DE2848856A1

DE2848856A1 - Kapazitiver druckwandler

Info

Publication number: DE2848856A1
Application number: DE19782848856
Authority: DE
Inventors: Shih Ying Lee
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-11-10
Filing date: 1978-11-10
Publication date: 1979-05-17
Also published as: US4168517A; JPS5476192A; FR2408826A1; GB2007843B; GB2007843A

Description

Shih Ying Lee, Lincoln, Massachusetts, V.St.A.

Kapazitiver Druckwandler

Die Erfindung bezieht sich auf Druck- oder Kraftfühlerwandler , insbesondere auf kapazitive Druck- oder Kraftfühlerwandler. Wie in der schwebenden Anmeldung Ser. No. 795 617 der Anmelderin dargelegt ist, gibt es nach dem Stand der Technik viele Formen von Druckfühlerwandlern, die kapazitive Fühler verwenden. Diese schwebende Anmeldung offenbart einen Hochqualitäts-Druckfühlerwandler, der aus zwei dielektrischen Platten gebildet ist. Während der dort offenbarte und beanspruchte Wandler von hoher Qualität und Verläßlichkeit ist, gibt es viele gegenwärtige Anwendungsfälle, für die es erwünscht ist, einen druckempfindlichen Kondensator zu haben, der für eine Niedrigkostenfertigung und relativ niedrige Druckanwendungsfälle geeignet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kapazitiven Druckwandler zu entwickeln, der sich leicht zu relativ niedrigen Kosten herstellen läßt, Spannmittel aufweist, die die Hysteresewirkungen möglichst geringhalten, und eine Membranausbildung hat, die ebenfalls zur Geringhaltung der

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Hystereseeffekte beiträgt.

Gegenstand der Erfindung, womit diese Aufgabe gelöst wird, ist ein kapazitiver Druckfühlerwandler, mit dem Kennzeichen, daß er ein dielektrisches Bauelement mit einem eine leitende Oberfläche tragenden Mittelbereich, eine

metallische Membran, deren Mittelbereich dem dielektrischen Bauelement und der leitenden Oberfläche unter Bildung eines Kondensators zugewandt ist, und Mittel zum Zusammenspannen der Membran und des dielektrischen Bauelements an deren Umfang zur Bildung eines Innenvolumens derart aufweist,

j ο · TT *. ,. · j, ·,. j T^^m fnnenvqlumen , daß ein Unterschied zwischen dem Druck/und dem Druck außerhalb der Membran im Bereich gegenüber der leitenden Oberfläche eine Biegung der Membran bewirkt, die eine Änderung des Abstandes zwischen der leitenden Oberfläche und dem Mittelbereich der Membran und damit eine Änderung der Kapazität des Kondensators entsprechend dem Druckunterschied verursacht.

Der Druckfühlerwandler gemäß der Erfindung enthält also eine dielektrische Platte mit einem Mittelteil ebener Oberfläche mit einem leitenden Film. Diese Platte wird auf eine" Zugewandte metallische Membran gespannt, die einen mittleren ebenen Bereich aufweist. Zwischen dem mittleren ebenen Bereich der Membran und dem Rand der Membran ist eine ziemlich tiefe Rinne gebildet. Diese Rinne dient zur Verhinderung der Übertragung einer Bewegung auf den äußeren Rand der Membran, wenn sich deren mittlerer Teil unter einwirkendem Druck oder Druckunterschied biegt. Demgemäß wird eine Hysterese, die oft bei festgespannten Membranen auftritt und durch Schlupf an den Kontaktoberflächen verursacht wird, sehr geringbehalten oder eliminiert.

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Ein relativ dünnes ringförmiges Abstützbauteil, auf das die Membran und die dielektrische Platte entweder direkt oder mittels eines Spannkragens, der Druck in der gleichen radialen Entfernung wie das ringförmige Bauteil zur Einwirkung bringt, gespannt werden, dient weiter zur Geringhaltung der Druck- oder Wärmehystereseeffekte durch Unterdrückung irgendeines Schlupfes zwischen dem kapazitiven Aufbau und dem Abstützbauteil. Das Abstützbauteil kann sich radial deformieren, um einen solchen Schlupf zu verhindern.

