DE2626774A1

DE2626774A1 - Kapazitiver druckmesswandler

Info

Publication number: DE2626774A1
Application number: DE19762626774
Authority: DE
Inventors: Samuel Andrew Johnston
Original assignee: Bunker Ramo Corp
Current assignee: Bunker Ramo Corp
Priority date: 1975-06-18
Filing date: 1976-06-15
Publication date: 1976-12-30
Also published as: CA1065642A; GB1531366A; US4040118A; JPS522581A; SE7606903L; FR2315024A1

Description

PATENTANWÄLTE

A. GRUNECKER

QPl-ING.

H. KINKELDEY

DR.-ING

W. STOCKMAIR

DfWNG · AeE ICALTECH!

K. SCHUMANN

Dft RSl NAT. · D(PU-PHYS.

P. H. JAKOB

■ CHPL-FNa

G. BEZOLD

DH. RER NAT· DlPU-CHEM.

P 10 542

BUNKER RAMO CORPORATION

Commerce Dxive, Oak Brook, 111. 60521, USA

8 MÜNCHEN

MAXIMILIANSTRASSE-

15. Juni. 1976

Kapazitiver Druckmeßwandler

Die Erfindung bezieht sich auf einen kapazitiven Druckmeßwandler.

Die US-P3 3 808 480 beschreibt einen Druckraeßwandler zum Erzeugen von zwischen durch ein Paar Membranen begrenzten volumenveränderlichen Kammern und entweder einer die

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Membranen umgebenden Kammer oder der freien Umgebung vorhandenen Druckunterschieden entsprechenden elektrischen Signalen. Ein solcher Wandler ist ein ungewöhnlich kompakter und dabei leistungsfähiger Fühler zum Ermitteln von Druckänderungen. Die die volumenveränderlichen Kammern begrenzenden Membranen sind jeweils an einer zugeordneten. Elektrode auf einer nicht leitenden Unterlage angelötet oder sonstwie abdichtend daran befestigt.

Die geweilige Elektrode umgibt in einem gewissen Abstand eine auf der nicht leitenden Unterlage angeordnete innere Elektrode oder feste Kondensatorplatte, und die von den Membranen begrenzten Kammern sind über eine die Unterlage durchsetzende Öffnung miteinander verbunden, so daß in ihnen der gleiche Druck herrscht. Die Membranen stellen bewegliche Kondensatorplatten dar, deren Abstand von den feststehenden Platten auf der Unterlage durch den Druckunterschied zwischen den volumenveränderlichen Kammern und dem diese umgebenden Raum bestimmt wird. Ein dem Druckunterschied entsprechendes Signal wird über an den Membranelektroden und den feststehenden Kondensatorplatten angeschlossene Leiter abgenommen.

Bei der beschriebenen Anordnung weist wenigstens eine Membrane, gewöhnlich an einer Stelle in der Mitte, eine Öffnung zum Evakuieren des Raums zwischen den Membranen auf. Die Öffnung muß dann innerhalb einer Yakuumkammer verlötet oder sonstwie abgedichtet werden. Anderenfalls kann auch ein Anschluß für eine Druck- oder Vakuumquelle, gewöhnlich an einer Umfangswand der einen Membrane, vorgesehen sein.

Bei einer solchen Anordnung ergeben sich gewisse Schwierigkeiten in bezug auf die Wirtschaftlichkeit und Zuverlässigkeit der Herstellung sowie dadurch, daß das Ansprechverhalten der einen Membran durch die abzudichtende Öff-

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nung bzw. durch den Druckanschluß so beeinflußt wird, daß die beiden Membranen unterschiedlich ansprechen.

Anderenfalls kann in dem Raum zwischen.den beiden Membranen der normale Umgebungsdruck herrschen, wobei der Wandler dann innerhalb einer mit Unterdruck oder Überdruck gespeisten Kammer untergebracht werden muß, wozu dann eben eine zusätzliche Kammer erforderlich ist.

Das Anschließen eines Leiters an den feststehenden Kondensatorplatten bietet eine weitere Schwierigkeit, da ein solcher Leiter gewöhnlich zwischen dem Rand einer Membrane und der Unterlage hindurchgeführt und dabei gegenüber der Membrane isoliert sein muß, wodurch sich eine unerwünschte kapazitive Beziehung ergibt.

Die Erfindung schafft einen Membran-Druckmeßwandler, bei welchem der Anschluß und/oder die Abdichtung der von den Membranen begrenzten volumenveränderlichen Kammern ohne Beeinträchtigung des Ansprechvermögens einer der Membranen bewerkstelligbar ist.

