robust one Design of the pressure sensor is thus ensured. The Measuring cell, which consists of the base body, the membrane, the spacer and assembled to the carrier body and in a hermetic housing is arranged, wherein the carrier body can be fastened to the housing. The the Carrier body comprising measuring body experiences through the arrangement in the Ge protection against environmental influences. Due to this chap selection of the measuring cell results in an extremely robust pressure sensor. The fasteners supply of the measuring cell by means of the carrier body on the housing enables a Free and thus low-stress arrangement of the base body and membrane. This ensures a relatively high accuracy of the pressure measurement.
Darüber hinaus ist durch die unmittelbare Anordnung der etwa als anwen dungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) ausgestalteten Auswerteeinrich tung an dem Grundkörper eine unverfälschte Messung der Kapazitätsänderung der Meßzelle sichergestellt. Die Auswerteeinrichtung wird dabei durch das her metische Gehäuse vor Umgebungseinflüssen geschützt. Auf diese Weise las sen sich die zum Anschluß der Auswerteeinrichtung erforderlichen elektrischen Leitungen ohne weiteres auf der Oberfläche des Grundkörpers verlegen. Eine einfache und kostengünstige Bauweise ist damit gewährleistet.In addition, the immediate arrangement of the approximately as anwen application-specific integrated circuit (ASIC) configured evaluation device an unadulterated measurement of the change in capacity on the base body the measuring cell ensured. The evaluation device is thereby metallic housing protected from environmental influences. That way read sen the electrical necessary to connect the evaluation device Lay the lines on the surface of the base body without any problems. A simple and inexpensive construction is guaranteed.
Von besonderem Vorteil ist zudem, daß die Auswerteeinrichtung einen die Temperatur der Meßzelle erfassenden Sensor aufweist. Denn mit Hilfe dieses Temperatursensors läßt sich die Temperatur der Meßzelle erfassen, um bei spielsweise bei der Auswertung der gemessenen Kapazitätsänderung der Meßzelle den Einfluß der Temperatur berücksichtigen zu können.It is also of particular advantage that the evaluation device is one Has temperature of the measuring cell detecting sensor. Because with the help of this Temperature sensor allows the temperature of the measuring cell to be measured at for example when evaluating the measured change in capacitance Measuring cell to take into account the influence of temperature.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Drucksensors stellen die Gegenstände der Ansprüche 2 bis 12 dar.Advantageous refinements of the pressure sensor according to the invention provide the Objects of claims 2 to 12.
So ist es in Hinsicht auf eine vergleichsweise einfache und kostengünstige Fer tigung von Vorteil, die Membran und den Trägerkörper vorzufertigen und durch Sintern, vorzugsweise Co-Sintern, miteinander zu verbinden. Die getrennte Be reitstellung von Membran und Trägerkörper ermöglicht eine individuellen Anfor derungen entsprechende modulare Bauweise. Indem sowohl der Trägerkörper als auch die Membran aus einem keramischen Werkstoff bestehen, lassen sie sich durch Sintern oder Co-Sintern stoffschlüssig miteinander verbinden. Unter Co-Sintern im vorstehenden Sinne wird ein Verbindungsverfahren verstanden, bei dem Bauteile ohne Formänderung in Art von Diffusionschweißen stoff schlüssig miteinander verbunden werden. Im Unterschied zu dem herkömmli chen Sintern, bei dem der Stoffschluß durch Verdichten pulverförmiger oder feinkörniger Stoffe mittels Druck und Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts erzeugt wird, was unweigerlich mit einer Änderung der Form einhergeht, zeich net sich das Co-Sintern dadurch aus, daß die miteinander zu verbindenden Bauteile, im vorliegenden Fall die Membran und der Trägerkörper, keine Beein trächtigung in ihrer Form erfahren.So it is with regard to a comparatively simple and inexpensive Fer advantage of prefabrication and through the membrane and the support body Sintering, preferably co-sintering, to combine. The separate Be The provision of the membrane and carrier body enables individual requests corresponding modular design. By both the support body and the membrane are made of a ceramic material, let them combine with one another by sintering or co-sintering. Under Co-sintering in the above sense means a joining process in the case of components without changing shape in the manner of diffusion welding material be conclusively connected. In contrast to the conventional Chen sintering, in which the material closure by compacting powdery or fine-grained substances by means of pressure and temperature below the melting point what is inevitably associated with a change in shape is created co-sintering is characterized in that the ones to be joined together Components, in this case the membrane and the support body, no legs experience pregnancy in its form.
