DE2948165A1

DE2948165A1 - Kapazitiver wandler, insbesondere auf kraft ansprechender wandler

Info

Publication number: DE2948165A1
Application number: DE19792948165
Authority: DE
Inventors: Robert Lee Bell
Original assignee: BESCO IND Inc
Current assignee: ABB Instrumentation Inc
Priority date: 1978-12-01
Filing date: 1979-11-29
Publication date: 1980-06-26
Also published as: JPS5578228A; US4295376A; CA1134164A; GB2038487A; IT1126466B; GB2038487B; FR2443054A1; FR2443054B1; IT7927775A0; JPS632046B2; DE2948165C2

Description

Kapazitiver Wandler, insbesondere auf Kraft ansprechender Wandler

Die Erfindung betrifft auf Kraft ansprechende Wandler und insbesondere kapazitive Differentialwandler, welche hohe Linearität und präzise Wirkungsweise besitzen, jedoch gleichzeitig billig hergestellt werden können.

Es sind verschiedenartige kapazitive Wandler bekannt. Viele dieser Wandler bzw. Umformer besitzen zwei einander gegenüberliegende Flächen, welche je mit einer Elektrode versehen sind. Jede dieser Flächen ist an ihrem Umfang abgedichtet, so mit einem Steg oder einem Rand, welcher in gleicher Richtung wie die Elektroden ausgerichtet ist. Druck wird am Inneren oder amÄjsseren der auf diese Weise gebildeten Kammer ausgeübt, wobei eine oder mehrere der Elektroden tragenden Flächen aus einer auslenkbaren Membran bestehen. Ausführungsbeispiele dieser Technik sind in den US-PSen 3 634 727, 3 858 097,

3 952 234 und 3 808 480 beschrieben und dargestellt. Ein Druckwandler bzw. -umformer hoher Genauigkeit ist in der US-PS

4 064 550 beschrieben. Bei diesem Wandler bestehen der Körper bzw. das Gehäuse und die auslenkbare Membran aus Quarz, was für allgemeine Anwendung zu teuer ist. Allen diesen Wandlern sind gewisse Probleme eigen, wenn man versucht, miteinander im Konflikt bestehenden Erfordernissen hinsichtlich der Kosten, hinsichtlich der Präzision, der Grosse und der Austauschbarkeit in modernen Anwendungen gerecht zu werden. So wird bei derarti-

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gen Geräten beispielsweise der Abstand zwischen den einander gegenüberliegenden Elektroden durch den Umfangsrand bestimmt, welcher demnach genau festgelegt werden muss, jedoch auch durch die präzise Aufbringung von dünnen und dicken Filmelektroden beeinflusst ist. Dies stellt nur einen Faktor der Betrachtungsweise dar, angesichts der Tatsache, dass es erwünscht ist, Linearität und Arbeitsweise in einem dynamischen Bereich, vergleichbar mit der Leistung bestehender Vorrichtungen, zu erzielen und dennoch mit einem billigen und in der Massenproduktion zu fertigenden Gerätes arbeiten zu können. Bei Druckwandlern, wie sie bei komputergesteuerten Vergaseranlagen oder Brennstoffeinspritzsystemen verwendet werden, müssen die Kosten wenigstens in einem Bereich liegen, welcher kleiner ist, als mit instrumenteller Ausrüstung hingenommen werden kann. Gleichzeitig müssen Linearität und Arbeitsbereich vergleichbar sein. Es ist sehr erwünscht, falls nicht sogar wesentlich, dass die Wandler oder Umformer ohne Veränderung der Einstellung austauschbar sind. Dies bedeutet, dass diese Austauschbarkeit auf Massenproduktionsbasis erreichbar ist, ohne die Kosten beträchtlich zu steigern. Es ist in der Dünn- und Dickfilmindustrie als auch in der Industrie integrierter Schaltungen im allgemeinen üblich, komputerisierte Steuerungen und Laser-Trimmverfahren zu verwenden, um eine Einstellung der elektrischen Parameter zu erzielen, derart, dass die Arbeitscharakteristiken auf vorbestimmte Nominalwerte einstellbar sind. Bei Verwendung herkömmlicher kapazitiver Eintakt-Anordnungen ist dies jedoch äusserst schwierig, sowohl die Nulleinstellung und den Arbeitsbereich eines in einer Schaltung angeordneten Wandlers so einzustellen, dass ein sich verändernder Frequenzausgang erzielt wird.

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Kapazitive Differentialwandler sind bekannt, wie aus der vorgenannten US-PS 3 952 234 hervorgeht. Bei bekannten Anordnungen dieser Art werden Differential effekte erreicht, indem mehr als zwei voneinander getrennte Elektroden tragende Flächen zum Einsatz gebracht werden. Dieses Vielfache an Flächen erfordert eine präzise Ausrichtung, die Anordnung ist ausserdem teuer in der Herstellung und ist nur selten austauschbar. Wie aus der US-PS 3 859 575 bekannt ist, kann die flexible Membran den äusseren Umfangsteil der Endkappe eines hohlen MetalIZylinders bilden, welcher in einen Grundaufbau eingeschraubt wird. Ein in der Mitte befindlicher Zapfen in der Endkappe vermittelt eine Halterung für eine unter Abstand angeordnete Platte mit Elektroden, die entgegengesetzt zur als Elektrode wirkenden Metallmembran vorgesehen sind. Das Innere des hohlen Zylinders bildet das Innenvolumen zur Aufnahme des Fluids von variablem Druck. Diese Konstruktion ist äusserst schwierig in der Herstellung und erweist sich bei Anwendung an starkem Volumen als zu teuer. Einrichtungen dieser Art stellen eine weitere Form eines Versuchs der Steuerung des Abstandes zwischen den kapazitiven Elementen dar, da vom Konzept der Verwendung einer feststehenden Bezugsfläche abgewichen wird.

