DE2556947A1

DE2556947A1 - Auf druck ansprechende kapazitaet

Info

Publication number: DE2556947A1
Application number: DE19752556947
Authority: DE
Inventors: George T Bata; Ralph Wolf Carp; Michael Slavin
Original assignee: Bendix Corp
Current assignee: Bendix Corp
Priority date: 1975-01-07
Filing date: 1975-12-18
Publication date: 1976-07-08
Also published as: GB1517705A; DE2556947B2; FR2297485A1; JPS566694B2; CA1037575A; FR2297485B1; US3993939A; DE2556947C3; JPS51125858A

Description

slHflUE-BROSI^BROSE

D-8023 München-Pullach. Wiener Str. 2. Tel. (089, 7 £3 30 71; Telex 5212147 bros d. Cable- »Patentibus- München

Ihr Zeichen Tag:

Your ref.: 5287—Δ Date l6. ⁿezember 1975

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THE BEHDIX CORPORATION, Executive Offices, Bendix Center,
Southfield, Michigan, 48075, USA

Auf Druck ansprechende Kapazität

Die Erfindung betrifft auf Druck ansprechende Kapazitäten mit einer auf Druck ansprechenden Membran, die eine Kapazitätsplatte enthält und mit einem dicken Metallfilmüberzug zusammenwirkt, wobei dieser Überzug die andere Kapazitätsplatte darstellt. Speziell betrifft die Erfindung eine auf Druck ansprechende Kapazität, bei welcher Kapazitätsänderungen sich hauptsächlich aufgrund von Druckänderungen innerhalb der effektiven Fläche der Kapazitätsplatten auswirken.

Druckwandler- oder Abtastvorrichtungen sind seit langem in den verschiedenen Ausf uhrungsformen bekannt. Bei diesen Vorrichtungen hat man auf Druck ansprechende Kapazitäten entwickelt, bei denen eine auf Druck ansprechende und leitende Membran über

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abgedichtet

einer Elektrode ^efestigt ist, die an einem dielektrischen Substrat befestigt ist, so daß Änderungen im Druckunterschied über die Membran eine Veränderung des Abstandes zwischen der Membran und der ortsfesten Elektrode bewirken, so daß dadurch die Kapazität zwischen der Membran und der ortsfesten Elektrode in Abhängigkeit von dem Druck geändert wird. Eine derartige Vorrichtung ist in dem US-Patent 3 808 48O beschrieben. Gemäß dem Stand der Technik werden diese auf Druck ansprechenden Kapazitäten in frequenzbestimmenden Kreisen oder Oszillatoren verwendet, um dadurch ein Frequenzsignal zu erzeugen, welches auf den Druck bezogen ist. Es wurde auch bereits vorgeschlagen, die auf Druck ansprechenden Kapazitäten m Brückenschaltungen anzuordnen, um eine auf den Druck bezogene Spannung zu erzeugen.

Ein weiterer Typ eines bekannten auf Druck ansprechenden Kapazität selementes besteht aus einem nachgiebigen dielektrischen Material, welches zwischen wenigstens zwei Elektrodenplatten eingeschlossen ist. Durch einen auf die Platte aufgebrachten Druck wird das Dielektrikum federnd zusammengedrückt, und es wird eine auf den Druck bezogene Kapazität erzeugt. Ein Beispiel einer derartigen Vorrichtung ist in der US-Patentschrift 3 302 080 beschrieben.

Bei diesen bekannten Typen von auf Druck ansprechenden Kapazitäten wird die Kapazitätsänderung aufgrund einer Druckänderung durch eine Änderung des Abstandes zwischen beispielsweise der ortsfesten Elektrode und der druckempfindlichen Membran bewirkt, wobei diese Membran die zweite Elektrode der Kapazität darstellt. Die Kapazitätsänderung über den Druckdifferenzbereich ist dabei relativ eingeschränkt, und zwar insbesondere dort, wo eine relativ kleine auf Druck ansprechende Kapazität eingesetzt werden muß.