Das dielektrische Bauelement kann durch Schleifen oder anderweitiges Formen einer Seite zu einer flachen Oberfläche hergestellt werden. Die Membran kann aus gleichmäßigem flachen metallischen Ausgangsmaterial gestanzt und gepreßt werden.

Die Erfindung gibt also einen Druckfühlerwandler und ein Verfahren zu seiner Herstellung an. Die Anordnung umfaßt eine dielektrische Platte, die mit dem Umfang einer Membran verbunden ist und einen mittleren Teil mit einem leitenden Film aufweist, der als Kondensatorplatte dient und der die andere Kondensatorplatte bildenden Membran zugewandt ist. Eine tiefe, nahe dem Rand der Membran gebildete Rinne schafft einen verhältnismäßig starren, ringförmigen Aufbau im Vergleich mit dem verhältnismäßig flexiblen mittleren Teil der Membran. Da sich der mittlere Teil unter Druck biegt, dient die starre Rinne zum Verhindern einer übertragung der Bewegung auf den äußeren Rand der Membran und so zur Geringhaltung einer Hysterese. Die Einrichtung enthält außerdem einen verhältnismäßig dünnen Ringaufbau, gegen den dietc lcktrische Platte und die Membran direkt oder unter Mitverwendung eines Klemmkragens gespannt werden. Der leitende Film und die Membran sind mit äußeren Anschlüssen verbunden.

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Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird anhand zweier in der Zeichnung veranschaulichter Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zeigen:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht eines Ausführungsheispiels der Erfindung; und

Fig. 2 eine Querschnittsansicht eines anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung mit einem Klemmkragen.

Man erkennt in Fig. 1 eine konturierte Keramikplatte im Querschnitt. Auf einem Mittelbereich/des keramischen Bauelements, d. h. der Platte 2 ist ein leitender Film 4 aufgebracht . Dem leitenden Film zugewandt ist eine Membran 6
mit einem Mittelbereich 8 in ebener paralleler Gegenüberstellung zum leitenden Film M. Der leitende Film 4 und
der Mittelbereich 8 ergeben die beiden Platten des Kondensators. Der Abstand zwischen den Platten ohne einwirkenden Druckunterschied wird durch das Abstandsstück 10 erhalten.
Alternativ kann der Abstand ohne besonderes Abstandsstück durch Ausbilden des Umfangs der Membran 6 in einer zur
Ebene des Mittelbereichs 8 einen gewünschten Abstand aufweisenden Ebene erreicht werden. Zur zwangsläufigeren Abdichtung kann ein flüssiges Dichtmittel ₃ wie z. B.
"Loctite" zwischen der Membran 6 und dem Abstützbauteil 17 verwendet werden.

Bau,

Das keramische ^element ist mit einem ringförmigen ausgenommenen Bereich .12. zur Schaffung eines bestimmten kapazitiven Bereichs und zur Geringhaltung unerwünschten Widerstandes gegenüber Fluidströmung, wenn sich die Membran biegt, dargestellt.

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Mit diesem Ausnehmungs-Bereich läßt sich auch das Aufbringen des leitenden Films vereinfachen, indem er auf die Oberfläche des gesamten Mittelbereichs lh aufgebracht werden kann, der die Grenzen des wirksamen leitenden Teils bestimmt. Wenn ein ebenes flaches dielektrisches Bauelement 2 verwendet wird, wird der leitende Film auf den gewünschten Mittelbereich aufgebracht. Zur Veranschaulichung dieser Aufbringung ist der leitende Film als den Mittelbereich 14 nicht völlig bedeckend dargestellt, obwohl der Film 4 normalerweise im Fall der Ausbildung mit dem ausgenommenen Bereich 12 den gesamten Mittelbereich bedecken würde.

