DE3223248A1

DE3223248A1 - IMPROVED QUARTZ DIFFERENTIAL PRESSURE TRANSDUCER

Info

Publication number: DE3223248A1
Application number: DE19823223248
Authority: DE
Inventors: William George 47201 Columbus Ind. Wolber
Original assignee: Bendix Corp
Current assignee: Bendix Corp
Priority date: 1981-06-29
Filing date: 1982-06-22
Publication date: 1983-01-13
Also published as: FR2508641A1; JPS5844324A; GB2101331A

Description

BESCHREIBUNG · DESCRIPTION ·

Verbesserter Quarz-Differentialdruckwandler . Improved quartz differential pressure transducer .

Die Erfindung betrifft Differentialdruckwandler, inbesondere kapazitive Druckwandler. .The invention relates to differential pressure transducers, in particular capacitive pressure transducer. .

Druckmesser besitzen häufig mindestens eine biegsame Membrane mit einem metallbeschichteten Abschnitt oder einer Elektrode, welche mit der Grundplatte einer anderen Mem- · brane zusammenwirkt, die ebenso einen metallbeschichteten Abschnitt aufweist und damit einen druckempfindlichen Kondensator bildet. Diese Druckwandler haben einen natürlichen Nachteil; d.h., daß die druckabhängige Kapazitätsveränderung nicht linear verläuft. Frühere kapazitive Druckwandler bzw. Meßeinrichtungen wandten verschiedene Verfahren an, um dieser·druckabhängigen Kapazitätsveränderuhg eine stärker angenäherte lineare Funktion zu verleihen.Diese Verfahren umfassen: Entfernen von Teilen der Elektrode, um ein kompliziertes Elektrodenbild zu schaffen, Einsetzen von Elektronik, um elektronischePressure gauges often have at least one flexible membrane with a metal-coated section or one Electrode, which is connected to the base plate of another mem- · Brane cooperates, which also has a metal-coated section and thus a pressure-sensitive one Capacitor forms. These pressure transducers have a natural disadvantage; i.e. that the pressure-dependent change in capacitance does not run linearly. Earlier capacitive pressure transducers or measuring devices used different ones Method to this · pressure-dependent capacity change to give a more approximate linear function. These methods include: Removing parts the electrode to create a complicated electrode image create, deploying electronics to electronic

Nichtiinearitäten an die natürliche nichtlineare Funktion des Druckmessers anzupassen, so daß das Gesamtausgangssignal mehr linear verläuft. Durch Einbau von. hochentwickelten Elektroden, Elektroden mit einem komplizier-To adapt non-linearities to the natural non-linear function of the pressure gauge, so that the total output signal more linear. By installing. sophisticated electrodes, electrodes with a complicated

^O ten Aufbau und komplizierten elektronischen Schaltungen werden der Konstruktionsaufwand des Meßgerätes erhöht, die Kosten steigen an und seine Betriebssicherheit wird herabgesetzt. . · '^ O th structure and complicated electronic circuits the construction effort of the measuring device is increased, the costs rise and its operational reliability degraded. . · '

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Druckmesser oder -wandler, dessen Mittelteil eine Bohrung oder ein Loch aufweist sowie zwei elektrisch isolierende elastische Membranen die in Abhängigkeit von der Druckdifferenz auslenkbar sind, die an ihnen anliegt, und die gestapelt miteinander fluchtend zu jeder Seite des Mittelteils um das Loch angeordnet sind. Diese Membranen sind in einem Abstand voneinander an die Seiten des Mittelteils durch einen glasähnlichen Dichtungsstoff verklebt und bildenThe invention relates to a capacitive pressure meter or transducer, the central part of which has a bore or a Has hole and two electrically insulating elastic membranes which can be deflected as a function of the pressure difference that rests against them and that are stacked in alignment with each other on either side of the middle section around the Hole are arranged. These membranes are at a distance from each other on the sides of the central part a glass-like sealant glued and formed