Erfindungsgemäß besteht eine druckveränderliche oder druckempfindliche Kapazität mit einem relativ großen Kapazitätsbe reich hinsichtlich des Druckdifferentialbereiches, welchem sie ausgesetzt werden kann, aus einem dielektrischen Substrat, auf

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welchem eine ebene Elektrode befestigt ist. über der ortsfesten Elektrode ist ein dünnes Dielektrikum aufrebracht. Dabei wird der Umfang einer flexiblen druckempfindlichen Membran hermetisch abgedichtet mit dem Substrat verbunden, so daß der Umfang der Membran die ortsfeste Elektrode umschließt und elektrisch von dieser isoliert ist, während der zentrale Abschnitt der Membran über der Elektrode liegt. Das Volumen zwischen der Membran und dem Substrat wird in bevorzugter Weise auf einen bestimmten Druck evakuiert, um die Membran in Berührung mit der isolierten befestigten Elektrode zu ziehen. In jedem Fall ist die Membran so ausgelegt, daß sie in Berührung mit dem Dielektrikum steht, welches auf der festen Elektrode niedergeschlagen wurde, und zwar entsprechend wenigstens einem Abschnitt des Druckdifferentialbereiches, welchem die Membran ausgesetzt werden kann. In bevorzugter Weise wird die Membran in Berührung mit dem Dielektrikum entsprechend dem gesamten Druckdifferentialbereich gehalten. Speziell ist die Membran optimal so ausgelegt, daß sie einen relativ geringen Kontakt mit dem Dielektrikum am unteren Ende des Druckdifferentialbereiches hat und sich dann in größeren Kontakt bzw. Berührung mit dem Dielektrikum entsprechend einer zunehmend größer werdenden Fläche abrollt, wenn das Druckdifferential über der Membran zum Hohen Ende des Druckdifferentialbereiches hin zunimmt. Auf diese Weise hängt die Kapazitätsänderung der druckveränderlichen Kapazität von einer Änderung der effektiven Kapazitäteplattenflache ab, so daß dadurch einen größeren Bereich der Kapazitätsänderung relativ zur Druckdifferentialänderung erhalten wird, als dies normalerweise bei einer druckempfindlichen Kapazität der Fall ist, deren Kapazitätswert sich mit dem Abstand zwischen den Platten ändert.

' Es ist somit Aufgabe der Erfindung, einen empfindlichen Druck/ Kapazitätswandler zu schaffen, der eine feste Elektrode besitzt, die auf einem Substrat niedergeschlagen wurde und von [ \ einem Dielektrikum bedeckt ^!ist, und der eine Membran enthält, j die hermetisch die feste Elektrode und das Dielektrikum abdichtet und so angeordnet Ist, daß sie sich zu einer :

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- 4 - 2 5 5 B ° ■· 7

größeren

zunehmena / Berührungsfläche auf dem Dielektrikum abrollt, wenn die Druckdifferenz über der Membran zunimmt.

Durch die Erfindung soll auch eine auf Druck ansprechende Kapazität geschaffen werden, deren effektive Fläche sich in Abhängigkeit von der Druckdifferenz über der Fläche ändert.

Auch ist es Ziel der Erfindung, einen kapazitiven Druckfühler zu schaffen, der einen relativ weiten Kapazitätsbereich gegenüber dem ihm aufgebrachten Druckdifferential besitzt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Hinweis auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 den Gegenstand der Erfindung in einer Schnittdar— stellung, wobei ein relativ niedriges Druckdifferential über der Membran aufgebracht 1st;

Fig. 2 die Vorrichtung gemäß Figur 1, wobei ein relatives Medien-Druckdifferential über der Membran herrscht;

Fig. 3 die Vorrichtung gemäß Figur 1, wobei ein relativ hohes Druckdifferential über der Membran aufgebaut ist;

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform nach der Erfindung; Fig. 5 eine noch weitere Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 6 eine Draufsicht auf die Vorrichtung gemäß Figur 1 in aufgebrochener Darstellung, um eine Elektrode und die an dem Substrat befestigten Bahnen zu zeigen;

Fig. 7 eine Einrichtung zum Betreiben des Gegenstands der Erfindung;

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Fig. P eine üraußicht auf die Vorrichtung rein''ρ ¹⁷I rur 7; und

9 ein Schema einer elektrischen Schaltung, welcher, vorteilhaft beim Gegenstand der Erfindung verwendet werden kann, um die Aus.ranprsgröße der Vorrichtung hinsichtlich Druckdifferentialänderunren zu linoarisieren.