Verbesserte Wandler unter Verwendung des kapazitiven Effektes können in verschiedenen Formen der Kraftmessung, der Messung von Druckverschiebungen und der Messung von Lasten eingesetzt werden. Es besteht im allgemeinen ein Bedarf an derartigen Einrichtungen, welche im Vergleich mit zur Zeit bekannten Wandlern sehr klein sind und welche widerstandsfähig sind gegenüber Stössen und Vibrationen. Insbesondere sollen derartige Einrich-

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tungen gegenüber Temperaturveränderungen unempfindlich sein. Wandler, welche im Motorgehäuse eines Fahrzeuges verwendet werden, müssen so klein wie möglich gestaltet sein, sie müssen jedoch gleichzeitig den mechanischen Kräften und den Temperatu rve ränderung en und anderen Umgebungseinflüssen widerstehen können, während gleichzeitig verlangt ist, dass derartige Geräte während einer längeren Zeit ohne Zerstörung arbeiten können. Es ist offensichtlich nicht erwünscht, dass der Wandler fein eingestellt werden muss, sei es während der ersten Installation oder beim Austausch.

Die Anwendung auf dem Gebiet des Fahrzeugbaues ist ein gutes Beispiel eines breiteren Problems bei derartigen Wandlern, da in zunehmendem Maße Mikroprozessoren in anderen fortgeschrittenen analogen und digitalen Systemen benutzt werden, welche Wandlerausgänge aufnehmen und diese bei Berechnungen oder Steuerungen verwenden. Das wesentliche Problem beim Wandler besteht in der Erstellung eines Signals, das sich linear mit der Veränderung der Eingangsparameter verändert, derart, dass direkt durch den Prozessor oder Rechner dieses Signal verwendet werden kann. Bei einem digitalen System ist im allgemeinen ein Analog-Digital-Converter zu diesem Zweck vorgesehen, dies stellt jedoch eine unerwünschte Zunahme von Kosten dar, was nach Möglichkeit vermieden werden sollte.

Davon ausgehend wurde gemäss der Erfindung ein kapazitiver Wandler oder Umformer geschaffen, welcher getrennte kapazitive Elemente aufweist. Diese verändern entsprechend Druckveränderungen ihre Werte im entgegengesetzten Sinne. Im allgemeinen

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ist eine auslenkbare Membran mit unter Abstand angeordneten Elektroden vorgesehen, die sich auf zwei entsprechend Druckveränderungen unterschiedlichen Bereichen befinden. Eine kleine starre Platte ist mittels eines Abstands-Aufbaues zwischen den Membranelektroden an der Mennbran befestigt. Diese starre Platte enthält einen Elektrodenaufbau, welcher den Membranelektroden gegenüberliegend ausgerichtet ist. Durch eine Auslenkung der Membran verändern sich infolgedessen die Abstände zwischen den einander zugewandten Elektrodenpaaren, und zwar im entgegengesetzten Sinne. Die Differential-Kapazitätsveränderung erzeugt ungeachtet von kapazitiven Nebenschlusseffekten, welche zwischen dem Kondensator und den zugeordneten elektronischen Bauteilen bestehen können, einen äusserst linearen Ausgang.

Insbesondere ist bei einem Differentialkondensator-Wandler nach der Erfindung eine auslenkbare Membran durch einen verhältnismässig dünnen Teil eines keramischen Körpers gebildet, welcher einen verhältnismässig dickeren Umfangsflansch aufweist. Die Flachseite dieses keramischen Körpers enthält wenigstens zwei unter Abstand vorgesehene Elektroden. Eine wenigstens über einem Teil der auslenkbaren Membran liegende Platte wird unter einem feststehenden Bezugsabstand im Bereich zwischen den Membranelektroden durch die Abstandsanordnung gehalten und besitzt Elektroden, welche denjenigen an der Membran zugewandt sind. Bei einer kreisförmigen Membran befinden sich die Membranelektroden unter unterschiedlichen Radialpositionen bezüglich der Mittelachse, während die Abstandselemente aus einer Reihe bogenförmiger Segmente bestehen, die entlang eines Radius zwi-

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sehen den zwei Elektroden ausgerichtet sind. Geerdete Schutzelektroden können zwischen den inneren und äusseren Elektroden vorgesehen sein, um Interferenzeffekte zwischen den durch die Elektroden gebildeten Kondensatorpaaren auf ein Minimum zu reduzieren. Wenn die Membran auf ein verhältnismässig grösseres Ausmaß ausgelenkt wird, dann ist der Abstand am Zwischenradius zwischen Membran und Platte im wesentlichen konstant, ist jedoch an den inneren Bereichen kleiner und ist an den äusseren Bereichen grosser, derart, dass in den kapazitiven Werten Veränderungen im entgegengesetzten Sinne ausgelöst werden. Eine aus Keramikmaterial bestehende Membran kann gepresst und in Massenproduktion-Mengen mit erforderlicher Präzision aufgebrannt werden. Sie bietet gleichzeitig eine ideale Isolierbasis zur Aufnahme von Dünnfilm- oder Dickfilmelektroden, welche mittels Präzisionsverfahren aufgebracht werden können. Der gesamte Wandler kann sehr klein sein und ist dennoch äusserst empfindlich gegenüber kleinen Auslenkungen, die durch kleinste Druck- oder Kraftveränderungen ausgelöst werden.