Zu diesem Zweck verwendet die Erfindung einen aus mehreren Schichten oder Unterlagen aufgebauten Träger mit einer mittleren Schicht oder Unterlage mit einem radialen Schlitz, welcher einen Durchlaß zwischen den volumenveränderlichen Kammern und einem Rand des Trägers bildet, so daß die beiden Membranen spannungsfrei und in gleichem Zustand bleiben können. Die mittlere Schicht des Trägers ist vorzugsweise zwischen zwei jeweils eine Membrane und eine feststehende Kondensatorplatte tragenden äußeren Schichten oder Unterlagen angeordnet, so daß der Durchlaß bis auf seine Mündung am Rand des Träge'rs geschlossen ist. Die Schichten des Trägers haben im Bereich der Mündung des Durchlasses an seinem Rand jeweils " eine Metallauflage, so daß der Durchlaß zugelötet oder

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mit einem Anschluß versehen werden kann, ohne daß an den Membranen Spannungen oder sonstige unerwünschte Einflüsse in Erscheinung treten.

Elektrische Verbindungen mit und zwischen den Membranen sind durch als Leiter ausgebildete Metallauflagen auf den Außenflächen der äußeren Schichten und miteinander fluchtend die Schichten des Trägers durchsetzende Öffnungen gebildet. Für die elektrische Verbindung der feststehenden Kondensatorplatten mit einem äußeren Anschluß erstreckt sich ein Leiter durch die die beiden von den Membranen begrenzten Kammern miteinander verbindende Öffnung, welche somit einem doppelten Zweck dient, und ein mit diesem verbundener Leiter verläuft auf der mittleren Schicht bis an eine Stelle außerhalb der Bänder der Membranen, wodurch die Zuleitung der feststehenden Kondensatorplatten in einem gleichmäßigen Abstand von den Membranen und ihren 'Anschlüssen geführt ist und Verzerrungen des kapazitiven Ansprechvermögens auf ein Mindestmaß beschränkt sind.

Im folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine zerlegte Schrägansicht eines erfindungsgemäßen Druckmeßwandlers und

Fig. 2 eine Schnittansicht des Wandlers entsprechend der Linie 2-2 in Fig. 1.

Der in Fig. 1 und 2 dargestellte Druckmeßwandler 10 hat die Form etwa einer Kapsel und kann je nach dem Verwendungszweck in einem Gehäuse befestigt oder in einer freien Umgebung angeordnet v/erden. Der Wandler 10 setzt sich zusammen aus zwei napfförmigen metallenen Membranen 12, 14 und einem dazwischen angeordneten Träger 16.

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Der Träger 16 hat eine obere oder äußere, eine mittlere und eine untere oder äußere Schicht oder Unterlage 18 bzw. 20 bzw. 22. Die Schichten 18, 20 und 22 sind vorzugsweise aus einem keramischen Werkstoff, etwa dem 94-%igen AIpO^ der Firma American Lava Corporation in Chattanooga, USA. Ein solches Unterlagenmaterial ist in einer Broschüre der genannten Firma mit dem. Titel AlSiMg und in einer Verööfentlichung der gleichen Firma unter dem Titel "Design Considerations for Multilayer Ceramic Substrates" beschrieben.

Die Schichten 18, 20, 22 haben die Form von Vielecken, beispielsweise Sechsecken, Rechtecken oder Quadraten mit abgeschnittenen Ecken. Die äußeren Schichten 18, 22 sind jeweils etwa 0,25 bis ca. 0,75 πηπ, vorzugsweise zwischen ca. 0,5 und 0,75 ram dick. An ihren nach außen gewandten Flächen 24- weisen sie jeweils aufgedruckte oder sonstwie abdichtend aufgebrachte Metallbeläge in Form einer inneren, feststehenden Kondensatorplatte 26 und eines diese kreisförmig umgebenden Leiters 28 auf. Die feststehenden Kondensatorplatten 26 und die Schichten 18, 20, 22 des Trägers 16 sind in der Mitte von miteinander fluchtenden Öffnungen 30 durchsetzt, an deren Wandungen ein leitendes Material 32 stoffschlüssig befestigt ist. Der aus dem Material 32 gebildete Leiter verbindet die beiden feststehenden Kondensatorplatten 26 mit einer auf der mittleren Schicht 20 gebildeten Leiterbahn 34-. Diese ist durch die Dicke der äußeren Schicht 18 von deren ringförmigem Leiter 28 getrennt und verläuft zu einer weiteren, den gesamten Träger 16 jenseits der Ränder der Membranen 12, 14 durchsetzenden Öffnung 36. Eine metallische Auskleidung der Öffnung 36 verbindet die feststehenden Kondensatorplatten 26 mit jenseits der Ränder der Membranen 12, 14- liegenden Anschlußflächen auf den beiden äußeren Schichten 18, 22.