zwischen sich einen abgedichteten Hohlraum. Der Wandler I weist auch ein Zwischenstück auf, das gleitbar im Loch gelagert ist und an den Unterseiten der beiden Membranen angebracht ist, um zu bewirken, daß die Auslenkung einer jeden Membrane jeweils von der Auslenkung der anderen abhängt, wobei ein erstes Paar von leitenden Schichten oder Elektroden auf jeder Seite des Mittelteils oder Mittelträgers angebracht ist und ein zweites Paar von leitenden Schichten an der .Innenfläche einer jeden Membrane' auf gebracht, ist, um einen ersten und zweiten druckempfindlichen ■ Kondensator C-., C- im Zusammenwirken mit den entsprechenden leitenden Schichten auf dem Mittelteil zu bilden, so daß eine Kapazitätsänderung des ersten und zweiten Kondensators im wesentlichen gleich, jedoch entgegengesetzt ist. Der Wandler besitzt auch einen Signalgeber, der in Abhängigkeit vom Wert des ersten und zweiten Kondensators ein Ausgangssignal erzeugt, um die nicht lineare Komponente der Kapazitätsveränderung als Funktion des Drucks weitgehend auszuschalten, wodurch das erzeugte Ausgangssignal in Abhängigkeit von der an den elastischen Membranen wirkenden Druckdifferenz erheblich linearer ist.between them a sealed cavity. The converter I also has an adapter which is slidably mounted in the hole and on the undersides of the two membranes is attached to make the deflection of each membrane dependent on the deflection of the other, a first pair of conductive layers or electrodes on each side of the central portion or beam is attached and a second pair of conductive layers are applied to the 'inner surface of each membrane', is to a first and second pressure sensitive ■ capacitor C-., C- in cooperation with the corresponding to form conductive layers on the central part, so that a change in capacitance of the first and second capacitors is substantially the same but opposite. The converter also has a signal generator, which depends on the value of the first and second capacitor Output signal generated to represent the non-linear component of the The change in capacitance as a function of the pressure can largely be switched off, whereby the output signal generated as a function of the pressure difference acting on the elastic membranes is considerably more linear.

Somit besteht die Aufgabe der Erfindung darin, einen Differentialdruckwandler zu schaffen, dessen Ausgangssignal einen lineareren Verlauf, zeigt. Erfindungsgemäß soll ein kapazitiver Druckwandler geschaffen werden,Thus, the object of the invention is to provide a Differential pressure transducer to create its output signal shows a more linear course. According to the invention a capacitive pressure transducer is to be created,

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der im wesentlichen die vorerwähnten Nichtlinearitäten herabsetzt und keiner komplizierten elektronischen Kompensatiansschaltungen bedarf. Erfindungsgemäß ist auch ■ ein kapazitiver Druckwandler mit erhöhter Empfindlichkeit vorgesehen.which essentially reduces the aforementioned non-linearities and no complicated electronic compensation circuits requirement. According to the invention is also ■ a capacitive pressure transducer with increased sensitivity intended.

Ein Vorteil der Erfindung ergibt sich aus der symmetrischen Anordnung der Membranen und ihrer entsprechenden Elektroden. Diese Beziehung ermöglicht es, daß die Erfindung gegenüber Temperaturschwankungen unempfindlich ist und einen hohen Grad von Gleichtaktunterdrückung aufweist.An advantage of the invention results from the symmetrical arrangement of the membranes and their corresponding ones Electrodes. This relationship enables the invention to be insensitive to temperature fluctuations and has a high level of common mode rejection.

Die .Erfindung ist nachstehend näher.erläutert. Alle in der Beschreibung enthaltenen Merkmale und Maßnahmen kön-. nen von erfindungswesentlicher-Bedeutung sein. Die Zeichnungen zeigen: . 'The invention is explained in more detail below. Alone Features and measures contained in the description can. NEN be essential to the invention. The painting demonstrate: . '

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen kapazititven Differentialdruckwandler;Fig. 1 shows a cross section through an inventive capacitive differential pressure transducer;

Fig. 2 ' einen Grundriß einer elastischen Membrane mit dem aufgebrachten Bild einer Elektrode;Fig. 2 'with a plan view of an elastic membrane the applied image of an electrode;

Fig. 3 einen Grundriß einer Ausführungsform von Elektroden auf dem Mittelteil;Figure 3 is a plan view of an embodiment of electrodes on the middle part;

Fig. 4 eine Elektrodenform für den Mittelteil;4 shows an electrode shape for the central part;

Fig. 5 einen Querschnitt des Druckwandlers in ausgelenkter oder durchgebogener Stellung;5 shows a cross section of the pressure transducer in a deflected or bent position;

Fig. 6 eine kapazitive Meßbrücke; ■6 shows a capacitive measuring bridge; ■

Pig. 7 eine Diodenmeßbrücke;Pig. 7 a diode measuring bridge;

Pig. 8 einen Betriebszustand des erfindungsgemäßen kapazitiven Differenzdruckwandlers.Pig. 8 shows an operating state of the invention capacitive differential pressure transducer.