Von Vorteil ist außerdem, den Trägerkörper mit einer Vertiefung zu versehen, in der die Membran mit einem Druckmedium beaufschlagbar ist. Das etwa gas förmige oder flüssige Medium, dessen Druck zu messen ist, wird auf diese Weise gezielt an die Membran geleitet. Zu diesem Zweck weist der Trägerkör per bevorzugt eine Öffnung für die Zuführung des Mediums in die Vertiefung auf.It is also advantageous to provide the carrier body with a recess in which can be acted upon by a pressure medium. That about gas shaped or liquid medium, the pressure of which is to be measured, is applied to this Directed specifically to the membrane. For this purpose, the carrier body per preferably an opening for feeding the medium into the recess on.
In Hinsicht auf eine kompakte Bauweise des Drucksensors weist das Gehäuse bevorzugt eine Zufuhrleitung für ein Druckmedium auf, die mit der Öffnung des Trägerkörpers verbunden ist.The housing has a compact design of the pressure sensor preferably a supply line for a pressure medium, which is connected to the opening of the Carrier body is connected.
Weiterhin ist in vorteilhafter Weiterbildung des erfindungsgemäßen Drucksen sors ein die Meßzelle im Inneren des Gehäuses umgebendes Schutzgas vor gesehen. Durch das Schutzgas, beispielsweise Stickstoff, werden Einflüsse der Umgebung, wie beispielsweise Luftfeuchtigkeit, auf das Meßverhalten der Meßzelle ausgeschlossen. Ein genaues Meßverhalten der Meßzelle ist somit dauerhaft gewährleistet.Furthermore, in an advantageous development of the pressure sensor according to the invention sors a protective gas surrounding the measuring cell in the interior of the housing seen. The protective gas, for example nitrogen, influences the Environment, such as humidity, on the measurement behavior of the Measuring cell excluded. An exact measuring behavior of the measuring cell is thus permanently guaranteed.
Eine bevorzugte konstruktive Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druck sensors sieht vor, daß der Grundkörper mit wenigstens einer Druckelektrode und wenigstens einer Referenzelektrode und die Membran mit wenigstens ei ner Druckgegenelektrode und wenigstens einer Referenzgegenelektrode ver sehen sind. Durch das Vorsehen von Druck- und Referenzelektroden bezie hungsweise -gegenelektroden ergeben sich wenigstens zwei Kapazitäten, de ren Änderungen zur Messung des Absolutdrucks des die Membran beaufschla genden Druckmediums herangezogen werden. Eine Quotienbildung der ermit telten Kapazitätsänderungen führt zu einer dimensionslosen Kennzahl, die pro portional zu dem zu bestimmenden Absolutdruck ist. Zweckmäßigerweise wer den die Druckelektrode und Druckgegenelektrode im Zentrum von Grundkörper und Membran angeordnet, wohingegen sich die Referenz- und Referenzge genelektrode im Randbereich von Membran und Grundkörper befinden. Auf diese Weise läßt sich der unterschiedlichen Biegung der Membran entlang des Durchmessers auf Grund ihrer gewöhnlich randseitigen Einspannung Rech nung tragen. Als in konstruktiver Hinsicht vorteilhaft hat sich erwiesen, wenn der Grundkörper zwei innere Druckelektroden aufweist, die von zwei äußeren Referenzelektroden umgeben sind, und daß die Membran zwei innere Druck gegenelektroden aufweist, die von zwei äußeren Referenzgegenelektroden umgeben sind. Durch die Verdoppelung der Anzahl an Druck- und Referenz elektroden beziehungsweise -gegenelektroden läßt sich die Genauigkeit der ermittelten Kapazitätsänderungen steigern.A preferred constructive embodiment of the pressure according to the invention sensors provides that the base body with at least one pressure electrode and at least one reference electrode and the membrane with at least one egg ver pressure counter electrode and at least one reference counter electrode are seen. By providing pressure and reference electrodes The opposite electrodes result in at least two capacities, de changes to measure the absolute pressure of the membrane pressure medium can be used. A quotation of the ermit Capacity changes lead to a dimensionless key figure, which is per is proportional to the absolute pressure to be determined. Conveniently who the pressure electrode and pressure counter electrode in the center of the base body and membrane arranged, whereas the reference and reference Ge gene electrode are located in the edge area of the membrane and base body. On this way the different bending of the membrane along the Diameter due to their usually marginal clamping wear. It has proven to be advantageous in constructive terms if the base body has two inner pressure electrodes, that of two outer Reference electrodes are surrounded, and that the membrane has two internal pressures counter electrodes, that of two outer reference counter electrodes are surrounded. By doubling the number of print and reference electrodes or counterelectrodes can be the accuracy of increase determined capacity changes.
