DE2706505C2

DE2706505C2 - Kapazitiver Druckmeßwandler

Info

Publication number: DE2706505C2
Application number: DE2706505A
Authority: DE
Inventors: J. Fleming Dias; Henry E. Palo Alto Calif. Karrer; Alexander Carlisle Mass. Tykulsky
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1976-03-22
Filing date: 1977-02-16
Publication date: 1985-01-31
Also published as: GB1569942A; US4129242A; DE2706505A1; JPS52114386A; GB1569941A; CA1073237A; JPS5821689B2; US4064550A

Description

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Druckmeßwandler gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Bekannte Druckumwandler wundein den Druck einer Flüssigkeit oder eines Gases in eine mechanische Auslenkung um. die zum Verändern einer Induktivität, einer Kapazität oder eine Widerstandes benutzt werden kann, um ein dem Druck entsprechendes elektrisches Signal abzuleiten. Induktive und Widerstandsmeßwandlcr sind vergleichsweise instabil in bezug aiii Temperaturschwankungen. Induktive Widerstandsnießwandler sind außerdem empfindlich gegen Erschütterungen.

Es werden daher überwiegend kapazitive Druckmeßwandler verwendet. Ein kapazitiver Druckmcßwandler gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist bekannt aus der LJS-PS 38 58 097. Dieser bekannte Druckmeßwandler weist zwei in einem Abstand parallel zueinander angeordnete Quarzmembranen auf, deren einander zugewandte Seiten jeweils mit einer scheibenförmigen Beschichtung aus elektrisch leitendem Material versehen sind, so daß ein Kondensator gebildet wird. Unter Druckbelastung werden die beiden Quarzrnembranen verformt, so daß sich der Abstand der Elektroden und damit die Kapazität des Kondensators ändert. Da die Membranen an ihren Rändern eingespannt sind, ist die Auslenkung aus der Ruhelage an einem Punkt abhängig vom Abstand dieses Punktes von dem Rand. Infolgedessen ergibt sich ein komplizierter, nichtlinearer Zusammenhang zwischen Druckänderungen und resultierenden Kapazitätsänderungen.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen kapazitiven Druckmeßwandler zu schaffen, der ein weitgehend lineares Verhalten aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das eine Gehäuseteil des Meßwandlers eine dem zu messenden Druck ausgesetzte elastische Membran ist, und daß eine Meßelektrode als Ring ausgebildet und im wesentlichen auf dem Momenten-Nullkrcis der Membran angeordnet ist. Da die Krümmung der die ausgelenkte Membran beschreibenden Kurve am Momenten-Nullkreis gleich Null ist. bildet die ringförmige Elektrode, im Querschnitt betrachtet, iro wesentlichen eine gerade Linie, so daß eine weilgehend lineare Kapazitäls-Druck-Abhängigkeit erreicht wird. Der Meßwandler liefert daher ein zum gemessenen Druck im wesentlichen proportionales Ausgangssignal.

In den Ansprüchen 2 und 3 sind vorteilhafte Möglich-

Ui keilen angegeben, wie der erforderliche Abstand der die ringförmige Elektrode tragenden Membran zu dem die Gegenelektrode tragenden Gehäuseteil erreicht werden kann und wie die Membran mit diesem Gehäuseteil verbunden werden kann, ohne daß es zu Deformationen der Membran kommt, die wiederum zu nichtlincarcr Betriebsweise des Wandlers führen wurden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Druckmeßwandleranordnung im Querschnitt:

F i g. 2a eine Explosionszeichnung des eigentlichen Druckmeßwandlers in der Anordnung gemäß Fig. 1:
Fig.2b schematisch die Auslenkung der Membran

beim Druckmeßwandler gemäß F i g. 2a: und

F i g. 3a bis d Bogenstücke der Peripherie der Membran des McHwandlers gemäß F i g. I mit verschiedenen Mustern einer in Segmente aufgeteilten Lötlegierungslcisic.