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Die beiden napfförmigen Membranen 12, 14 sind -jeweils mit einem auswärts hervorstehenden Rand 42 auf dem zugeordneten ringförmigen Leiter 28 angelötet oder sonstwie stoffschlüssig abdichtend befestigt, so daß die Membranen mit den Oberflächen 24- der Schichten 18, 22 ein Paar hermetisch verschlossener Kammern 44· bilden, welche über die Öffnungen 30 miteinander strömungsverbunden sind, so daß In ihnen der gleiche Druck herrscht. Jeweils ein stoffschlüssig auf der Außenfläche 24 der äußeren Schichten 18, 22 befestigter Leiter 46 erstreckt sich von dem ringförmigen Leiter 28 radial zu einem auf der Jeweiligen Oberfläche vorhandenen Anschluß. Die beiden Anschlüsse sind über eine metallische Auskleidung einer die Schichten des Trägers an dieser Stelle durchsetzenden Bohrung 48 leitend miteinander verbunden, so daß die beiden Membranen gemeinsam mit einem äußeren Leiter verbind- bar sind«

Die mittlere Schicht 20 ist ca. 0,75 ram dick und hat einen Schlitz 50, welcher sich von der Mittelöffnung 30 radial auswärts bis an ein Randstück 52 der Schicht erstreckt. Das Jenseits der äußeren Ränder der Membranen liegende Randstück 52 sowie diesem Entsprechende Randbereiche 54, 56 der äußeren Schichten 18, 22 tragen jeweils einen stoffschlüssig daran befestigten Metallbelag 55- Nach dem Überelnanderstapeln und stoffschlüssigen Verbinden der Schichten 18, 20 und 22 bildet der Schlitz 50 zusammen mit ä.eiL Ihn überdeckenden Teilen der äußeren Schichten einen mit der Mittelöffnung 30 und über diese mit den von den Membranen und äußeren Schichten begrenzten volumenveränderlichen Kammern 44 strömungsverbundenen Durchlaß. Dieser kann dazu verwendet werden, die Kammern 44 zu evakuieren, worauf er dann etwa durch Verlöten an den metallisierten Randbereichen 52, 54, 56 der Schichten verschlossen oder mit einem Anschluß für eine Druckoder Unterdruckleitung versehen werden kann. Die metal-

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lisierten Bereiche 52, 54-, 56 am Rand des Trägers und an den Oberflächen 24- der äußeren Schichten ermöglichen somit das Absperren der Durchströmung des Durchlasses

Die Leiterbahn 34- erstreckt sich mit einer Versetzung um 180° zum Leiter 4-6 darial auswärts in einem vorbestimmten, relativ großen Abstand von diesem und den Membranen 12, 14-, so daß Verzerrungen der Kapazität auf ein Mindestmaß beschränkt bleiben. Anstelle der Leiterbahn 34- kann eine metallische Auskleidung des Schlitzes 50 für den Anschluß der feststehenden Kondensatorplatten 26 vorgesehen sein.

Die Schichten 18, 20, 22 sind von miteinander fluchtenden Öffnungen 58 für die Befestigung des Wandlers sowie von zwei Durchlässen 60 durchsetzt, welche beim Einbau des Wandlers in ein enges, geschlossenes Gehäuse den Druckausgleich zwischen den Außenseiten der Membranen und den Oberflächen 24- des Trägers ermöglichen.

Bei der Herstellung des Wandlers 10 werden vorzugsweise zunächst, die Schichten 18, 20, 22 des Trägers geformt, durch Stanzen mit den vorgesehenen Öffnungen und Durchlässen versehen, an den dafür vorgesehenen Stellen metallisiert und schließlich durch Erhitzung stoffschlüssig miteinander verbunden. Zur Erleichterung des Anbringens der Membranen können die metallisierten Stellen eine Auflage aus anderen Metallen, etwa Silber, Gold, Kupfer oder Lötmetall erhalten. Die Membranen können durch Löten, Hartlöten, Schweißen, Preßschweißen oder Kleben auf den ringförmigen Leitern 28 oder Elektroden befestigt werden. In gleicher Weise können Anschlußfahnen für die Leiter 34- und 4-6 angebracht werden.

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Claims

Patentansprüche:

1. ) Kapazitiver Druckmeßwandler, g e k e η η e i c h η e t durch, einen Träger (16) aus elektrisch isolierendem Material mit einer ersten und einer zweiten, eine im wesentlichen gemeinsame Begrenzung aufweisenden Oberflächen (24), durch eine innerhalb der Begrenzung der ersten Oberfläche angeordnete, eine erste Elektrode darstellende feststehende Kondensatorplatte (26), durch eine um die erste Elektrode herum in gewissem Abstand von der Begrenzung der ersten Oberfläche hermetisch abdichtend auf dieser befestigte, eine zweite Elektrode darstellende Metallmembrane (12), welche eine die feststehende Kondensatorplatte enthaltende Kammer (44) begrenzt, und durch einen mit der Kammer stromungsverbundenen Durchlaß (50), welcher sich im wesentlichen parallel zu den ersten und zweiten Oberflächen des Trägers durch diesen hindurch zu einem außerhalb der Kammer liegenden Punkt erstreckt, um eine Strömungsverbindung zwischen der Kammer und diesem Punkt zu schaffen.