Um eine einfache und in wirtschaftlicher Hinsicht kostengünstige Fertigung si cherzustellen, bestehen die Elektroden und die Gegenelektroden bevorzugt aus Platin oder Gold und sind vorzugsweise durch Sputtering auf den Grundkörper und die Membran aufgebracht. Unter Sputtering im vorstehenden Sinne wird ein Verfahren zur Zerstäubung von Festkörpern im Hochvakuum verstanden. Auf diese Weise fassen sich Elektroden geringer Schichtdicke auf den aus ei nem keramischen Werkstoff bestehenden Grundkörper und Membran vorse hen.To ensure simple and economically economical production si the electrodes and the counter electrodes preferably consist of Platinum or gold and are preferably sputtered onto the body and applied the membrane. Sputtering in the above sense is understood a method for atomizing solids in a high vacuum. In this way, electrodes with a small layer thickness can be found on the egg existing ceramic body and membrane front hen.
Schließlich wird in Weiterbildung des erfindungsgemäßen Drucksensors vorge schlagen, daß der Abstandhalter ein aus Metall oder Glas bestehendes Lot ist, das den Grundkörper und die Membran stoffschlüssig miteinander verbindet. Mittels des Lots lassen sich die Membran und der Grundkörper lagegenau auf einander positionieren. Eine lagegenaue Positionierung ist in Hinsicht auf die zu ermittelnden Kapazitätsänderungen von entscheidender Bedeutung.Finally, in a further development of the pressure sensor according to the invention suggest that the spacer is a solder made of metal or glass, that integrally connects the base body and the membrane. Using the solder, the membrane and the base body can be positioned precisely position each other. A precise positioning is in relation to the identifying changes in capacity is crucial.
Einzelheiten und weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Drucksensors erge ben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausfüh rungsbeispiels. In der das Ausführungsbeispiel schematisch darstellenden Zeichnung veranschaulichen im einzelnen:Details and further advantages of the pressure sensor according to the invention are shown ben from the following description of a preferred embodiment approximately example. In the schematically representing the embodiment The drawings illustrate in detail:
Fig. 1 eine Explosionsdarstellung der Meßzelle des erfindungsgemäßen Druck sensors und Fig. 1 is an exploded view of the measuring cell of the pressure sensor according to the invention and
Fig. 2 eine Abbildung der im Inneren eines Gehäuses angeordneten Meßzelle gemäß Fig. 1. FIG. 2 shows an illustration of the measuring cell according to FIG. 1 arranged inside a housing.