Radial außerhalb des Mittelbereichs 8 der Membran 6 befindet sich eine verhältnismäßig tiefe Rinne 16. Diese Rinne dient einem durchaus andersartigen Zweck als dem, dem die manchmal bei bekannten Membranen gefundenen konzentrischen Rillen dienen. Die flachen Rillen bekannter Vorrichtungen entsprechen typisch der drei- bis fünffachen Dicke der Membran und dienen der Ermöglichung einer erhöhten linearen Druck-Biegungs-Beziehung. Diese relativ flachen Rillen ändern gewöhnlich nicht die wirksame Fläche der Membran. Erfindungsgemäß schafft die relative tiefe Rinne 16 einen im wesentlichen starren Bereich und dient zur Isolation des Umfangs der Membran 6 gegenüber dem biegungsfähigen Mittelbereich 8, wodurch sie die wirksame Fläche der Membran verkleinert. In dieser Weise wird jede Neigung der Membran, an der Fläche, wo sie aufgespannt ist, zu gleiten, weitgehend geringgehalten, wodurch eine entsprechende Geringhaltung der Hysterese erreicht wird, die sonst durch Schlupf auftreten würde. Die Anmelderin fand, daß die Rinnentiefe wenigstens der 10.-fachen und bis zur 50-fachen Dicke der Membran entsprechen sollte. Materialeigenschaften machen es normalerweise undurchführbar,

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eine tiefere Rinne herzustellen.

Das ringförmige Abstützbauteil 17 ist relativ dünner als die in der Zeichnung dargestellten Proportionen. Aufgrund des dünnen Querschnitts wird jede Schlupfneigung zwischen der Membran und dem Abstützbauteil 17, die entweder durch iBiegung oder durch ungleichmäßige Wärmeausdehnung auftreten könnte, gering gehalten. Wenn die festgespannte kapazitive Anordnung zum Ausdehnen in einer Auswärtsradialrichtung neigen sollte, biegt sich das relativ dünne Abstützbauteil in Radialrichtung eher nach außen, als daß ein Schlupf verursacht wird. Ein durch Temperatur eingeführter Schlupf würde eine sogenannte Thermohysterese erzeugen. Schraubbolzen l8 durch das dielektrische Bauelement 2 spannen die Anordnung am Gehäuse 20 fest. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Gehäuse aus leitenden Materialien, wie Metall, so daß eine Zuführung 22 am Gehäuse 20 und eine andere Zuführung 24 am leitenden Film 4 angebracht werden können. Ein Gewindeeinlaß 26 ist vorgesehen,um Druck in einen Druckbereich P₁ an der Unterseite der Membran einzulassen. Wie dargestellt, würde Atmosphärendruck Pp an der anderen Seite der Membran existieren, obwohl auch andere Verbindungen zur Schaffung nichtatmosphärischer Drücke an beiden Membranseiten vorgenommen werden könnten.

Da sich der Druckunterschied zwischen den beiden Seiten der Membran 6 ändert, d. h. da P₁ ^-Pp variiert, ändert sich der Spalt d zwischen der Membran 6 und dem leitenden Film 4 entsprechend, was zu einer entsprechenden Änderung der Kapazität führt, die über die Zuführungen 22, 24 mit herkömmlichen Meßgeräten erfaßbar ist. Obwohl normalerweise für Niederdruckanwendungen nicht nötig, kann ein Dichtungsmittel

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zur Schaffung einer druckdichten Abdichtung zwischen der Membran 6 und dem Abstützbauteil 17 verwendet werden.

In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel zur noch weiteren Verringerung der Pestspanneffekte dargestellt. Ein ringförmiger Klemmkragen 30 ist mit einem inneren vorspringenden Ring 34 in dem. gleichen radialen Abstand wie das relativ dünne Abstützbauteil 17' vorgesehen. Wenn Klemmkraft durch Schraubbolzen 18' einwirkt, wird die Kraft direkt in Ausrichtung· zum dünnen ringförmigen Abstützbauteil 17' übertragen, so daß kein Drehmoment auftritt, das Fehler durch Biegung oder Verschiebung der Membran 6' bezüglich des dielektrischen Bauelements 2' einführen könnte. Bei der besonderen dargestellten Ausbildung ist der Wandler auch noch mit einem Einfassungskörper 32 außer der Gehäuseplatte 20' versehen, um ihn besonders zur Messung von Differentialdrücken geeignet zu machen. Ein Druck P ' wird durch die Gewindeöffnung 26' eingelassen, und ein Druck P~' wird durch die Gewindeöffnung 36 eingelassen. Zur Vereinfachung der Darstellung sind Rohrleitungen oder andere Mittel zur Übertragung des Drucks sowie elektrische Zuführungen ausgelassen. Obwohl normalerweise für Niederdruckanwendungen nicht erforderlich, ist an den Ringstellen 38 und 40 ein Dichtmittel vorgesehen, um eine vollständige Trennung zwischen den Drücken P₁' und P„' zu sichern.