In den verschiedenen figuren sind gleiche Elemente mit ier; gleichen Fezugszeichen versehen.

Figur 1 ist eine druckveränderliche Kapazität mit -ien Merkmalen nach der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Die gezeigte Kapazität besteht aus einem dünnen, ebenen und plattenförmigen, jedoch elektrisch nicht leitenden Substrat 10 mit einer Tragfläche 10 a, die in bevorzugter Weise relativ glatt und eben ausgebildet ist. Das Substrat 10 besteht aus einem der Substratmaterialien, die dem Fachmann gut bekannt sind, wie beispielsweise ein keramisches Tonerdematerial. Wie sich dies noch im einzelnen ergeben wird, ist es wünschenswert, daß das Substrat 10 gegenüber Gasen und Wasserdampf relativ undurchlässig ist und daß es Leiterbahnen oder Leiterflächen aufnehmen kann, die an die Fläche des Substrats angeklebt werden bzw. haften,

Ein leitender Film 12, der eine Platte oder Elektrode der druckvariablen Kapazität darstellt, ist auf der Fläche 10 a aufgedruckt, aufgedampft oder abgelagert, so daß er an dieser haftet. Ein dielektrischer Film 14 ist über der Elektrode 12 und ebenso einer Fläche um die Elektrode auf der Fläche 10 a abgelagert oder als Belag aufgebracht. Das Dielektrikum besteht geeignet aus einem Glasmaterial, wie auch dies dem Fachmann auf dem Gebiet der Dickfilmtechnik gut bekannt ist, wobei die Elektrode 12 und das Dielektrikum lh durch Dickfilmtechniken niedergeschlagen oder aufgedruckt werden. Bei einer tatsächlichen realisierten j Vorrichtung bestand das Dielektrikum aus einer Dickfilmpaste O62O9-S, die von der Firma Owen-Illinois, Inc., Toledo, Ohio, ; .erhältlich, ist. _ J

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Eine dünne, flexible und elektrisch leitende Membran 16 enthält einen flexiblen zentralen Abschnitt 16 a, und zwar den Abschnitt innerhalb des Kreises 16 f, und enthält einen relativ starren Umfangsabschnitt 16 b_f der aus einem aufrecht stehenden abgewinkelten Abschnitt 16 c und einem nach außen weisenden abgewinkelten Abschnitt 16 d besteht. Der Abschnitt der Membran 16 e zwischen dem aufrecht stehenden Abschnitt 16 c und dem zentralen Abschnitt 16 a bildet den Übergang zwischen dem relativ steifen Abschnitt der Membran und dem relativ flexiblen Abschnitt der Membran und ist speziell so ausgebildet, daß der zentrale Abschnitt 16 a gegen das Dielektrikum 14 rollen kann bzw. gedruckt wird, wenn der Druckunterschied über der Membran zunimmt. Der nach außen zeigende Umfange ab schnitt 16 d der Membran ist hermetisch gegen die Fläche 10 a abgedichtet. Bei einer druckvariablen Kapazität, die tatsächlich hergestellt wurde, war die Membran mit Hilfe eines vorgefertigten halb ausgehärteten Epoxy-Klebemittels auf Glasbasis befestigt. Das Klebemittel wurde dann voll ausgehärtet, um die hermetische Abdichtung zu vervollständigen.

Das Volumen unterhalb der Membran 16, das,heißt das Volumen 18, wird evakuiert und kann erneut bis zu einem vorbestimmten Druck mit einem Standardgas gefüllt werden, wenn dies gewünscht wird. Mittel zur Evakuierung des Volumens 18 sind nicht gezeigt, da derartige Einrichtungen dem Fachmann gut bekannt sind. Beispielsweise kann die Membran 16 eine zentral gelegene Öffnung aufweisen, wobei die Kapazität in einer Vakuumkammer zusammengebaut wird, die ausgepumpt ist, um den Raum 18 über die genannte Öffnung in der Membran zu evakuieren, wobei danach die genannte Öffnung mit Lötmetall verschlossen wird. Bei der tatsächlich ausgeführten auf Druck ansprechenden Kapazität wurde ein Auspumprohr verwendet, welches in Figur 7 zu sehen ist und welches im folgenden mehr im einzelnen erläutert werden soll.