Die in Fig. 1 dargestellte Meßzelle 50 setzt sich im wesentlichen aus einem Grundkörper 10, einer Membran 20, einem zwischen dem Grundkörper 10 und der Membran 20 angeordneten Abstandhalter 30 und einem auf der dem Ab standhalter 30 gegenüberliegenden Seite der Membran 20 angeordneten Trä gerkörper 40 zusammen. Der Grundkörper 10, die Membran 20 und der Trä gerkörper 40 bestehen aus einer Oxid-Keramik, beispielsweise auf Basis von Aluminiumoxid. Der ringförmige Abstandhalter 30 dagegen ist ein Lot, das aus Metall oder Glas besteht und den Grundkörper 10 und die Membran 20 in an sich bekannter Weise stoffschlüssig miteinander verbindet. Die Membran 20 und der Trägerkörper 40 sind gleichfalls stoffschlüssig miteinander verbunden. Hierbei findet allerdings Co-Sintern Anwendung, das einen Stoffschluß erzeugt, der frei von Zusatzwerkstoffen ist.The measuring cell 50 shown in Fig. 1 is composed essentially of a base body 10, a diaphragm 20, a between the base body 10 and the membrane 20 arranged spacer 30 and on the spacers which From 30 opposite side of the diaphragm 20 arranged Trä gerkörper 40 together. The base body 10 , the membrane 20 and the carrier body 40 are made of an oxide ceramic, for example based on aluminum oxide. The annular spacer 30, on the other hand, is a solder that consists of metal or glass and integrally connects the base body 10 and the membrane 20 in a manner known per se. The membrane 20 and the carrier body 40 are also integrally connected to one another. Here, however, co-sintering is used, which produces a material bond that is free of additional materials.
Wie in Fig. 1 ferner zu erkennen, weist der Grundkörper 10 zwei im wesentli chen halbkreisförmige Referenzelektroden 11a, 11b auf, die zwei im wesentli chen sichelförmige Druckelektroden 12a, 12b umschließen. Die Membran 20 ist mit den Referenzelektroden 11a, 11b entsprechenden Referenzgegenelektro den 21a, 21b und mit Druckgegenelektroden 22a, 22b, die deckungsgleich zu den Druckelektroden 12a, 12b sind, versehen. Auf diese Weise bilden die Re ferenzelektroden 11a, 11b und die Referenzgegenelektroden 21a, 21b einer seits sowie die Druckelektroden 12a, 12b und die Druckgegenelektroden 22a, 22b andererseits Kondensatoren, deren Kapazität von dem jeweiligen Abstand zwischen Elektrode 11a-12b und Gegenelektrode 21a-22b abhängt. Die Elek troden 11a-12b und die Gegenelektroden 21a-22b sind als eine nur wenige Mi krometer starke Schicht aus Gold oder Platin auf dem Grundkörper 10 und der Membran 20 ausgebildet. Um dies zu erreichen, werden die Elektroden 11a- 12b und die Gegenelektroden 21a-22b mittels Sputtering auf den Grundkörper 10 und die Membran 20 aufgebracht, wobei die jeweilige Form der Elektroden 11a-12b und der Gegenelektroden 21a-22b durch entsprechende Masken für eine Kathodenzerstäubung hervorgerufen wird.As can also be seen in FIG. 1, the base body 10 has two essentially semi-circular reference electrodes 11 a, 11 b, which enclose two essentially sickle-shaped pressure electrodes 12 a, 12 b. The membrane 20 is provided with the reference electrodes 11 a, 11 b corresponding reference counter electrodes 21 a, 21 b and with pressure counter electrodes 22 a, 22 b, which are congruent with the pressure electrodes 12 a, 12 b. In this way, the reference electrodes 11 a, 11 b and the reference counter electrodes 21 a, 21 b, on the one hand, and the pressure electrodes 12 a, 12 b and the pressure counter electrodes 22 a, 22 b, on the other hand, form capacitors, the capacitance of the respective distance between electrode 11 a- 12 b and counter electrode 21 a- 22 b depends. The electrodes 11 a- 12 b and the counter electrodes 21 a- 22 b are formed as a layer of gold or platinum on the base body 10 and the membrane 20 that is only a few micrometers thick. To achieve this, the electrodes 11a-12b and the counter electrodes 21 are a- 22 b means of sputtering on the base body 10 and the membrane 20 applied, the particular shape of the electrodes 11 a-12 b and the counter electrodes 21 a-22 b by appropriate masks for cathode sputtering.