Die Fig. 1 bis 4 zeigen die Hauptbausteine eines Druckwandlers 20. Der Druckwandler 20 weist einen Mittelträger 22 auf, in dem eine öffnung oder ein Loch 2 4 ausgeformt ist/ das durch ihn hindurchragt. Beim bevorzugten Ausführuntsbeispiel ist der Mittelträger eine kreisförmige Scheibe, die an ihrer Kante abgestützt werden, kann. Die Kantenstütze ist■in Fig. 1 nicht gezeigt, aber schematisch in Fig.5 dargestellt. Der Mittelträger'22 besteht vorzugsweise aus einem Werkstoff mit Null Hysterese und einem geringen Wärmedehnungskoeffizienten. Zu Werk-. stoffen dieser Art gehören Aluminiumozid, Pyrex und ge- ' schmolzener Quarz. Obwohl beim bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ein kreisförmiger Mittelträger 22 • eingesetzt ist, sind auch andere geometrische Formen möglich. Der Wandler besitzt auch zwei kleinere Schreiben, welche biegsame Membranen 30 und 32 darstellen, die vorzugsweise zur Mittellinie 26 des Mittelträgers 2-2 koaxial angeordnet sind. Die biegsamen Membranen 30 und 32· sind vorzugsweise aus dem gleichen Werkstoff wie der Mittelträger '22 gefertigt. Sie werden in einem Abstand zueinander und zum Mittelträger 22 parallel durch zwei '. sich über den Umfang erstreckende oder ringförmige Dichtungen einer bekannten Art gehalten wie z.B. die ringförmigen Dichtungen 34 und 36 aus Glasfritte. Die ringförmigen Dichtungen 34 und 36 können auf dem Mittelträger in bekannter Weise aufgebracht sein, wie z.B. durch Siebdruck, Vakuumaufdampfen oder Aufsprühen. ;1 to 4 show the main components of a pressure transducer 20. The pressure transducer 20 has a central support 22 in which an opening or a hole 2 4 is formed / which protrudes through it. In the preferred embodiment, the central support is a circular disc which can be supported on its edge. The edge support is ■ not shown in FIG. 1, but is shown schematically in FIG. The central support 22 is preferably made of a material with zero hysteresis and a low coefficient of thermal expansion. To work. Substances of this type include aluminumocide, pyrex, and fused quartz. Although a circular central support 22 is used in the preferred exemplary embodiment of the invention, other geometric shapes are also possible. The transducer also has two smaller discs representing flexible diaphragms 30 and 32 which are preferably coaxial with the centerline 26 of the center support 2-2. The flexible membranes 30 and 32 are preferably made of the same material as the central support '22. They are at a distance from each other and parallel to the central beam 22 by two '. Supported circumferential or annular seals of a known type, such as annular frit glass seals 34 and 36. The annular seals 34 and 36 can be applied to the central support in a known manner, such as, for example, by screen printing, vacuum deposition or spraying. ;

Damit sich der Mittelträger nicht durchbiegen kann, wenn Druck an den Außenflächen der Membranen 30 und 32 aufgebracht wird, wird er vorzugweise steifer hergestellt als jede-der beiden Membranen 30 und 32. Um außerdem Wärme-So that the middle girder cannot bend when Pressure is applied to the outer surfaces of the membranes 30 and 32, it is preferably made more rigid than each-of the two membranes 30 and 32. In order to also heat