jo Wie in den F i g. I und 2a dargestellt, ist in einem Gehäuse 10 ein Meßwandler 11 angeordnet. Das Gehäuse 10 weist eine Basis 12 auf. die eine Entlüftung 121 und einen entfernbaren Deckel 14 mit Einlassen 141 und 142 besitzt. Der Mcßwandlcr U enthält einen Körper

J5 114. welcher mit einer Elektrode 115 aus Chrom und Gold versehen ist, welche in eine geätzte Ausnehmung 116 eingelagert ist. Durch den Körper 114 führt eine Entlüftungsöffnung 117. Auf einer Membran 110 befindet sich eine Elektrode 112. Die Membran 110 und der Körper 114 bestehen aus amorphem Quarz. Es können selbstverständlich auch andere Materialien mit ähnlichen physikalischen Eigenschaften benutzt werden. Längs des Randes sowohl des Körpers 114 als auch der Membran 110 verläuft eine Leiste 113 aus Lötlegierung.

Die Leiste 113 ist weiter unten näher beschrieben. Ein zwischen Deckel 14 und Membran 110 gebildeter Hohlraum 101 zum Aufnehmen einer Salzlösung ist durch eine nachgiebige Membran 102 abgeschlossen, welche ein Dielektrikum 104 und eine Dichtung 103 bedeckt.

so Die Salzlösung wird über den Zugang 141 zugeführt. Der Eingang 142 nimmt die Druckschwankungen über einen Katheter auf, welche dann über die Salzlösung, die Membran 102 und das Dielektrikum 104 auf die Membran 110 übertragen werden.

Die Membran 110 und der Körper 114 werden durch Ionen-Bearbeitung, Zerstäubungs-Ätztechniken oder ähnliche Verfahren gebildet. Dadurch lassen sich sehr flache Ausnehmungen (z. B. die Ausnehmung 116) in das Quarzmaterial ätzen, so daß ein sehr schmaler Spalt

bo zwischen zwei darauf aufgebrachten Elektroden gebildet wird. Auf diese Weise sind Quarzkondensatoren mit großen Kapazitäten herstellbar. Bekannte derartige Kondensatoren sind auf Werte in der Größenordnung von 1 bis 10 pF beschränkt, während bei der Erfindung

b5 Kapazitäten von etwa 200 pF erreicht werden können. Quarzkondensatoren mit großen Kapazitätswerten haben den Vorteil, daß die Effekte der Streukapazitäten auf die Meßgenauigkeit eines kapazitiven Wandlers ge-

ring gehalten werden. Die geätzten Oberflächen sind für alle praktischen Zwecke genauso gut wie die ursprüngliche polierte Oberfläche des Quarzes. Dadurch wird es möglich. Dünnfilmelektroden hoher Qualität direkt auf die geätzte Oberfläche aufzubringen.

Die Leiste 113 besieht aus einer eutektischen Legierung aus Zinn und Gold und dient zum Verlöten der Membran 1IO mit dem Körper 114. Diese Metalle sind als dünne Filme mittels geeigneter Edelstahlniasken auf dem Quarz aufgebracht. Das Löten erfolgt im Vakum. to indem auf die Peripherie der Membran HO. nachdem diese auf den Körper 114 aufgesetzt ist. Kraft ausgeübt wird und die Teile gleichzeitig für ungefähr 55 Minuten auf etwa 200''C aufgeheizt werden und anschließend die Temperatur allmählich auf 260''C für weitere 45 Minu- r> ten erhöht wird. Der zusammengesetzte Meßwandler wird dann allmählich abgekühlt. Die während des Lötens aufgebrachte Kraft übt ein Biegemoment auf die Membran MO aus. wodurch die Gcfah- eines Kurzschlusses der Elektroden des Meßwandlers so klein wie möglich gehalten wird.