Der Trägerkörper 40 weist unterhalb der Membran 20 eine Vertiefung 41 auf, die mit einer Öffnung 42 verbunden ist. Ein die Vertiefung 41 kreisförmig ein fassender Rand 43 des Trägerkörpers 40 dient zur stoffschlüssigen Verbindung mit der Membran 20. Auf diese Weise kann die Membran 20 in der Vertiefung 41 mit einem Druckmedium, wie beispielsweise Luft oder eine Flüssigkeit, be aufschlagt werden.The carrier body 40 has a depression 41 below the membrane 20 , which is connected to an opening 42 . An edge 43 of the carrier body 40 which encircles the recess 41 in a circular manner serves for the integral connection with the membrane 20 . In this way, the membrane 20 in the recess 41 with a pressure medium, such as air or a liquid, be opened.
Wie insbesondere Fig. 2 erkennen läßt, ist die Meßzelle 50 im Inneren eines Gehäuses 60 angeordnet. Dabei ist der Trägerkörper 40 auf der der Membran 20 abgewandten Seite an einem Flansch 61 befestigt. Der Flansch 61 weist eine Zufuhrleitung 62 auf, die in der Öffnung 42 des Trägerkörpers 40 mündet. Das die Membran beaufschlagende Druckmedium kann somit durch die Zu fuhrleitung 62 in die Vertiefung 41 strömen.As can be seen in particular in FIG. 2, the measuring cell 50 is arranged inside a housing 60 . The carrier body 40 is fastened to a flange 61 on the side facing away from the membrane 20 . The flange 61 has a feed line 62 which opens into the opening 42 of the carrier body 40 . The pressure medium acting on the membrane can thus flow through the supply line 62 to the recess 41 .
Weiterhin ist in Fig. 2 zu erkennen, daß auf dem Grundkörper 10 eine Auswer teeinrichtung 70 angeordnet ist, welche kapazitive Änderungen der Meßzelle 50 umfaßt und als digitale Signale über eine elektrische Leitung 71 für eine Wei terverarbeitung weiterleitet. Die Auswerteeinrichtung 70 ist zudem mit einem die Temperatur der Meßzelle 50 erfassenden Sensor versehen, der die gemessene Temperatur gleichfalls als digitales Signal über die elektrische Leitung 71 wei tergibt.Furthermore, it can be seen in Fig. 2 that a Auswer teeinrichtung 70 is arranged on the base body 10 , which includes capacitive changes in the measuring cell 50 and forwards as digital signals via an electrical line 71 for Wei processing. The evaluation device 70 is also provided with a sensor which detects the temperature of the measuring cell 50 and which likewise transmits the measured temperature as a digital signal via the electrical line 71 .
Die elektrische Leitung 71 wird durch eine Öffnung 63 des Gehäuses 60 ge führt, die hermetisch abgedichtet ist. Auch die Meßzelle 50 ist hermetisch dichtend auf dem Flansch 61 angeordnet. Auf diese Weise ist es möglich, im Inneren des Gehäuses 60 ein Schutzgas 64 vorzusehen, das die Auswerteein richtung 70 vor schädlichen Umgebungseinflüssen, wie beispielsweise Feuch tigkeit, schützt.The electrical line 71 is ge through an opening 63 of the housing 60 leads, which is hermetically sealed. The measuring cell 50 is also hermetically sealed on the flange 61 . In this way, it is possible to provide a protective gas 64 in the interior of the housing 60 , which protects the evaluation device 70 against harmful environmental influences, such as moisture.