Ein Merkmal der Erfindung besteht in der Verwendung einer Membran mit einem integral ausgebildeten Flansch, welcher beträchtlich dicker ist als die Auslenkfläche, wobei ein starrer Umfang gebildet ist, der sich entgegengesetzt zu den unter Abstand angeordneten Elektroden auf der auslenkbaren Membran erstreckt. Ein weiterer Aspekt der Vorrichtung nach der Erfindung besteht in der Verwendung von Torsionselementen in der starren Platte, welche aus dünnen Stegabschnitten, aus relativ dünnen Tragstäbchen oder aus freitragenden, länglichen und materialeinheitlich mit der Platte ausgebildeten Elementen geformt sein können.

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Diejenigen Biege- und Torsionskräfte, welche bei Auslenkung der Membran auf das Abstandselement übertragen werden, werden also durch die Torsion des gekoppelten Teils der Platte absorbiert. Durch diese sogenannte Torsionslagerung wird ein Bruch und wird ein Reissen des Abstandselementes vermieden, wobei dieses aus einem kleinen, relativ starren Glasteil bestehen kann, aus einem Metallelement oder aus einem Keramikelement.

Gemäss weiteren Merkmalen nach der Erfindung können die Differentialkondensatoi—Wandler in einem neuartigen System zur Erzeugung digitaler Signale für einen Prozessor oder Rechner benutzt werden, um augenblicklich bestehende Druckwerte anzuzeigen. Bei diesem System bestimmt jede Kapazität des Wandlers die Frequenz eines variablen Frequenzoszillators. Diese unterschiedlich sich verändernden Frequenzen werden zu einer Differenzfrequenz vereint, deren augenblickliche Rate dem augenblicklichen Druck entspricht. Der Prozessor braucht nur die Anzahl der Impulse in der Differenzfrequenz zu zählen, welche innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls anfallen, um eine direkte digitale Darstellung des bestehenden Druckes zu erhalten.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert.

Fig. 1 ist eine vereinfachte, teilweise gebrochen wiedergegebene Perspektivansicht eines Wandlergerätes und eines Signale erzeugenden Systems nach der Erfindung;

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Fig. 2 ist eine Seitenschnittansicht des Wandlers nach Fig. 1; Fig. 3 ist eine Schnittansicht von Linie 3-3 in Fig. 2;

Fig. 4 ist eine Explosivdarstellung eines Teils der Anordnung nach den Fig. 1-3 unter Darstellung von Einzelheiten der Membran, der Elektrode, der bewegbaren Platte und der Abstandselemente;

Fig. 5 ist eine vergrösserte Teilansicht eines Abstandselementes und einer Befestigungskonstruktion, welche in der Anordnung nach den Fig. 1-4 Verwendung findet;

Fig. 6 ist eine vereinfachte seitliche Schnittansicht eines Bereiches der Anordnung nach Fig. 2 unter Darstellung von Positionsveränderungen während der Auslenkung der Membran;

Fig. 7 ist eine graphische Darstellung der Ablenkung gegenüber dem linearen Ausgang, unter Darstellung der Linearität eines Signalausganges, welcher gemäss der Erfindung erzielt wird;

Fig. 8 ist eine Seitenschnittansicht eines Wandlers nach einer weiteren Ausführungsform gemäss der Erfindung;

Fig. 9 ist eine vergrösserte Teilansicht eines Bereiches der Anordnung nach Fig. 8 unter Darstellung der Abstandsund Befestigungskonstruktion, welche darin verwendet wird;

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Fig. 10 ist eine Draufsicht eines Teils der bewegbaren Platte nach Fig. 8 unter Darstellung der Anordnung von Abstandselementen und Halterungen; und

Fig. 11 ist eine teilweise gebrochen wiedergegebene Perspektivansicht einer weiteren Ausführungsform einer Biegung und Torsion absorbierenden Befestigung gemäss der Erfindung.

Der in den Fig. 1-4 dargestellte Wandler ist als druckempfindlicher, kapazitiver Differential-Wandler 10 mit integrierten elektronischen Einheiten 12 ausgebildet. Diese geben Signale in einen Prozessor 14 ein, welcher Steuerungselemente in einem Steuerungssystem betätigt, zum Beispiel ein Brennstoff- und Emissions-Steuerungssystem eines Motors. Die elektronischen Bauteile 12 sind in naher Beziehung zu einem aus einem keramischen Werkstoff (zum Beispiel Aluminiumoxid) bestehenden Membrankörper 16 auf einer baueinheitlichen Verlängerung 17 angeordnet, wodurch kompakter Bau und leichte Handhabung sichergestellt sind. Der Membrankörper 16 besitzt, wie aus den Fig. 1, 2 und 4 zu ersehen ist, "obere" und "untere" Seiten gemäss Darstellung, obwohl natürlich auch der Wandler 10 in jeder anderen Lage angeordnet sein kann. Der wesentliche Wirkteil des Membrankörpers 16 umfasst einen (im vorliegenden Ausführungsbeispiel) kreisförmigen, verhältnismässig dünnen und auslenkbaren Membranteil 18, der durch eine schalenförmige Konkavität 20 gebildet ist. Diese liegt konzentrisch mit einer Mittelachse für die Membran 18. Eine Nut an der Unterseite eines die Membran 18 umgebenden Randflansches 22 dient zur Aufnahme eines O-Ringes 24, wodurch der Membrankörper 16 gegenüber einer Ge-

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häusebasis 26 abgestützt ist. Der Randflansch 22 ist beträchtlich dicker als der Dicke oder Tiefe der Membran 18 entspricht, so dass sich die Membran 18 nur entsprechend einer Druckveränderung innerhalb der konkaven Ausnehmung 20 verformen lässt.

Die Gehäusebasis 26 enthält einen Einlass-Anschluss 28 zur Aufnahme des zu messenden, unter Druck stehenden Fluids und umfasst sowohl den Membrankörper 16 als auch die Verlängerung 17. Das Gehäuse ist durch eine Abdeckung 30 abgeschlossen.