2. Druckmeßwandler nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine nahe dem betreffenden Punkt auf dem Träger (16) vorhandene Metallauflage (55)t welche einen metallischen Verschluß des Durchlasses (50) ermöglicht.

3- Druckmeßwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennz e ichnet, daß der Träger (16) eine erste Unterlage (18) aus nicht leitendem Material mit an einer ersten Oberfläche (24) derselben angebrachter feststehender Kondensatorplatte (26) und Metallmembrane (12) und eine zweite an einer zweiten Oberfläche der ersten hermetisch abdichtend befestigte zweite Unterlage (20) aus nicht leitendem Material aufweist.

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4-. Druckmeßwandler nach Anspruch 3, dadurch gekennz ei chnet, daß die erste und die zweite Unterlage (18 bzw. 20) miteinander fluchtende, durch die feststehende Kondensatorplatte (26) hindurch mit der Kammer (4-4·) strömungsverbundene Öffnungen (30) aufweisen und daß der Durchlaß durch einen sich von der Öffnung der zweiten Unterlage radial zu deren Rand erstreckenden Schlitz (50) gebildet ist.

5. Druckmeßwandler nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (16) eine dritte Unterlage (22) aus nicht leitendem Material aufweist, welche an einer Oberfläche eine zweite feststehende Kondensatorplatte (26) und eine zweite hermetisch abdichtend daran befestigte Metallmembrane (14·) trägt und mit der anderen Oberfläche an einer zweiten Oberfläche der zweiten Unterlage (20) befestigt ist, und daß die Unterlagen alle aus einem keramischen Werkstoff sind.

6. Druckmeßvrandler nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlagen (18, 20, 22) nahe dem Punkt, zu welchem der Durchlaß führt, eine Metallauflage (55* 5^-> 56) für die Aufnahme einer Verlötung haben.

7. Druckmeßwandler nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Unterlage (22) und die zweite feststehende Kondensatorplatte (26) von einer mit denen der ersten und zweiten Unterlagen (18, 20) fluchtenden Öffnung (30) durchsetzt sind, daß die beiden feststehenden Kondensatorplatten über einen in den Öffnungen vorhandenen Leiter (4-2) elektrisch miteinander verbunden sind und daß ein an einer Oberfläche der zweiten Unterlage vorhandener Leiter (34·) die feststehenden Kondensatorplatten mit einem außerhalb des Umfangs einer Metallmembrane (12, 14·) liegenden Punkt (4-0) verbindet.

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S. Verfahren für die Herstellung eines Trägers, aus welchem in Verbindung mit zwei Metallmembranen ein kapazitiver Druckmeßwandler herstellbar ist, dadurch gekennz eichnet, daß in einer ersten nicht leitenden Unterlage ein sich von einem Hand derselben radial zu einem mittleren Bereich derselben erstreckender Schlitz gebildet wird und daß die Unterlage hermetisch abdichtend mit zwei weiteren nicht leitenden Unterlagen verbunden wird, welche den Schlitz überdecken und jeweils eine Oberfläche zum Anbringen einer Metallmembrane und eine sich von der Oberfläche zu dem mittleren Bereich der ersten Unterlage erstreckende Öffnung aufweisen.

9- Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf jeder der Oberflächen eine feststehende Eondensatorplatte angebracht wird, daß an der Wandung der jeweiligen Öffnungen eine leitend mit der Eondensatorplatte verbundene Metallauflage aufgebracht wird und daß auf der ersten Unterlage eine Metallauflage angebracht wird, welche sich von dem mittleren Bereich zu einer radial außerhalb des Randes einer der Metallmembranen liegenden Stelle erstreckt.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf jeder der Oberflächen ein mit dem Rand der jeweiligen Metallmembrane verbindbarer Leiter angebracht wird und daß ein die Metallmembranen miteinander verbindender Leiter durch die erste Unterlage hindurchgeführt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 8,. dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlagen aus einem keramischen Werkstoff hergestellt und an ihren Rändern im Bereich des Schlitzes mit einer Metallauflage versehen werden, welche ein Absperren der Durchströmung des Schlitzes

ermöglicht.

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12. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf jeder der beiden elektrisch nicht leitenden Unterlagen eine Metallmembranö stoffschlüssig befestigt wird.

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