Figur 1 zeigt den Zustand der Membran der druckveränderlichen Kapazität, wenn die Druckdifferenz über der Membran sich am unteren Ende ihres Bereiches befindet. Wenn die Druckdifferenz

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über der Membran zunimmt, so rollt die '-'embran zn einer zunehmend größer werdenden Berührunp-sf 1^J-chp mit de:·; Dielektrikum I^ ab, wie dies in den Pipuren ? und 3 dargestellt ist, so daß die effektive Fläche der Kapazitätsplatten dadurch erhöht wird. Es ergibt sich somit, daß der Konstrukteur dabei aufpassen nuß, daß diese Membran abrollen kann, wie dies erläutert wurde, wenn der Druck über der Membran geändert wird, so daß die Membran nicht als solche relativ zur ortsfesten Elektrode verschoben wird. Figur 4 veranschaulicht einen anderen Membrantyp, der regen eine feste Elektrode abrollen kann. Gemäß dieser Figur 1st die Membran; 20 mit vollen Linien gezeigt, und zwar in ihrem relativ unbelasteten Zustand, und ist mit gestrichelten Linien in einem belasteten Zustand gezeigt. Die Membran 20 besitzt in bevorzugter Weise eine Scheibenform und ist hermetisch an ihrem Umfang mit dem Substrat 24 über einen Ring 22 befestigt und abgedichtet. Auf dem Substrat sind die Elektrode 26 und das Dielektrikum 2P aufgedruckt. Wenn die Druckdifferenz über der Membran zunimmt, und zwar entweder durch Evakuieren des Raumes 30 oder durch Erhöhen des Druckes an der Membran oder durch eine Kombination dieser beiden Wirkungen, so wird das Zentrum der Membran nach unten ausgelenkt, bis es das Dielektrikum 28 berührt, wie dies gezeigt ist. Dies entspricht dem unteren Ende des Druckbereiches, in welchem die Kapazität in der durch diese Figur gezeigten Welse arbeiten kann. Wenn der Druckunterschied über der Membran zunimmt, so rollt die Membran zu einer zunehmend größeren Berührungsfläche mit dem Dielektrikum ab. Es ist natürlich mög- _: lieh, die Membran so zu gestalten, daß sie in ihrem unbelasteten

'. Zustand die strichliert gezeichnete Gestalt hat. Bei diesem ; j Membrantyp liegt das untere Ende des Druckbereiches, über welchem; die Kapazität in der durch diese Figur gezeigten Weise arbeiten ! kann, bei einer Druckdifferenz über der Membran gleich null. !

j Es sei hervorgehoben, daß die Vorrichtung gemäß Figur ¹I insbesondere temperaturempfindlich sein kann. Das heißt, der Kapazi-' tätswert aufgetragen gegenüber den Druckkennlinien der Vorrichtung ändert sich mit TemperaturSchwankungen. Die Temperaturerapfindlichkeit wird dadurch hervorgerufen, daß es nicht möglich

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Ist, den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Substrats dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Membran anzupassen. Die Membran wird in geeigneter Weise aus einer Ni-Sran-C-Legierung hergestellt, einem Material, dessen linearer Vilrneausdehunniskoe^fizient genau gesteuert wird, um seine physikalischen Eigenschaften gleichmäßig zu halten. Die Wärmeausdehnungskoeffizienten der Substrat-Materialien werden jedoch nicht genau gesteuert, so daß es dadurch erforderlich wird, die thermische Empfindlichkeit durch besondere Gestaltung der Kapazität zu verbessern. Speziell läßt sich die thermische Empfindlichkeit dadurch verbessern, wenn die Kapazität so gestaltet wird, daß der Umfang der Membran relativ frei für eine Bewegung in einer Richtung 1st, die parallel zur Ebene der Membran verlauft. Es ist natürlich auch erforderlich, daß der Umfang der Membran relativ fest gegenüber einer Bewegung senkrecht zur Ebene der Membran ist, um sicherzustellen, daß die Membran in dem Betriebszustand nach der Erfindung abrollen kann und also nicht körperlich nach oben und unten verschoben wird, wenn sich die Druckdifferenz über der Membran ändert.