Die elektronischen Bauteile 12 sind in den Fig. 1 und 3 unterschiedlicher Ausführungsform wiedergegeben, wobei die Einheiten in Fig. 1 in schematischer, funktioneller Blockdarstellung wiedei— gegeben sind, während Fig. 3 die Ausgestaltung der Schaltung wiedergibt, welche in einem praktischen Ausführungsbeispiel benutzt wird. Da die spezifische Schaltung in einem weiten Ausmaß veränderbar ist, sei nur auf die wesentlichen Elemente des Systems hingewiesen, d.h. auf die Elemente, mittels welchen kapazitive Veränderungen auf linear zugeordnete Signalwerte umgesetzt werden. In Fig. 1 sind die inneren kapazitiven Veränderungen des Fühlers innerhalb des Systems durch gestrichelte Linien dargestellt und mit C und C bezeichnet. Diese befinden sich in einer Schaltung mit voneinander getrennten Abgleichwiderständen 34, 35, von welchen letzterer durch einen Leiter 36 nebengeschlossen ist, der in Laser-Abgleichvorgängen benutzt wird. Die Schaltungen umfassen die inneren Kapazitäten C oder C und die zugeordneten Abgleichwiderstände 34, 35, welche verwendet werden, um die Frequenz der frequenzveränderlichen Oszillatoren F und F (40 und 42) zu steuern. Die Oszillatoren 40, 42 können je-

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weils aus einem der im Handel erhältlichen integrierten Oszillatoren bestehen, so aus dem Oszillator-Chip, welcher als RCA-Typ CD 4069 Hex Inverter bekannt ist und welcher verwendet wird, in astabiler Weise zu arbeiten. Die Ausgänge der Oszillatoren 40 und 42 werden an einem Differenzgenerator bzw. einem Demodulator 44 angelegt, welcher eine herkömmliche, bistabile Einrichtung enthalten kann, so ein J-K-Flip-Flop, welches Zustände gemäss der an seinen Anschlüssen aufgenommenen Eingänge verlagert bzw. schaltet. Der hierfür vorgesehene Differenzgenerator 44 erzeugt über eine bestimmte Zeitperiode eine Ausgangsimpuls reihe, welche der Differenz der beiden Eingangsimpulsreihen in dem Prozessor 14 entspricht. Die Ausgangsimpulsreihe ist ihrem Charakter nach und in dieser Anordnung nicht notwendigerweise zyklisch, jedoch gibt die Anzahl der Ausgangsimpulse innerhalb einer bestimmten Zeitspanne genau die Frequenzdifferenz für dieses Beispiel wieder. Der Wandler 10 weist in dem die flexible Membran 18 überlappenden Bereich eine bewegbare Platte 50 auf. Sowohl die Platte 50 als auch die Membran 18 können aus einem isolierenden Keramikmaterial geformt bzw. gegossen werden, so aus Aluminiumoxid, und dienen zur Aufnahme von Paaren von Elektroden, die sich gemäss Fig. 4 auf den entgegengesetzten Flächen befinden. An der Membran 18 befindet sich eine innere Elektrode 52 in dem die Mittelachse umgebenden Bereich, und erstreckt sich von der Mittelachse nach aussen bis zu einem vorbestimmten Maximalradius. Eine äussere Elektrode 54 umgibt im wesentlichen die innere Elektrode 52, wobei sie einen grösseren Radialabstand von der Mittelachse besitzt. In diesem Ausführungsbeispiel nach der Erfindung befindet sich die äussere Elektrode 54 innerhalb des

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Auslenkbereiches der Membran 18, obwohl dies nicht notwendigerweise der Fall sein muss. Elektroden 52, 54 sind bei diesem Ausführungsbeispiel aus einem niedergeschlagenen dünnen Film aus leitfähigem Material gefertigt, so zum Beispiel aus Gold oder Silber. Sie können durch herkömmliche Masken- oder Rasterverfahren oder andere Produktionstechniken bis zu einer bestimmten Tiefe aufgetragen werden, da der Umfang der Membran rechtwinklig ist und die Oberseite des Membrankörpers eben geformt ist, was als physikalischer Bezug zur Verwendung in der Herstellung verwendbar ist. Die Oberseite der Membran 18 kann auf präzise Oberflächenebenheit geschliffen sein. Leitungen 56, 58 erstrecken sich von den inneren und äusseren Elektroden 52, 54 und dienen mittels herkömmlicher Anschlüsse (nicht dargestellt) zur Verwendung mit äusseren Schaltungen. Geerdete Schutzringe 59, 63 befinden sich zwischen den inneren und äusseren Elektroden 52, 54 und 60, 62. Diese Schutzringe begrenzen Zwischenwirkungen zwischen den durch die Elektrodenpaare gebildeten Kondensatoren (insbesondere falls ein leitfähiges Fluid eingeführt wird, wie dies während des Betriebs der Fall sein kann) und welche zwischen den Oszillatorschaltungen selbst gebildet sind. Zwischenwirkungen können auch infolge der Zwischen-Schaltungs-Kopplungen bestehen, wenn die Oszillatoren mit harmonischen Frequenzen arbeiten. Die plattenförmige innere Elektrode 60 und die äussere Elektrode 62 befinden sich entgegengesetzt zu den entsprechenden Elementen an der flexiblen Membran 18. Diese Elektroden 60, 62 enthalten innere und äussere Leitungen 64, 66. Je nach den in Betracht zu ziehenden Bestimmungsgrossen können sie die gleiche oder unterschiedliche Flächen hinsichtlich der gegenüberliegenden Elektroden 52,

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besitzen. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Nominalabstand der Platte 50 von der Membran 18 nur 25,4 um, während bei den meisten Wandlern ein Abstand von 254 um bis nach 2,54 um verwendet wird, obwohl natürlich grossere Abstände nach Wunsch möglich sind. Die Elektroden können aus einem dicken oder aus einem dünnen Film bestehen (die Terminologie ist nicht signifikant), sie sind jedoch vorzugsweise nicht in ihrer Dicke grosser als 10 % des Abstandes zwischen den einander gegenüberliegenden Elektroden, insbesondere ist ihre Dicke etwa 1 % dieses Abstandes.