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. einflüsse so gering wie möglich zu halten, sollen die Membranen und der Mittelträger.aus dem gleichen Werkstoff hergestellt sein. Um außerdem die im Wandler aufgebauten mechanischen Spannungen zu verringern, sollen die mechanischen Eigenschaften des für die Dichtungen und 36 verwendeten Werkstoffs gleich den Eigenschaften der Membranen und des Mittelträgers sein. Ein typischer Dichtungswerkstoff ist ein geschmolzenes Quarzglas wie ein Glass Transfer Tape G1015 (Glastransferband G1015) der Vitta Corporation, Damberry, Connecticut, USA. Die Membranen 30 und 32, .die Dichtungen 34 und 36 sowie der Mittelträger 22 wirken zusammen und bilden zwischen sich eine hermetisch dichte Kammer 40.. The aim is to keep influences as low as possible The membranes and the central support are made of the same material be made. In order to also reduce the mechanical stresses built up in the converter, should the mechanical properties of the material used for the seals 14 and 36 are equal to the properties the membranes and the central support. A typical sealing material is a fused quartz glass such as a Glass Transfer Tape G1015 (glass transfer tape G1015) of Vitta Corporation, Damberry, Connecticut, USA. The membranes 30 and 32,. The seals 34 and 36 and the Central supports 22 cooperate and form a hermetically sealed chamber 40 between them.

Die Druckkapsel 20 enthält auch ein mittleres Abstandsund Zwischenstück 50, das durch die öffnünge 2 4 eingeführt wird und mit den Unterseiten der Membranen 30 und 32 verbunden ist. Das Zwischenstück 50 ist an die Membranen durch glasartige Dichtungen 52, 54 angebracht.The pressure capsule 20 also includes a central spacer 50 that is inserted through the openings 2 4 and is connected to the undersides of the membranes 30 and 32. The intermediate piece 50 is on the membranes attached by glass-like seals 52, 54.

Die Länge des Zwischenstücks 50 und die Dicke der Dichtungen 52 und 54 werden in bekannter Weise kontrolliert, so daß im Ruhezustand, d.h. wenn kein Druck auf die Membranen wirkt, diese parallel und unverspannt gehalten werden. Der Wandler 20 weist auch mehrere Elektroden auf, die mit den Oberflächen des Mittelträgers 22 und der Membranen 30 und 32 verklebt oder.anderweitig auf diese aufgebracht sind. Diese Elektroden stellen mindestens zwei druckempfindliche Kondensatoren dar. Die spezielle Formgebung der diese Druck messenden Kondensatoren darstellen- den Elektroden kann veränderlich sein. Zur Erläuterungszwecken sind zwei dieser Elektrodenformen dargestellt. Es sei jedoch bemerkt, daß die Elektrodenformen zwischen der Membrane 30 und dem Mittelträger 22 und zwischen der Membrane 32 und dem.Mittelträger 22 eine gewählte Formgebung identisch sein sollen.The length of the intermediate piece 50 and the thickness of the seals 52 and 54 are controlled in a known manner, so that at rest, i.e. when there is no pressure on the membranes, they are kept parallel and untensioned will. The transducer 20 also has a plurality of electrodes that are associated with the surfaces of the central support 22 and the membranes 30 and 32 glued or otherwise applied to them are. These electrodes represent at least two pressure-sensitive capacitors. The special shape of these pressure-measuring capacitors represent- the electrodes can be changeable. For purposes of illustration, two of these electrode shapes are shown. It should be noted, however, that the electrode shapes between the membrane 30 and the central support 22 and between the membrane 32 and dem.Mittelträger 22 a selected shape should be identical.

Fig. 2 zeigt einen Grundriß einer normalen Elektrode 60a, die auf den Innenflächen der Membrane 30 angeordnet, ist.. Eine identische Elektrode 6Od (Fig. 1) würde an der Innenfläche 58 und der Membrane 32 angeordnet sein. Vor allem ist ein Grundriß der Unterseite der Membrane 30 dargestellt. Diese weist eine mittig angeordnete ringförmige Elektrode 60a auf, welche die Dichtung. 34 umschließt. Die Elektrode 60a weist' die Elektrodenleitungen 62a und 64a auf, die sich von der ringförmigen Elektrode 60a bis zu den Kanten der Membrane 30 erstrecken. Fig. 2 zeigt auch das Verhältnis zwischen der Dichtung 52 und der Elektrode 60a.Fig. 2 shows a plan view of a normal electrode 60a which is arranged on the inner surfaces of the membrane 30. An identical electrode 60d (FIG. 1) would be arranged on the inner surface 58 and the membrane 32. Above all a plan view of the underside of the membrane 30 is shown. This has a centrally arranged ring-shaped Electrode 60a, which is the seal. 34 encloses. The electrode 60a has the electrode lines 62a and 64a which extend from the annular electrode 60a to the edges of the membrane 30. Fig. 2 also shows the relationship between the gasket 52 and the electrode 60a.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung bildet die Elektrodenausfprmung am Mittelträger und an den Membranen einen ersten und zweiten druckmessenden Kondensator C und C „.Bei einem anderen Ausführungsbeispiel bildet die Elektrodenform einen ersten und zweiten Normalkondensator C ., C , in Verbindung mit einem ersten und zweiten Druckmeßkondensator C .. und C -·In one embodiment of the invention, the electrode formation forms on the central support and on the membranes first and second pressure-measuring capacitors C and C ". In another embodiment, the Electrode shape a first and second normal capacitor C., C, in connection with a first and second pressure measuring capacitor C .. and C - ·