Während der dünnere Teil des dielektrischen Bauelements 2' im Bereich 12' zur Begrenzung des Bereichs des leitenden Films 4 dienen kann, ist die Querschnittsverringerung hier nicht so groß, daß eine Biegung des dielektrischen Bauelements ausreichend ist, um den Abstand zwischen dem leitenden

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Film und der diesem zugewandten Membran ausreichend zu beeinflussen, daß eine merkliche Änderung des Kapazitätswerts bei eine Einwirkung von Differentialdruck auf das dielektrische Bauelement verwendenden Ausführungsbeispielen verursacht werden könnte. Die die Kapazität ändernde Biegung tritt durch Biegung der Membran auf. In der schwebenden Anmeldung Ser. No. 795 617 ist das keramische Bauelement ausgebildet, um das sich biegende Bauteil zu sein. Gemäß der Erfindung dient dagegen das dielektrische Bauelement als starre Einheit. Eine Biegung des dielektrischen Bauelements würde in den in Fig. 1 und dargestellten Ausführungsbeispielen nicht auftreten, da es eine freie Verbindung zwischen den beiden Seiten des dielektrischen Bauelements durch die öffnung 28 oder 28' gibt. Jedoch kann für Anwendungsfälle zum Messen von absolutem Druck dieser Weg so abgedichtet werden, daß eine mechanische Festigkeit des dielektrischen Bauelements sowohl zum Aushalten der Montage- oder Aufspannbeanspruchungen als auch zum Vermeiden einer unerwünschten Biegung aufgrund von Druckunterschieden benötigt wird.

Typisch wird die Membran aus Metall mit guten elastischen und chemischen Eigenschaften, wie z. B. wärmebehandelbarem, rostfreiem Stahl hergestellt. Vorzugsweise wird der Körper aus einem Material mit einem dem der Membran gleichen Wärmeausdehnungskoeffizient gefertigt. Das dielektrische Bauelement 2 kann aus einem solchen dielektrischen Material, wie z. B. Keramik, Glas, Quarz oder Kunststoff, hergestellt werden. Der leitende Film 4 kann auf der dielektrischen Unterlage aufgestäubt, thermisch abgeschieden oder nach irgendeiner anderen bekannten Technik niedergeschlagen sein. Es ist erwünscht, daß das dielektrische Bauelement einen dem der

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Membran und dem Fühlerkörper ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizient aufweist.

Während besondere Ausführungsbeispiele dargestellt und beschrieben sind, erkennen Fachleute, daß Abwandlungen vorgenommen werden können, um die Anforderungen für besondere Anwendungsfälle zu erfüllen. Beispielsweise kann die Öffnung 28 in Fig.l versiegelt werden, um einen Wandler zu schaffen, der auf durch die Öffnung 26 einwirkenden absoluten Druck anspricht.

Die spezielle elektrische Schaltung zum Fühlen bzw. Messen und Auswerten der Kapazitätsänderungen wurde nicht dargestellt und beschrieben. Jedoch können hierzu übliche Meßsysteme dienen, wie sie etwa in den US-PS 3 518 536 oder *J 05^ 833 beschrieben sind. Die erwünschten besonderen Schaltungsbetriebscharakteristiken hängen von dem Verwendungszweck ab, dem die Daten dienen sollen. Dieser Verwendungszweck kann in weitem Ausmaß variieren. Es kann ein Kraft- oder Druckmeßinstrument erwünscht sein, oder der Wandler kann Teil eines Arbeitssystems sein, in dem die Kapazitätsänderung zur Steuerung eines Parameters verwendet wird, der das Systemverhalten und den gemessenen Druck beeinflußt.