Wie am besten in den Fig. 1 und 2 zu ersehen ist, ist die bewegbare Platte 50 durch einen unter Abstand angeordneten Gas-Gehäusekörper 68 umgeben, welcher an der Oberseite des Membrankörpers 16 ausserhalb des Auslenkbereiches der Membran 18 aufliegt. Der Gehäusekörper 68 ist in gasdichter Beziehung gegenüber dem Membrankörper 16 abgedichtet, so beispielsweise durch eine Glas- oder Lötabdichtung (im einzelnen nicht dargestellt). Lagerelemente 70, welche nach Wunsch federverspannt sein können, dichten den O-Ring 24 in der Basis der Membran 16 gegenüber der Gehäusebasis 26 ab. Zusätzlich können (nicht dargestellte) Dichtungselemente benutzt werden, um einen Schutz gegenüber Gasleckage zu verbessern, derart, dass das Innere des Gehäusekörpers 68 evakuiert werden kann, um absolute Druckmessungen vorzunehmen. Der Abstand zwischen den Elektroden an der Membran 18 und der Platte 50 kann gasfrei sein, um bessere Messgenauigkeit und erhöhte Verlässlichkeit zu erreichen.

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Die bewegbare Platte 50 ist unter Abstand zur flexiblen Membran 18 angebracht, wobei sie sich in einem vorbestimmten Bereich konzentrisch mit der Mittelachse und zwischen den inneren und äusseren Elektrodenpaaren befindet. In diesem Ausführungsbeispiel ist ein Satz von drei Abstandswülsten 74, 75, 76 vorgesehen. Diese bestehen aus kurvenförmigen Bogenabschnitten, welche entlang eines vorbestimmten Radius die Mittelachse umgeben und in ausreichendem Maße Bezugspunkte bilden, um die Platte 50 ungeachtet von Auslenkungen der Membran 18 parallel zur Ausgangsebene zu halten. Die Abstandswülste 74-76 bestehen im vorliegenden Beispiel aus Glas, obwohl sie auch aus Keramikmaterial bzw. leitfähigem Material bestehen können. Sie können mittels bekannter Raster- bzw. Maskenverfahren in erwünschter Formgebung und bis zu einer vorbestimmten genauen Tiefe aufgebracht werden, wonach eine herkömmliche Aufheizung verwendet wird, um die Platte 50 über die Abstandswülste 74-76 an der Membran 18 abzubinden. Wenn grössere Abstände und weniger gute Oberflächenbeschaffenheit in Kauf genommen werden können, dann können die Abstandselemente direkt in einem Teil angeformt oder aufgeklebt sein. Es können auch in diesem Falle Raster- bzw. Maskenverfahren verwendet werden, obwohl natürlich alternativ auch andere Verfahren benutzt werden können, so das Vakuum-Aufträgen oder das Aufstäuben.

Wie nachfolgend im einzelnen erläutert ist, können die Wülste 74-76 verschiedene Bewegungen zwischen der starren Platte 50 und der flexiblen Membran 18 hinnehmen. Zu diesem Zweck sind an der Platte 50, wie insbesondere in Fig. 5 dargestellt ist, längliche Torsionskörper oder Stäbchen 80 angebracht, die sich

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entlang des jeweils zugeordneten Abstandswulstes (zum Beispiel 74) erstrecken. Die Torsionsstäbchen 80 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch in gleicher Richtung sich erstreckende Seitenöffnungen oder Schlitze 81, 82 gebildet. Es reicht auch aus, Guss- oder Formtechniken zu verwenden, um das Torsionsstäbchen 80 von geringerer Höhe als die Platte 50 herzustellen, wie in Fig. 5 dargestellt ist, um eine grössere Absorption der Torsionskräfte zu erreichen. So wird durch Verbiegen der Membran eine gewisse Torsionskraft in die verhältnismässig starren Glaswülste 74, 76 eingeleitet, jedoch absorbieren die Torsionsstäbchen 80 die dadurch erzeugten Biegebewegungen und verhindern einen Bruch, obwohl die ebene Lage der Platte 50 aufrechterhalten bleibt.

Nach der Herstellung des Aufbaues des Wandlers wird dieser zunächst durch Laser-Trimmen bzw. -Einstellen der Abgleichwiderstände 34, 35 auf vorbestimmte Nominalwerte eingestellt. Die Widerstände 34 und 35 können in die entsprechenden integrierten Schaltungen einspeisen, welche auch die Signalpaare für die kapazitiven Eingänge der inneren und äusseren Kondensatorbereiche des Wandlers aufnehmen. Es sind nur drei Ausgangsleitungen mit dem Wandler verbunden, nämlich ein Endanschluss 88, der zum Erregen dienende Spannungseingang 89 und der Signalausgang 90. Wie es bei Laser-Trimmverfahren bzw. -Abgleichverfahren gewöhnlich der Fall ist, wird das von Testbedingungen abgeleitete Ausgangssignal durch einen Computer verarbeitet, welcher programmiert ist, um das Ausmaß der Reduzierung des erwünschten Widerstandswertes zu bestimmen und um den Laser-Trimmstrahl entsprechend zu steuern. Infolge des Nebenschluss-

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letters 36 kann zuerst der erste Abgleichwiderstand 34 eingestellt werden, wonach der Nebenschluss 36 unterbrochen und nachfolgend der zweite Abgleichwiderstand 35 eingestellt wird. Da beide Werte verfügbar sind und miteinander in Beziehung gebracht werden können, werden infolge dieser ersten Einstellung sowohl der Null-Wert als auch der Gesamtbereich für den Wandler 10 auf die vorbestimmten Nominalwerte eingestellt, derart, dass nachfolgend der Wandler mit anderen austauschbar ist.