Zur Ermittlung des Absolutdrucks des Druckmediums wird durch die Meßzelle 50 die Änderung der Kapazität zwischen den Elektroden 11a-12b und den Ge genelektroden 21a-22b auf Grund einer Biegung der Membran 20 gemessen, wobei zwischen der Membran 20 und dem Grundkörper 10 ein Vakuum herrscht. Die gemittelten Kapazitätsänderungen zwischen den Druckelektroden 12a, 12b und den Druckgegenelektroden 22a, 22b wird dabei ins Verhältnis gesetzt zu den gemittelten Kapazitätsänderungen zwischen den äußeren Refe renzelektroden 11a, 11b und den Referenzgegenelektroden 21a, 21b, um eine dimensionslose Kennzahl zu erhalten, die proportional zu der Änderung des Absolutdrucks ist. Die Auswerteeinrichtung 70 wandelt die gemessene Kapazi tätsänderug unmittelbar in ein digitales Signal um, wozu beispielsweise ein so genannter Sigma/Delta-Modulator Anwendung finden kann.To determine the absolute pressure of the pressure medium, the change in the capacitance between the electrodes 11 a- 12 b and the counter electrodes 21 a- 22 b is measured by the measuring cell 50 due to a bending of the membrane 20 , with the membrane 20 and the base body 10 there is a vacuum. The averaged capacity changes between the pressure electrodes 12 a, 12 b and the pressure counter electrodes 22 a, 22 b is related to the averaged capacity changes between the outer reference electrodes 11 a, 11 b and the reference counter electrodes 21 a, 21 b, by a dimensionless Obtain a key figure that is proportional to the change in absolute pressure. The evaluation device 70 converts the measured capacitance directly into a digital signal, for which purpose a so-called sigma / delta modulator can be used, for example.
Der zuvor beschriebene Drucksensor dient zur Messung des Absolutdrucks eines gasförmigen oder flüssigen Druckmediums. Der Drucksensor zeichnet sich durch eine kompakte und robuste Bauweise aus. Hierzu trägt bei, daß die Meßzelle 50 durch das Gehäuse 60 und das in diesem vorhandene Schutzgas 64 vor das Meßergebnis beeinträchtigenden Umgebungseinflüssen geschützt wird. Weiterhin wird eine vergleichsweise hohe Genauigkeit des Drucksensors erreicht, indem die Meßzelle 50 von dem Gehäuse 60 weitgehend mechanisch entkoppelt ist. Dies wird dadurch ermöglicht, daß ausschließlich der Trägerkör per 40 an dem Gehäuse 60 befestigt ist, wohingegen der Grundkörper 10 und die Membran 20 weitgehend spannungsfrei im Inneren des Gehäuses 60 an geordnet sind. Zu der weitgehend spannungsfreien Anordnung der Membran 20 trägt im wesentlichen bei, daß die Membran 20 und der Trägerkörper 40 durch Co-Sintern stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Fremde Zusatz werkstoffe, die in der Fügezone zwischen Membran 20 und Trägerkörper 40 unweigerlich thermische Spannungen hervorriefen, werden auf diese Weise vermieden. Darüber hinaus verhindert der Trägerkörper 40, daß die Membran 20 auf Torsion beansprucht wird. In diesem Zusammenhang ist förderlich, daß der Trägerkörper 40 mittig an dem Flansch 61 des Gehäuses 60 angeordnet ist, wie in Fig. 2 zu erkennen ist.The pressure sensor described above is used to measure the absolute pressure of a gaseous or liquid pressure medium. The pressure sensor is characterized by a compact and robust design. This is helped by the fact that the measuring cell 50 is protected by the housing 60 and the protective gas 64 present in it from environmental influences which impair the measuring result. Furthermore, a comparatively high accuracy of the pressure sensor is achieved in that the measuring cell 50 is largely mechanically decoupled from the housing 60 . This is made possible by the fact that only the carrier body is attached to the housing 60 by 40 , whereas the base body 10 and the membrane 20 are arranged largely without tension in the interior of the housing 60 . At the largely stress-free arrangement of the membrane 20 contributes substantially that the membrane 20 and the support body 40 are connected by co-sintering a material fit to one another. Foreign additive materials that inevitably cause thermal stresses in the joining zone between membrane 20 and carrier body 40 are avoided in this way. In addition, the carrier body 40 prevents the membrane 20 from being subjected to torsion. In this context, it is beneficial that the carrier body 40 is arranged centrally on the flange 61 of the housing 60 , as can be seen in FIG. 2.