Die Membran gemäß Figur 1 erfüllt vollständig die Anforderungen, wie sie erfindungsgemäß gestellt werden. Insbesondere ermöglicht der Zwischenabschnitt Ib e, daß der zentrale Abschnitt 16 a der Membran sich ausdehnen und zusammenziehen kann, und zwar Klativ unbehindert, und sich also in einer Richtung parallel zur Ebene des zentralen Abschnitts der Membran bewegen kann, da eine Biegung des UmfangsabSchnitts 16 b um die Linie hervorgerufen wird, welche das obere Ende · des Zwischenabschnitts 16 e definiert, und ebenso um die Linie, , welche den Schnittbereich des nach oben ragenden Abschnit-' tes 16 c und des nach außen zeigenden ringförmigen Ab- ^: Schnitts 16 d definiert. Wie sich nunmehr jedoch klar ergibt, ί ist der zentrale Abschnitt 16 a der Membran hinsichtlich Kräften, die senkrecht zur Ebene des zentralen Abschnitts der Membran wirken beim Kreis 16 f am steifsten, und dieser wird j zunehmend weniger steif in Richtung zur Mitte der Membran hin. j Ein einheitlich nach unten auf die Membran ausgeübter Druck

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bewirkt somit, daß das Zentrum der Membran um eine größere Strecke ausgelenkt wird als der verbleibende Abschnitt der Membran mit dem Ergebnis, daß die Membran mit zunehmender Druckdifferenz über der Membran über eine nahe bei dieser verlaufenden Fläche abrollt.

Bei einem in der Praxis hergestellten druckvariablen Kapazitätselement mit den Merkmalen, wie sie sich aus Figur 1 ergeben, wobei diese Kapazität einer Druckdifferenz über der Membran von 150 bis 800 Torr ausgesetzt wurde, ergab sich ein Kapazität sbereich von 100 bis 250 Picofarad. Die Membran bestand aus einem 0,00762 cm (0,003 inch) dicken Ni-Span-C-Material. Bei einem ebenen zentralen Abschnitt 16 a, der einer Druckdifferenz über der Membran von null entsprach, ergab sich eine Trennung zwischen der Membran und dem Dielektrikum von 0,00762 cm (0,003 inch). Der Gesamtdurchmesser betrug 3,098 cm (1,220 inch), und die Gesamthöhe betrug 0,142 cm (0,056 inch). Der Durchmesser des zentralen Abschnittes 16 a betrug 2,128 cm (0,838 inch). Der Radius des dazwischenliegenden Abschnitts 16 e betrug 0,088 cm (0,035 inch), während die Run. dunp«*adien 0,03 cm (0,012 inch) betrugen.

Eine andere Ausführungsform nach der Erfindung ist in Figur 5 gezeigt, auf die nun näher eingegangen werden soll. Gemäß Fi-

auf der
gur 5 ist / Oberfläche eines Substrate 31 eine Elektrode 32

befestigt, die durch ein dünnes Dielektrikum 34 bedeckt ist.

k re i sTö rmi ge r

Ein/Ring 36 umgibt die Elektrode 32. Eine kreisförmige Mem bran 38, die entweder im nicht belasteten Zustand eben sein kann, wie dies gezeigt iet, oder die gleich von vornherein so geformt sein kann, daß sie im unbelasteten Zustand die in Figur 4 mit strichlierten Linien angedeutete Gestalt hat, ist frei an ihrem Umfang durch einen Ring 36 abgestützt. Die Membran und der Ring werden dann durch einenhutförmig gestalteten / aus einem Elastomer bedeckt, die an dem Substrat 31 angedichtet oder anderweitig befestigt wird, um zu verhindern, daß ein unter Druck gesetztes Medium, welches auf die Struktur 40 drückt, in die Kammer 42 eindringen kann, und zwar zwischen der