Fig. 3 zeigt eine Elektrodenform für zwei Druckmeßkondensatoren C ., und C τ zusammen mit den Elektroden 6Öa und si s*· Fig. 3 shows an electrode shape for two pressure measuring capacitors C., And C τ together with the electrodes 6Öa and si s * ·

60bi Diese Form kann bei beiden Brückenschaltungen der Fign. 6 oder 7 angewandt werden. Bei dieser Ausführungsform umfaßt jede Seite des Mittelträgers 22 eine mittig angeordnete Ringelektrode 80 mit einer sich radial erstreckenden Leitung 82. Die Elektrode 80 ist in den ringförmigen Dichtungen 34 bzw. 36 angeordnet und umgibt das Loch 24. Fig. 4 zeigt eine andere Elektrodenform, die zwei Druckmeßkondensatoren C ₁ und C „ sowie zwei Normalkonden-60bi This form can be used in both bridge circuits of FIGS. 6 or 7 can be applied. In this embodiment, each side of the center support 22 includes a centrally located ring electrode 80 with a radially extending lead 82. The electrode 80 is located in the annular seals 34 and 36, respectively, and surrounds the hole 24. FIG two pressure measuring capacitors C ₁ and C "as well as two normal condensers

Si s2Si s2

atoren C - und C ~ ergeben. Jede Seite des Mittelträgers 22 enthält eine mittig angeordnete Ringelektrode 90, welche die Öffnung 24 umschließt. Eine sich radial erstreckende Leitung verlängert die Elektrode 90 zur Kante des Trä-ators C - and C ~. Each side of the central support 22 contains a centrally arranged ring electrode 90 which encloses the opening 24. A radially extending lead extends the electrode 90 to the edge of the carrier

32232433223243

gets 22. Dieser weist auch eine zweite, C-förmige Elektrode 94 auf welche die Ringelektrode 90 teilweise umschließt. Die Elektrode 94 ist mit einer weiteren sich radial erstreckenden Leitung 96 versehen. Es kann bewiesen werden, daß die Auslenkung zwischen den Elektroden 60 und 90 größer ist als die zwischen den Elektroden 94 und 60. Daher gilt der zwischen den Elektroden 94 und 60 gebildete Kondensator als Normalkondensator C , da sich seine Kapazität kaum ändert/ und der zwischen den Elektroden-90 und 60a ausgeformte Kondensator, der in der druckempfindlichen Fläche an den Membranen 30 oder 32 mittig angeordnet ist, wird als Druckmeßkondensator C " bezeichnet. Während der Herstellung des Druckwandlers 20 ist es vorteilhaft, die Leitungen(82, 92, 94) in jeder Elektrodenform im gleichen Abstand von den Leitungen 62 ,und .64 anzuordnen, die sich auf den Unterseiten der Membranen 30 und 32 befinden.gets 22. This one also has a second, C-shaped electrode 94 on which the ring electrode 90 partially encloses. The electrode 94 is provided with another one extending radially Line 96 provided. It can be proven that the displacement between electrodes 60 and 90 is greater is than that between electrodes 94 and 60. Therefore, the capacitor formed between electrodes 94 and 60 applies as normal capacitor C, since its capacitance hardly changes / and that between electrodes 90 and 60a molded capacitor, which is arranged in the center of the pressure-sensitive surface on the diaphragms 30 or 32, is referred to as pressure measuring capacitor C ". During the In fabricating the pressure transducer 20, it is advantageous to have the leads (82, 92, 94) in each electrode shape in the same way Distance from the lines 62, and 64, which are located on the undersides of the membranes 30 and 32.