Die Lctlegierung ist typischerweise auf eine kontinuierliche Leiste gegebener Breite und Dicke um die Peripherie der zusammenzusetzenden Teile herum aufgebracht. Eine derartige Lötleiste kann jedoch aufgrund einer Fehlanpassung der Temperaturkoeffizienten zu übermäßigen Spannungen im Quarzmaterial während des Lötprozesses führen. Durch solche übermäßigen Spannungen werden die Teile oft zerbrochen oder zumindest deformiert, insbesondere die Membran 110. Ei- jo nc Deformation der Membran 110 führt wiederum zu einer nichtlinearen Betriebsweise des Druckmessers. Um solche Spannungen zu minimieren, wird die Lötlegierungsleiste 113 in einem Segmentmuster aufgebracht, welches ein im wesentlichen gleichförmiges An- ji klemmen der Membran 110 auf den Körper 114 ermöglicht. In den F i g. 3a bis 3d sind verschiedene Segmentmuster für die Leiste 113 dargestellt.

Eine Reduzierung der thermischen Spannungen beeinflußt andere temperaturempfindliche Parameter wie die thermische Nullverschiebung und den Temperaturkoeffizienten der Empfindlichkeit. Weiterhin ist eine segmentartige Verlötung einer breiten Verlötung durchaus äquivalent, da nach dem Zusammensetzen die Membran 110 und der Körper 114 angenähert einen 4:, homogenen Quarzwandler darstellen. Eine breite Lötleiste ist erforderlich, um einen Bereich zu schaffen, auf dem das Gehäuse des Meßwandlers ruhen kann, ohne daß die thermische Nullpunktsverschiebung wesentlich beeinflußt wird. Außerdem verringert die Segmentierung die Möglichkeit, daß das Lötnietall in benachbarte Bereiche während des Lötens fließen kann. Obwohl zwischen den Teilen einzelne voneinander abgegrenzte Verbindungsstellen entstehen, ergibt sich eine gleichförmige Festigkeit längs der Peripherie des Meßwandlers. »:,

Aus der bekannten Theorie der eingespannten Membran mit einem Radius .1 ergibt sich, daß beim Momenten-N ullkrcis (Radius 0.63a) die Krümmung der ausgelenkten Membran ihr Vorzeichen wechselt, wie es in F i g. 2b dargestellt ist. Wenn sich die ringförmige Elek- wi trode 112 im wesentlichen auf dem Momenien-Nullkreis der Membran befindet, werden die Kapa/itätsänderungen. die sich aus der Deformation der l'lekirodenfläche ergeben, redu/ieri und das Verhältnis des Meßwandlers wird weitgehend linear und proportional /u i>~> I -¹C" (it. li. die Kapazität ändert sich im wesentlichen als l'iinklion der \ enik,ilen Auslenkung r>) Durch Ionen-hearbeituiii: oder /.cistäuhuuL'sai/en können, wie in F i g. 2a dargestellt. Bocke 505, 506, 507, 525,526 und 527 erzeugt werden, deren Höhe dem Späh des kapazitiven Meßwandlers entspricht. Überall um diese Böcker herum ist Lötlegierung 113 aufgebracht. Wenn die Membran 110 und der Körper 114 mitema'idei verlötet werden, berühren die Böcke den gegenüberliegenden Teil und die Membran 110 wird gleichmäßig längs der Peripherie befestigt und vom Körper um die Höhe der Böcke separiert.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kapazitiver Druckmeßwandler mit einem zweiteiligen, eine Meßkammer einschließenden flachen Quarzgeliäuse. dessen beide Gehäuseteile an ihrer Peripherie miteinander verbunden sind und an den einander zugewandten Innenwänden Meß- und/ oder Refercnzelektroden aus elektrisch leitfähigem Material tragen, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Gehäuseteil eine dem zu messenden Druck ausgesetzte elastische Membran (I !0) ist. und daß eine Mcßelcktrode (112) als Ring ausgebildet und im wesentlichen auf dem Momentcn-Nullkrcis der Membran angeordnet ist.

2. Druckmcßwandler nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Abstandshaltern (505, 506. 507; 525, 526, 527) entlang der Peripherie der Membran (MO) und des anderen Gehäuseieils (114) angeordnet is< und der Abstand zwischen Membran und anderem Gehäuseteil durch die Höhe der Abstandshalter bestimmt ist.

3. Druckmeßwandler nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (IiO) und das andere Gehäuseteil (114) längs ihrer Peripherie Leisten (113) aus einer Lötlegierung aufweisen und mittels dieser Leisten miteinander verlötet sind.