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Claims

Ansprüche

Kapazitiver Druckfühlerwandler, dadurch gekennzeichnet, daß er ein dielektrisches Bauelement (2, 2') mit einem eine leitende Oberfläche (4, 4') tragenden Mittelbereich (14), eine metallische Membran (6, 6'), deren Mittelbereich (8) dem dielektrischen Bauelement (2, 2') und der leitenden Oberfläche (4, 4') unter Bildung eines Kondensators zugewandt ist, und Mittel (18, l8^r) zum Zusammenspannen der Membran (6, 6') und des dielektrischen Bauelements (2, 2') an deren Umfang

zur Bildung eines Innenvolumens derart auftsißist, daß ein ^& im Innenvolumen

Unterschied zwischen dem Druck (P., P₁ ¹V und dem Druck (Pp, Pp') außerhalb der Membran (6, 6') im Bereich gegenüber der leitenden Oberfläche (4, 4^f) eine Biegung der Membran (6, 6') bewirkt, die eine Änderung des Abstandes (d, d') zwischen der leitenden Oberfläche (4, 4') und dem Mittelbereich (8) der Membran (6, 6') und damit eine Änderung der Kapazität des Kondensators entsprechend dem Druckunterschied .verursacht.
2. Wandler nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (6, 6¹) zwischen ihrem Umfang und dem Mittelbereich (8) gegenüber der leitenden Oberfläche (4, 4') eine verhältnismäßig tiefe ringförmige Rinne (16) aufweist, die zur Isolation des Um fanges der Membran (6, 6') gegenüber einer Bewegung des Mittelbereichs (8) der Membran (6, 6¹) und zur weitestgehenden Geringhaltung von Hystereseeffekten dient.
3. Wandler nach Anspruch 2,dadurch gekennzeichnet, daß die Rinne (16) wenigstens eine der zehnfachen Dicke der Membran (6, 6')

gleiche Tiefe hat.

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4. Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rinne (l6) eine der 10- bis 50-fachen Dicke der Membran (6, 6^!) gleiche Tiefe hat.
5. Wandler nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß

das dielektrische Bauelement (2, 2') und die Membran (6, 6') auf ein ringförmiges Abstützbauteil (17, 17') gespannt sind, wobei die Membran (6, 6') und das Abstützbauteil zur Begrenzung eines den äußeren Druck (Pp, Pp'^ enthaltenden Volumens dienen.
6. Wandler nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet ,daß

das dielektrische Bauelement (2, 2') und die Membran (6, 6^f) auf ein Abstützbauteil (17, 17') verringerten Querschnitts gespannt sind, das zur Ermöglichung einer Radialbewegung der bzw. des aufgespannten Membran (6, 6') und dielektrischen Bauelements (2, 2¹) und damit zur Verhinderung der Einführung von Fehlern durch Schlupf zwischen dem Abstützbauteil (17, 17') und der Membran (6, 6¹) sowie dem dielektrischen Bauelement (2, 2') dient.
7. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannmittel einen ringförmigen Kragen (30) aufweisen, der Kraft auf das dielektrische Bauelement (2') und die

Membran (6¹) in einer radialen Lage ausübt, die direkt I

zum Abstützbauteil (17') ausgerichtet ist, auf das die I

Membran (6¹) und das dielektrische Bauelement (2^T) gespannt sind.
8. Wandler nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß

er Mittel (28; 28', 36) zum Einlassen von Druck außerhalb der Membran (6, 6') und ein Mittel (26, 26') zum Einlassen von Druck zum Innenvolumen aufweist.

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9. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Bauelement (2, 2') einen ringförmigen Bereich (jL2, 12_^f) verringerten Querschnitts zwischen der leitenden Oberfläche (¹I₃ ¹I') und seinem Umfang zwecks Begrenzung der wirksamen Fläche (I¹J), auf die die leitende Oberfläche (¹J, ¹J¹) aufgebracht ist, und zur Schaffung eines größeren Innenvolumens aufweist, wobei der Bereich (12, 12') verringerten Querschnitts ausreichende Festigkeit behält, daß der Druckunterschied keine ausreichende Biegung des dielektrischen Bauelements (2, 2') zur Verursachung einer merklichen Änderung der Kapazität des Wandlers bewirkt.
10. Wandler nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet,daß

die Anfangskapazität durch die Form der Membran (6') bezüglich des dielektrischen Bauelements (2') ohne Druckunterschiedeinwirkung bestimmt ist.
11. Wandler nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet,. daß die Anfangskapazität durch Abstandsstücke (10) zwischen dem aufgespannten dielektrischen Bauelement (2) und der Membran (6) bestimmt ist.

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