Fign. 6 und 7 zeigen zwei Meßbrücken, die in bekannter Weise an die Kondensatoren des Wandlers 20 darstellenden Elektroden· angeschlossen sind. Die Meßbrücke' 100 der Fig.6 weist vier Kondensatoren C..-C. auf. Die Meßbrücke der Fig. kann mit beiden kapazitiven Elektrodenformen verwendet werden. Nach Fig. 6 entsprechen die Kondensatoren C. und C„ den druckmessenden Kondensatoren C .. und C „. Die Kondensatoren C₃ und C₄ entsprechenden Normalkondensatoren, die die Normalkondensatoren im Wandler 20 enthalten können oder auch wandlerexterne Kondensatoren sein können. Die AusgangsSpannung der Brücke 100 ist proportional ihrer C-Werte. Dieses Verhältnis ist in Gleichun g (1) angegeben:Figs. 6 and 7 show two measuring bridges which are connected in a known manner to the electrodes representing the capacitors of the transducer 20. The measuring bridge 100 of FIG. 6 has four capacitors C ..- C. on. The measuring bridge of the figure can be used with both capacitive electrode forms. According to FIG. 6, the capacitors C. and C "correspond to the pressure-measuring capacitors C .. and C". The capacitors C ₃ and C ₄ correspond to normal capacitors, which the normal capacitors can contain in the converter 20 or can also be capacitors external to the converter. The output voltage of the bridge 100 is proportional to its C values. This relationship is given in equation (1):

. '. '

₁ + VC₂) - VC₃/(1/C₃ + 1/C₄) · (1) ₁ + VC ₂ ) - VC ₃ / (1 / C ₃ + 1 / C ₄ ) (1)

Ά -Ά -

Fig. 7 zeigt eine weitere Meßbrücke 100, welche unter anderem die Dioden D₁ ^-D. enthält, die mit den Druckmeßkondensatoren C₁ und C verbunden sind. Die Ausgangsspannung dieser .Brücke ist ebenso mit ihren Cr-Werten proportional und wird durch die Gleichung (2) dargestellt:FIG. 7 shows a further measuring bridge 100 which, among other things, contains the diodes D ₁ ^- D, which are connected to the pressure measuring capacitors C ₁ and C. The output voltage of this bridge is also proportional to its Cr values and is represented by equation (2):

CC ^Cs1 ^C CC ^C s1 ^C

.1O Die"Meßbrücken der Figuren 6 und 7 dienen zur Messung der Kapazitätsschwankung eines erf'indungsgemäßen Druckwandlers mit einem einzigen Druckmeßkondensator oder auch mit mehreren Druckmeßkondensatoren. Bei dem früheren Druckwandler mit einem einzigen Druckmeßkondensator wird die Ausgangsspammng der Kondensatorbrücke in Fig. 1 durch die Gleichung (1) dargestellt. Da außerdem das rechte Glied der Gleichung (1) eine Konstante ist, wurde H mit der Ausgangsspannung kombiniert, wobei eine abgeänderte Ausgangsspannung E' , E gebildet wird. Die Gleichung (3) zeigt die Verhältnisse der sich ergebenden. Ausgangsspannung..1O The "measuring bridges of Figures 6 and 7 are used to measure the Capacity fluctuation of a pressure transducer according to the invention with a single pressure measuring capacitor or with several Pressure measuring capacitors. In the earlier pressure transducer with a single pressure measuring capacitor, the output voltage of the capacitor bridge in Fig. 1 is represented by equation (1). There is also the right link of equation (1) is a constant, H was combined with the output voltage, giving a modified output voltage E ', E is formed. Equation (3) shows the relationships between the resulting. Output voltage.

Der Drehkondensator (veränderliche Kapazität) C₁ kann wie folgt dargestellt werden:The variable capacitor (variable capacitance) C ₁ can be represented as follows:

C₁ = = . ·. (4)C ₁ = =. ·. (4)

wobei A die Proportipnalitätskonstante und ^d₁ die Änderung des Nennabstandes d₁ zwischen den Kondensatorplatten C₁ ist.where A is the proportionality constant and ^ d _{1 is} the change in the nominal distance d ₁ between the capacitor _{plates C 1} .