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- ίο -

Ι"" Γ" /¹^ f"\ I ^)

Membran 3? und der Elektrode 3?. Die insel tire obere Kante des Ringes 36 kann angefast ausgeführt sein, um ein Durchbieren der Membran 3^ zu begünstip-en. Bei dieser Ausführung form ist die Membran durch den Rinr 36, die Struktxir 40 und den auf diese wirkenden Druck in vertikaler Richtung befestigt. Andererseits ist die Membran relativ frei, ihren Durchmesser zu ändern, und zwar in Abhängigkeit von einer Temperaturschwankung innerhalb der elastoir.eren Struktur 40, da sie nicht an dem Ring 36 befestigt ist.

Figur 6 zeigt eine Draufsicht auf die druckvariable Kapazität von Figur 1, die ein Substrat 10 mit einer typischen Elektrode 12 und einer daran befestigten dielektrischen Abdeckung oder überzug 14 besitzt. Die Membran 16 ist der Übersichtlichkeit halber in aufgebrochener Darstellung veranschaulicht. Die Elektrode 12 besitzt eine Leiterbahn 12 a, durch die eine elektrische Verbindung unter der Membran möglich wird. Die Leiterbahn 12 a besitzt auch in geeigneter Welse einen dielektrischen überzug, um diese dort zu isolieren, wo sie unter dem nach außen ragenden ringförmigen Abschnitt 16 d hindurchläuft.

Eine kreisförmige Bahn 48, die an dem Substrat befestigt ist, umgibt die Elektrode 12. Die Bahn 48 umfaßt einen geradlinigen Abschnitt 48 a. Die Bahn 48 besitzt allgemein die gleiche planare fir3ße wie der nach außen zeigende ringförmige Abschnitt 16 d der Membran. Die Membran ist über einen auf Glas gelagerten Epoxy-Klebstoffilm an dem Substrat abgedichtet, welcher entsprechend den Abmessungen des nach außen weisenden Abschnitts 16 d vorgestanzt ist, und wird zwischen diesem und der Bahn 48 : angeordnet und ausgehärtet, um die Bindung zu vervollständigen. Die Membran kann dann an der geradlinigen Leiterbahn 48a angelötet werden, um eine elektrische Verbindung mit dieser her- ; zustellen. Der Epoxy-Film schafft eine zusätzliche Isolation '■ \ zwischen der Membran und der Bahn 12 a und ist auch an die Räume j b auf beiden Selten der Bahn 12 a angepaßt, um die Membran ! hermetisch an dem Substrat abzudichten.

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Gemäß Figur 7 ist eine Einrichtung zum Betreiben des Gegenstandes von Figur 1 gezeigt, wobei Figur 8 eine Draufsicht auf die Vorrichtung gemäß Figur 7 zeigt. Die Membran 16 ist an dem Substrat 10 befestigt. Eine Kappe 50 mit einer Öffnung 50 a zur Herstellung einer Strömungsverbindung mit dem Volumen 52 unter der Kappe 50, ist hermetisch mit dem Substrat 10 mit Hilfe eines O-Ringes 56 in einer Nut 54 abgedichtet. Leitungen können nun von der Öffnung 50 a zu einer Druckquelle vorgese hen werden, die überwacht werden soll. Eine weitere steife Kappe 58 ist hermetisch mit der gegenüberliegenden Fläche des

dazwischen
Substrats 10 abgedichtet, um/ein Volumen 64 zu bilden. Eine Öffnung 62 in dem Substrat verbindet das Volumen 64 mit dem Raum unterhalb der Membran 16. Das Rohr 60 kann dazu verwendet werden, das Volumen 64 und den Raum unterhalb der Membran 16 auszupumpen, und kann dann abgedichtet werden. Alternativ kann das Rohr 60 mit einer zweiten Druckquelle verbunden werden, so daß die Membran 16 in Abhängigkeit von der Druckdifferenz der zwei Druckquellen in Anlage gerollt wird.