Die Art und Weise, auf welche Differential-Kondensatorausgänge erzielbar sind, ist am besten aus der Seitenschnittansicht nach Fig. 6 zu ersehen. In dieser Fig. 6 ist eine Ausgangsposition für die Platte 50 in ihrer Beziehung zur nicht ausgelenkten Membran 18 in ausgezogenen Linien dargestellt. Durch gestrichelte Linien sind die in ausgelenkter Lage eingenommenen Positionen entsprechend einem angelegten Druck P wiedergegeben, durch welchen ein Differentialdruck über der Membran 18 ausgeübt wird. Zum Zwecke der vereinfachten Erkennung, sind die Abstandselemente 74 und 74' diametral bezüglich der Achse einander gegenüberliegend dargestellt, obwohl beim Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1-6 drei Abstandselemente benutzt werden.

Wenn sich die Membran 18 in nicht ausgelenktem Zustand befindet, dann ist der Abstand zwischen dem inneren Elektrodenpaar 52, gleich dem Wert D , während der Abstand zwischen dem äusseren Elektrodenpaar dem Wert D entspricht, wobei diese im wesentlichen einander gleich sind (obwohl geringe Veränderungen während des Trimmverfahrens auftreten können). Wenn jedoch die Membran 18 nach aussen in die mit gestrichelten Linien dargestellte Lage

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verschoben wird, dann können sich die kapazitiven Werte zwischen den einzelnen Rächen im entgegengesetzten Sinne bis zu einem Gegentakt-Effekt verändern. So reduziert sich der Abstand zwischen den inneren Elektroden 52, 60 auf den Wert D *, während der Abstand zwischen den äusseren Elektroden 54, 62 auf D ' zunimmt. In der Praxis kann dieser kapazitive Differential-Aufbau so eingestellt werden, dass eine im wesentlichen exakte Linearität des Ausgangssignals im Vergleich zum Eingangsdruck erzielbar ist. In Fig. 6 sind zum Beispiel Kurven der Linearität für drei Vorrichtungen nach der Erfindung dargestellt, nämlich für die Vorrichtung A (gestrichelte Linie), für die Vorrichtung B (ausgezogene Linie) und für die Vorrichtung C (strichpunktierte Linie). Die Kurvenverläufe zeigen die Ablenkung jeder Vorrichtung gegenüber einer linearen Linie bester Anpassung (gerade Linie kleinster durchschnittlicher quadratischer Anpassung, in statistischen Ausdrücken). Der Vorrichtung A entspricht eine im wesentlichen nach oben verlaufende Kurve in Relation zum Druck, so dass die Variation bester Anpassung im wesentlichen positiv ist, während der Vorrichtung B eine inverse Charakteristik zugeordnet ist, derart, dass die Abweichung im wesentlichen negativ ist. Die Eigenschaften der Vorrichtungen basieren auf den konstruktiven Auslegungen, jedoch vermittelt die Fähigkeit der Vorrichtungen dieser Konstruktion, entgegengesetzt sich verändernde Kurven abzugeben, eine Balance der Parameter, wodurch eine im wesentlichen vollständige Linearität erzielbar ist, wie durch den Kurvenverlauf für die Vorrichtung C veranschaulicht ist.

Eine weitere Ausführungsfornn eines Wandlers nach der Erfindung bedient sich einer unterschiedlichen Konfiguration, wie in den

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Fig. 8-10 dargestellt ist. Gleiche Bauelemente tragen in diesen Figuren die gleichen Bezugszahlen. Die Membran 18* wirkt als Last-Wandler und spricht auf eine mechanisch ausgeübte Kraft oder Verlagerung, also nicht auf einen Fluiddruck, an. Der gesamte Aufbau ist kreisförmig und nicht rechtwinklig. Die elektronischen Anschlüsse der kapazitiven Elemente bestehen aus flexiblen Leitungen 92, die sich durch ein zylindrisches Gehäuse 94 bis zu einer hermetisch abgedichteten oberen Wand 96 erstrecken. Von dort bestehen Verbindungen zu einer quer angeordneten Schaltungsplatte 98, an welcher die elektronischen Elemente 100 angebracht sind. Gemäss Fig. 9 und 10 ist zusätzlich ein Satz von vier Abstandselementen 102 vorgesehen. Diese befinden sich an unter gleichem Abstand vorgesehenen Quadranten bezüglich der Mittelachse, um wiederum die Platte 50' parallel bezüglich des unausgelenkten Teils der Membran 18' zu halten. Torsionsstäbchen 104 zur Verbindung mit den Abstandselementen 102 sind integral mit der Platte 50' vorgesehen und sind durch U-förmige Öffnungen 106 gebildet. Diese Öffnungen bilden die länglichen, freitragenden Torsionselemente bzw. -stäbchen 104.

In Fig. 11 ist eine andere Ausführungsform einer Bezugsplatte 110 dargestellt, bei welcher die Torsion und Biegung der Abstandselemente 112 der Membran (nicht dargestellt) bei deren Auslenkung in dünnen Stegen 114 absorbiert wird. Diese Stege 114 sind durch Bohrungen 116 in der entgegengesetzten Seite der Platte 110 gebildet (die Elektroden sind nicht dargestellt). Die Bohrungen 116 und die dünnen Stege 114 können durch Anformen bzw. Giessen hergestellt werden, sie werden jedoch verlässlicher durch Ultraschall-Bohren unter Verwendung eines Abriebmittels gebildet.