Setzt man Gleichung (4) für Gleichung (3) und führt das Glied ein:If one substitutes equation (4) for equation (3) and introduces the term:

A_ (d + Ad₁)
. C= C₂ . (5)A_ (d + Ad ₁ )
. C = C ₂ . (5)

so kann Gleichung (3) wie folgt neu angesetzt werden:so equation (3) can be re-established as follows:

• E'. OC 1 . . = . 1 ₍₆₎ • E '. OC 1. . =. 1 ₍₆₎

·■ . 1 + A/C_o '(Cl₁H-AcI₁) 1 + X IQ 2 11· ■. 1 + A / C _o '(Cl ₁ H-AcI ₁ ) 1 + X IQ 2 11

Eine Erweiterung der Gleichung (6) mit Hilfe der binomischen Erweiterung ergibt Gleichung (7), welche nachdrücklieh zeigt, daß sich die Ausgangsspannung E¹ des früheren Druckmessers nicht linear im Rahmen der Auslenkung verändert. ■An extension of equation (6) with the aid of the binomial extension results in equation (7), which emphatically shows that the output voltage E ^{1 of} the earlier pressure gauge does not change linearly within the scope of the deflection. ■

E¹ = 1 - X + X² - X³ + X⁴ - - (7)E ¹ = 1 - X + X ² - X ³ + X ⁴ - - (7)

Der Abstand zwischen den Kondensatorplatten ist proportional dem wirkenden Druck und daher zeigt Gleichung (7) auch, daß sich die Ausgangsspannung nicht linoar mit dem Druck verändert.The distance between the capacitor plates is proportional to the acting pressure and therefore equation (7) shows also that the output voltage is not linoar with the Pressure changed.

Im Gegensatz dazu verändert sich die Ausgangsspannung des ' Wandlers 20 in Verbindung mit einer der beiden Brückenschaltungen der Fign. 6 oder 7 viel stärker linear als Funktion der Veränderung des'Abstandes der Kondensatorplatten. ' ■ In contrast, the output voltage of the changes 'Converter 20 in connection with one of the two bridge circuits of FIGS. 6 or 7 is much more linear as a function of the change in the distance between the capacitor plates. '■

Wenn der Wandler 20 beispielsweise an die Brücke 100 der Fig. 6 angeschlossen wird und wennC, und C„ mit C - und C_ verglichen werden, dann wird die Ausgangsspannung E durch die Gleichung (8) dargestellt:For example, if the transducer 20 is connected to the bridge 100 of FIG. 6 and if C, and C "with C - and C_ are compared, then the output voltage E represented by equation (8):

Sei— = ^A1^/(d1 ^{+ Ad}1^} (8)Let— = ^A 1 ^{/ (d} 1 ^{+ Ad} 1 ^} (8)

^Csi ^{+ c}s2 ^C si ^{+ c} s2

Da die Anfangswerte der Kondensatoren C ₁ und C _? gleich sind bedeutet dieses Verhältnis, daß auch die Proportionalitätskonstante A₁ und A sowie auch die anfänglichen Auslenkungen d₁ und dp gleich sind. Außerdem sind'die Auslenkungen Ad. und Ad₂ gleich und entgegengesetzt gerichtet. · Jetzt kann die Ausgangsspannung E der Gleichung (8) wie folgt ausgedrückt werden:Since the initial values of the capacitors C ₁ and C _? are equal, this ratio means that the proportionality constants A ₁ and A as well as the initial deflections d ₁ and dp are the same. In addition, the deflections Ad. and Ad _{2 directed the} same and opposite. Now the output voltage E of equation (8) can be expressed as follows:

^Eo ^d2 ⁺ Ad₂ ' (9) ^E o ^d 2 ⁺ Ad ₂ '(9)

2d₂ ■2d ₂ ■

Gleichung (9) zeigt, daß die Ausgangsspannung E der Abstandsänderung zwischen den Platten der einzelnen Kondensatoren C. bzw. C - linear proportional ist. Ferner ergibt sich, daß die Ausgangsspannung proportional der aufgebrachten Druckdifferenz ist. Ein gleiches Verhältnis, das.die verbesserte Linearität der Ausgangsspannung angibt, kann aus der Diodenbrücke der Fig. 7 gewonnen werden.Equation (9) shows that the output voltage E is the change in distance between the plates of the individual capacitors C. or C - is linearly proportional. Furthermore results that the output voltage is proportional to the applied Pressure difference is. An equal ratio that indicates the improved linearity of the output voltage, can be obtained from the diode bridge of FIG.