Die Kappe 58 ist besonders dann vorteilhaft, wenn die Kapazität evakuiert ist, und das Rohr 60 abgedichtet ist, da das Volumen 64 um ein Vielfaches größer ist als das Volumen unterhalb der Membran 16. Auf diese Weise werden die Einflüsse irgendeines Lecks unter der Membran weitgehend gedämpft.

Überprüft man erneut die Figuren 1 bis 3» so wird es offensichtlich, daß bei Änderung des Druckes, über der Membran 16 der Durchmesser des Abschnitts der Membran verändert wird, welcher in Berührung mit dem Dielektrikum steht. In der Tat variierte der Durchmesser bei der hergestellten druckvariablen Kapazität ' nahezu linear mit dem Druck. Natürlich ändert sich auch die Ka- : pazität linear mit der effektiven Kapazitätsfläche, die sich ' ihrerseits mit dem Quadrat des zuvor erwähnten Durchmessers ! verändert. Die Kapazität wird demnach mit dem Quadrat des • Druckes über der Membran verändert. Wenn es wünschenswert ist, ! eine druckvariable Kapazität herzustellen, deren Kapazitätswert ' sich linear mit der Druckdifferenz ändert, so kann die feste

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Elektrode so gestaltet werden, daß ihre effektive Fläche sich linear mit dem Durchmesser ändert. Wenn es nicht wünschenswert ist, die feste Elektrode so zu gestalten, jedoch eine lineare Kapazitätsänderung in Abhängigkeit von dem Druck dennoch erforderlich ist, gibt es die Möglichkeit, eine elektronische Schaltung zu verwenden, wie sie beispielsweise in Figur 9 schema— tisch gezeigt ist, um eine Linearisierung zu erreichen. Gemäß dieser Figur wird eine Kapazität 68 mit der Kapazität G durch : einen Strom I aus einer konstanten Stromquelle 66 geladen. Die Kapazität wird über den Widerstand 64 mit dem Wert R entladen, wenn ein elektronischer Schalter, der als Schalter 62* darge— , stellt ist, geschlossen wird. Der Schalter 62' wird während der Ausgangsimpulse des Rechteckwellengenerators 60' geschlossen, ^! wobei die Breite der Ausgangsimpulse linear auf die Kapazität ^: bezogen ist. Die Kapazität für die Steuerung des Rechteckwel- ; lengenerators 60' wird natürlich von einer druckvariablen Ka- ' pazität erhalten. Bei diesem Stromlaufplan ist angenommen, daß C groß relativ zu IR und zur Folgefrequenz des Schalters 62· ist, so daß die Spannung an der Kapazität 68 einen Gleichgewichtswert e erreicht. Bei einer Analyse der Betriebsweise der Schaltung gemäß Figur 9 ist zu beachten, daß der Schalter 62» für eine Periode t offen ist und für eine Periode (T - t) geschlossen ist, wobei T die konstante Wiederholfolge des Recht— _; eckwellengenerators 60* ist. ^!

Es gelten dann folgende Beziehungen:

AQ₁ = It ;

AQ₉ = (ι-!a) (τ -1) ;

Hierin bedeuten Aq. = die der Kapazität 68 während der Perio- ;

de t hinzugefügten Ladungen

und Δ Q₂ = die von der Kapazität 68 während der

Periode (T - t) entfernten Ladungen.

„ . I

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-■13-

Bei Gleichgewicht gilt:

It₊(I- jjr£) (T₀ - t) = O

woraus man erhält:

β = RI -J-g-ο

Da t einen Impuls darstellt, dessen Impulsbreite proportional zu einer Kapazität C₁ ist, die sich mit dem Druck ändert, und wenn T die Breite dieses Impulses sein würde, wenn der Wert
der Kapazität gleich C erreichen soll, gilt:

1 - ■■-'

Wenn weiter C. durch die Funktion;

definiert ist, wobei C , P und K Konstanten sind, und wenn P den Druck über der Membran bedeutet, dann wird

. 1

e = RI

-WB (1 -

O O

tr

Wenn die Wiederholperiode T so gewählt ist, daß

so wird

P + P

^! Aus der zuvor angeschriebenen Definition ergibt sich, daß e

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-14- ~ ρ-, -~ f. _n ι _n

eine lineare Funktion von P ist.