Auf Grund der weitgehend spannungsfreien Lagerung der Membran 20 werden Hystereseerscheinungen, die das Meßergebnis verfälschten, vermieden. Der durch den Abstandhalter 30 von der Membran 20 getrennte Grundkörper 10 dient vornehmlich zur Erzeugung des elektrischen Felds zwischen den Elektro den 11a-12b und den Gegenelektroden 21a-22b. In dem Grundkörper 10 treten somit nahezu keine Spannungen auf. Das Gleiche gilt für die durch den Ab standhalter 30 gebildete Fügezone zwischen Grundkörper 10 und Membran 20, die damit das Meßergebnis gleichfalls nicht beeinträchtigt. Der Grundkörper 10 ermöglicht zudem auf einfache Weise die Auswerteeinrichtung 70 unmittelbar an der Meßzelle 50 anzuordnen. Meßverfälschungen auf Grund einer längeren Signalübertragung werden mithin ausgeschlossen. In Hinsicht auf ein genaues Meßergebnis ist es überdies möglich, die Temperatur der Meßzelle 50, die durch den Sensor der Auswerteeinrichtung 70 ermittelt wird, zur Korrektur des gemessenen Absolutdrucks heranzuziehen. Auf Grund der hohen thermischen Leitfähigkeit der hauptsächlich aus einer Oxid-Keramik bestehenden Meßzelle 50 und der unmittelbaren Anordnung der Auswerteeinrichtung 70 und damit des die Temperatur erfassenden Sensors an der Meßzelle 50 läßt sich die Temperatur exakt erfassen. Nicht zuletzt trägt der kapazitive Drucksensor durch die Kapselung der Meßzelle 50 und der Auswerteeinrichtung 70 durch das Ge häuse 60 und das in diesem vorhandene Schutzgas 64 einer elektromagneti sche Verträglichkeit (EMV) Rechnung. Due to the largely tension-free mounting of the membrane 20 , hysteresis phenomena that falsify the measurement result are avoided. The base body 10 separated by the spacer 30 from the membrane 20 serves primarily to generate the electric field between the electrical 11 a- 12 b and the counter electrodes 21 a- 22 b. Almost no stresses occur in the base body 10 . The same applies to the joining zone formed by the spacer 30 between the base body 10 and the membrane 20 , which likewise does not impair the measurement result. The base body 10 also enables the evaluation device 70 to be arranged directly on the measuring cell 50 in a simple manner. Measurement errors due to a longer signal transmission are therefore excluded. With regard to an accurate measurement result, it is also possible to use the temperature of the measuring cell 50 , which is determined by the sensor of the evaluation device 70 , to correct the measured absolute pressure. Due to the high thermal conductivity of the measuring cell 50, which mainly consists of an oxide ceramic, and the direct arrangement of the evaluation device 70 and thus of the sensor on the measuring cell 50 that detects the temperature, the temperature can be detected exactly. Last but not least, the capacitive pressure sensor takes into account the encapsulation of the measuring cell 50 and the evaluation device 70 through the housing 60 and the protective gas 64 present in the latter, an electromagnetic compatibility (EMC).
1010
Grundkörper
body
1111
a Referenzelektrode
a reference electrode
1111
b Referenzelektrode
b reference electrode
1212
a Druckelektrode
a pressure electrode
1212
b Druckelektrode
b pressure electrode
2020
Membran
membrane
2121
a Referenzgegenelektrode
a reference counter electrode
2121
b Referenzgegenelektrode
b reference counter electrode
2222
a Druckgegenelektrode
a pressure counter electrode
2222
b Druckgegenelektrode
b pressure counter electrode
3030
Abstandhalter
spacer
4040
Trägerkörper
support body
4141
Vertiefung
deepening
4242
Öffnung
opening
4343
Rand
edge
5050
Meßzelle
measuring cell
6060
Gehäuse
casing
6161
Flansch
flange
6262
Zufuhrleitung
supply line
6363
hermetisch abgedichtete Öffnung
hermetically sealed opening
6464
Schutzgas
protective gas
7070
Auswerteeinrichtung
evaluation
7171
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electrical line
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