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Wandler nach der Erfindung sind so klein, dass sie weniger als einen Kubikzoll für den Wandleraufbau selbst einnehmen. Falls die elektronischen Elemente wie im Ausführungsbeispiel der Fig. 1-5 beinhaltet sind, dann nimmt die Baugrösse um einen zusätzlichen halben Kubikzoll zu. Es wird eine Kombination der Linearität und der Empfindlichkeit erreicht, wobei hohe kapazitive Werte nach Wunsch bei geringen Spannungs- bzw. Belastungswerten erzielbar sind, während die Hysteresis-Effekte minimal sind. Diese Faktoren als auch der weite Bereich von Druckwerten oder anderen Auslenkkräften, welche aufgenommen werden können, gestatten es, den Wandler einerseits bei hochpräziser Anwendung oder bei rauhen Bedingungen einzusetzen. Die Differential-Kondensatoi—Anordnung vermittelt die Lösung eines algebraischen Problems bei vier Gleichungen mit vier Unbekannten, wodurch eine leichte Einstellung von Null und des Bereichs für die Ausgangsfrequenz ermöglicht ist.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1 . / Kapazitiver Wandler, insbesondere auf Kraft ansprechender Wandler, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler eine flexible Membran aufweist, welche entsprechend einer an ihr einwirkenden Kraft auslenkbar ist und welche eine erste Elektrodeneinrichtung enthält, wobei die Elektrodeneinrichtung aus elektrisch voneinander getrennten Elektroden in wenigstens zwei unterschiedlichen Bereichen an einer Seite der Membran besteht, und dass zwischen den voneinander getrennten Elektroden der ersten Elektrodeneinrichtung eine bewegbare Platteneinrichtung mit der Membran gekoppelt ist und eine zweite Elektrodeneinrichtung enthält, die der ersten Elektrodeneinrichtung zugewandt ist.
2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran und die bewegbare Platteneinrichtung aus elektrisch isolierendem Material bestehen, dass die ersten und zweiten Elektrodeneinrichtungen aus niedergeschlagenen Filmen gebildet

Bayeriect» Vereinebar* München, Kto.-Nr. 882495 (BLZ 700202 70) - Deutsche Bank München, Kto.-Nr. 82/08050 PLZ 70070010)

Postscheckamt München, Kto.-Nr. 163397-802 (BLZ 70010080)

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sind, und dass Abstandseinrichtungen die bewegbare Platteneinrichtung mit der Mennbran zwischen den voneinander getrennten Elektroden an der Membran verbinden.
3. Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegbare Platteneinrichtung inn Bereich der zweiten Elektrodeneinrichtung bei Durchbiegung der Mennbran inn wesentlichen nicht verformbar ist, und dass die ersten und zweiten Elektrodeneinrichtungen ein Paar kapazitiver Vorrichtungen bilden, welche sich entsprechend der Biegung der Membran in entgegengesetztem Sinne ändern.
4. Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass

die bewegbare Platteneinrichtung Mittel enthält, welche Torsionsspannungen absorbieren, die in der Abstandseinrichtung während der Biegung der Membran ausgelöst werden.
5. Wandler nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine wenigstens auf der Membran befindliche Einrichtung, welche die elektrische Wechselwirkung zwischen den darauf befindlichen Elektroden begrenzt.
6. Wandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass

die die Wechselwirkung begrenzende Einrichtung Schutzelektroden aufweist, die sich an der Membran und der Platte zwischen den ersten und zweiten Elektrodeneinrtchtungen befinden.

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7. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran eine im wesentlichen ebene Oberseite aufweist, auf welcher sich die erste Elektrodeneinrichtung befindet, dass die Platte aus einem Plattenkörper geringer Masse besteht, der sich im wesentlichen deckungsgleich mit wenigstens einem Teil der Membran erstreckt und im wesentlichen parallel zu dieser angeordnet ist, wobei am Plattenkörper die zweite Elektrodeneinrichtung ausgerichtet und der Membran zugewandt ist, wobei ein Abstand im Bereich von 25,4 um (1 mil) von der Membran besteht, und dass eine Abstandseinrichtung, bestehend aus einer Anzahl von Abstandselementen, zwischen der Membran und dem Plattenkörper angeordnet und mit beiden gekoppelt ist, wobei der Plattenkörper in einer Position parallel zu einer vorbestimmten Ebene gehalten wird, während die Membran einer Auslenkung unterliegt.
8. Wandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Elektrodeneinrichtungen aus Dünnfilmelektroden bestehen, und dass die Dicke der Elektroden kleiner als 10 % des Abstandes zwischen der Membran und dem Plattenkörper ist.
9. Wandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran und der Plattenkörper aus isolierenden Körpern bestehen, und dass ein Gehäuse den Plattenkörper umgibt und mit der Membran verbunden ist, um einen vorbestimmten Druck im Bereich zwischen der Membran und dem Plattenkörper aufrechtzuerhalten.