Durch die Erfindung wird somit eine druckveränderliche Kapazität geschaffen, bei welcher eine auf Druck ansprechende Membran an einem Substrat befestigt ist, welches mit einem Di ck-

ir.etall
schicht / .überzug ausgestattet ist, der mit einem dielektrischen

Glasüberzug bedeckt ist, so daß die Membran und der Dickschicht-: überzug eine druckveränderliche Kapazität bilden. Druckunter— schiedsänderungen über der Membran zwingen diese dazu, an der Glasschicht abzurollen, so daß

also die Fläche der Membran, die mit dem Glas in Berührung gelangt, geändert wird und damit auch die Kapazität geändert wird.

Es lassen sich verschiedene Abwandlungen beim Gegenstand der i vorliegenden Erfindung durchführen, ohne dabei Jedoch den Rah- \ men der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Sämtliche in der Beschreibung erkennbaren und in den Zeichnungen veranschaulichten Einzelheiten sind für die Erfindung von Bedeutung.

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Claims

- Λ AT -

255-°

Patentansprüche

1,'Auf Druck ansprechende Kapazität, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem elektrisch nicht leitenden Substrat (10) mit einer Abstützfläche (10 a), einer Elektrode (12) mit einem elektrisch leitenden Film, der an einem Abschnitt der Abstützfläche (10 a) befestigt ist, einer dünnen flexiblen und elektrisch leitenden Membran (16), die hermetisch an der abstützenden Fläche (10 a) abgedichtet ist, besteht, daß die Membran (16) über der Elektrode (12) liegt und daß die Membran (16) und die Elektrode (12) die Platten der auf Druck ansprechenden Kapazität darstellen; daß weiter ein dielektrischer Film (14) zwischen der Membran (16) und der Elektrode (12) angeordnet ist, so daß die Kapazität einen auf die Druckdifferenz über der Membran (16) innerhalb eines vorbestimmten Druckdifferenzbereiches bezogenen Kapazitätswert erreicht, und die Membran (16) mit der Elektrode (12) über den dielektrischen Film (14) über eine relativ kleine Fläche am unteren Ende des genannten Bereiches in Berührung steht und über den dielektrischen Film (14) bei zunehmender Druckdifferenz über der Membran (16) in zunehmend größeren Flächenkontakt mit der Elektrode (12) abrollt.
2. Kapazität nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine tassen- oder kappenförmig gestaltete steife Konstruk-

. tion (58) hermetisch an der Fläche des Substrats (10) gegenüber der Membran (16) abgedichtet ist, um zwischen der gegenüberliegenden Fläche dee Substrats (10) und der Konstruktion (58) einen abgeschlossenen Raum (64) zu bilden, und daß durch das Substrat (10) ein Kanal (62) Mndurchreickt_f um einen Druckausgleich auf beiden Seiten des Substrats (10) zu ermöglichen.
3. Kapazität nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dielektrische Film (14) an und über der Elektrode (12) befestigt ist.

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4. Kapazität nach Anspruch. 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum (13), der von der Membran (16) umschlossen ist, wenigstens teilweise evakuiert und abgedichtet ist.
5. Kapazität nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (16) in ihrem ebenen Zustand relativ dicht bei der Elektrode (12) liegt, und daß ihr Umfang ,relativ

bzw. unbeweglich zu einer Druckkomponente örtlich befestigt/ist, die auf die Membran (16) in einer Richtung senkrecht zur Ebene der Membran (16) wirkt, daß die Membran (16) mit zunehmendem Abstand vom Umfang zum Zentrum der Membran (16) hin proportional weniger örtlich fest relativ zu einer Druckkomponente ist, die auf die Membran (16) in einer Richtung senkrecht zur Membranebene wirkt.
6. Kapazität nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (20) im Normalzustand eben ausgebildet und an ihrem Umfang befestigt ist.
7. Kapazität nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (38) derart angeordnet ist, daß sie relativ frei gegenüber einer in Abhängigkeit von Temperaturänderungen radial gerichteten Größenänderung oder G-estaltänderung ist.

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