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10. Wandler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandseinrichtung aus wenigstens drei Abstandselennenten besteht, welche sowohl an der Membran als auch am Plattenkörper abgebunden sind.
11. Wandler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Plattenkörper unterschiedliche, materialeinheitliche Torsionselemente enthält, welche je mit den Abstandselementen verbunden sind.
12. Wandler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Gehäuses ein Vakuum aufrechterhalten ist, und dass die Elemente der Abstandseinrichtungen aus Glas, Keramik oder aus Metall bestehen.
13. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran eine im wesentlichen ebene, auslenkbare Fläche mit einer Mittelachse aufweist, dass die voneinander getrennten Elektroden der ersten Elektrodeneinrichtung unterschiedliche Radialpositionen bezüglich einer Mittelachse an der ebenen Fläche einnehmen, und dass Abstandselemente mit der Platteneinrichtung und der Membran verbunden sind und sich an Radialpositionen zwischen den voneinander getrennten Elektroden der ersten Elektrodeneinrichtung befinden.
14. Wandler nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran fernerhin einen materialeinheitlich ausgebildeten Umfangskörper aufweist, welcher eine Druck aufnehmende Ausnehmung an der Seite entgegengesetzt zur ersten Elektrodenein-

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richtung bildet, dass ein Gehäuse die Platteneinrichtung umgibt und mit der Membran verbunden ist, um einen Unterdruck im Bereich der Elektrodeneinrichtung aufrechtzuerhalten, dass der Membran ein Halterungskörper zugeordnet ist, und dass der Umfangskörper eine am Haltekörper anliegende elastische Dichtung aufweist.
15. Wandler nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran und die Platteneinrichtung aus Keramikmaterial bestehen, dass die erste Elektrodeneinrichtung aus Dünnfilmelementen besteht, dass die Membran eine rechtwinklige Konfiguration besitzt und eine Verlängerung ausserhalb des Umfangskörpers aufweist, dass sich die Platte im wesentlichen deckungsgleich wenigstens mit dem Elektroden tragenden Teil der Membran erstreckt, und dass sie zusätzlich elektronische Schaltungselemente an der Verlängerung der Membran trägt.
16. Wandler nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodeneinrichtungen an der Membran und an der Platteneinrichtung aus einem äusseren Ring bestehen, aus einer inneren Scheibe und aus einer Einrichtung, mittels welcher eine äussere elektrische Verbindung mit dem Aussenring und der inneren Scheibe gebildet ist, und dass sich geerdete Schutzelektrodeneinrichtungen sowohl an der Membran als auch an der Platteneinrichtung zwischen dem Aussenring und der inneren Scheibe befinden.
17. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrodeneinrichtung mit voneinander getrennten

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Elektroden der ersten Elektrodeneinrichtung kombiniert ist, so dass erste und zweite kapazitive Einrichtungen gebildet sind, dass erste und zweite frequenzvariable Oszillatoreinrichtungen mit den ersten und zweiten kapazitiven Einrichtungen gekoppelt und in ihrer Frequenz mit dem Wert derselben variierbar sind, und dass eine auf die ersten und zweiten in der Frequenz variablen Oszillatoren ansprechende Einrichtung ein sich veränderndes Frequenzdifferenzsignal erstellt, wobei jeder der in der Frequenz variablen Oszillatoren einen Abgleichwiderstand in der Schaltung enthält, und dass die Membran eine Schaltungsplatten-Verlängerung enthält, auf welcher die Abgleichwiderstände und die Oszillatoreinrichtungen befestigt sind.
18. Wandler nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrodeneinrichtung erste und zweite Elektroden enthält, dass die auslenkbare Membran einen kreisförmigen Auslenkbereich enthält, welcher konzentrisch mit seiner Mittelachse zu den ersten und zweiten Elektroden liegt, die sich auf unterschiedlichen Radialbereichen befinden, und dass eine Abstandseinrichtung entlang eines Radius zwischen den ersten und zweiten Elektroden angeordnet ist, derart, dass durch Auslenkung der Membran eine in entgegengesetztem Sinne ablaufende Veränderung des Abstandes zwischen den einander gegenüberliegenden Elektrodenpaaren vollziehbar ist.
19. Wandler nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler eine Gehäuseeinrichtung zur Halterung der Membran aufweist, dass ein Umfangsflansch der Membran an der entgegengesetzt zu den Elektroden befindlichen Seite mit dem Gehäuse ver-

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bunden ist und mit diesem ein Innenvolumen nahe des auslenkbaren Teils der Membran bildet, um einen inneren Fluiddruck aufzunehmen und um das Innere des Gehäuses mit dem auslenkbaren Teil zu verbinden, dass die Membran eine auslenkbare, eine Elektrodeneinrichtung tragende Fläche enthält, welche beträchtlich dünner ist als der Dicke des Umfangsflansches entspricht, dass eine Basis des Gehäuses zur Aufnahme des Umfangsflansches der Membran dient, und dass eine Einrichtung an der entgegengesetzten Seite der Membran anliegt, um die Membran in ihrer Position zu halten, dass eine Dichtungseinrichtung den Umfangsflansch der Membran mit der Basis des Gehäuses verbindet, und dass eine weitere Einrichtung den im wesentlichen ebenen Körper umschliesst, um einen im wesentlichen konstanten Niederdruck aufrechtzuerhalten.
20. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diesem eine im wesentlichen starre Abstandseinrichtung in Form von wenigstens zwei unter Abstand angeordneten Bogensegmenten zugeordnet ist, die sich in einem Auslenkbereich der Membran befinden und die Membran mit der Platteneinrichtung verbinden, dass eine mit der Platteneinrichtung verbundene Vorrichtung Biege- und Torsionskräfte absorbiert, die während der Auslenkung der Membran auf die Abstandseinrichtung ausgeübt werden, und dass die zur Absorbierung der Torsions- und Biegebelastun gen dienende Einrichtung Torsionsstäbchen enthält, die sich an der Platte befinden und sich entlang jedes der unterschiedlichen Bogensegmente, mit diesen verbunden, erstrecken, wobei die absorbierenden Elemente wenigstens teilweise durch angrenzende bogenförmige Schlitze in der Platteneinrichtung gebildet sind.

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