Ein sehr wichtiges Merkmal der Erfindung ist, daß sie einen hohen Grad von Gleichtaktunterdrückung aufweist, d.h., daß die Druck- oder Barometerdose mit der entsprechenden Elektronik nur auf Druckdifferenzen, jedoch nicht auf den wirkenden Absolutdruck ansprechen. Dieses Merkmal ergibt sich aus der symmetrischen Anordnung der Membranen 30 und 32 und ihrer Elektroden, wodurch eine Aufhebung der Auslenkung der,Membranen erster Ordnung gegenüber dem Träger 22 erzielt wird. In vielen Betriebszuständen wird die Dose einem hohen Grund- oder Äusgangsdruck unterworfen und muß Abweichungen von diesem Grunddruck messen. Dieser Betriebszustand ist schematisch in Fig. 8 gezeigt, worin die Wirk- oder Ausgangsdrücke P₁ und P₂ praktisch identisch sind. Die'Membranen verformen sich in Abhängigkeit von -11¹-A very important feature of the invention is that it has a high degree of common mode rejection, ie that the pressure or barometer box with the appropriate electronics only respond to pressure differences, but not to the absolute pressure acting. This feature results from the symmetrical arrangement of the diaphragms 30 and 32 and their electrodes, as a result of which the deflection of the diaphragms of the first order with respect to the carrier 22 is achieved. In many operating conditions, the can is subjected to a high base or outlet pressure and must measure deviations from this base pressure. This operating state is shown schematically in FIG. 8, in which the effective or output pressures P ₁ and P _{2 are} practically identical. The membranes deform as a function of -11 ¹ -

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diesen Drücken. Da sich .die Druckmeßkondensatoren C _Λ und C 2 in gleicher Weise verändern, bleiben die Brückenschaltungen 100 und 110 abgeglichen, wobei kein Ausgangssignal erzeugt, wird, bis die Wirkdrücke sich etwas verändern und eine Druckdifferenz erzeugen.these pressures. Since the pressure measuring capacitors C _Λ and C 2 change in the same way, the bridge circuits 100 and 110 remain balanced, with no output signal being generated until the effective pressures change somewhat and generate a pressure difference.

Dieses Betriebsverhalten steht im Gegensatz zu früheren. Wandlern mit einem einzigen Druckmeßkondensator, der zwischen einer Membrane wie der Membrane 30- oder 32 und einem IQ Träger wie dem Träger 22 angeordnet ist. Bei Gleichtaktlauf, d.h. wenn die Wirkdrücke V\, und P_ gleich sind, erzeugt der Wandler ein Ausgangssignal wegen der Meßwertänderung des einen Druckmeßkondensators.This operating behavior is in contrast to previous ones. Transducers with a single pressure measuring capacitor located between a diaphragm such as diaphragm 30 or 32 and an IQ carrier such as carrier 22. With common-mode operation, ie when the effective pressures V \ and P_ are the same, the converter generates an output signal because of the change in the measured value of the one pressure measuring capacitor.

1$ Setzt man die Druckdose 20 in Verbindung mit der Brücke ein, wobei die in den Fign. 3.und. 4 dargestellte Elektrodenform auf die Membranen 30 und 32 sowie den Träger 22 aufgebracht wird, und läßt man außerdem die Nennwerte der Normalkondensatoren C₁ und C ^ sowie der Druckmeßkondensatoren.C ^ und C ₂ gleich sein, dann ändern sich alle vier Kondensatoren um die gleiche Größe und in der gleichen Richtung in Abhängigkeit von Temperaturschwankungen. Damit wird wieder die Brücke 100 in einem abgeglichenen Zustand gehalten. Diese Temperaturkompensationswirkung ' weist auch die Brücke 100 auf. 1 $ If the pressurized cell 20 is used in connection with the bridge, the one shown in FIGS. 3rd and. 4 is applied to the membrane 30 and 32 and the carrier 22, and if the nominal values of the normal _{capacitors C 1} and C ^ and the Druckmeßkondensatoren.C ^ and C _{2 are the} same, then all four capacitors change by the same Size and in the same direction depending on temperature changes. The bridge 100 is thus again held in a balanced state. The bridge 100 also has this temperature compensation effect.

Wenn die Barometerdose.20 im Betrieb in ein Gehäuse eingeschlossen ist, wie nach der Schrift U.S. S.N.164,758, die hier ausdrücklich mit angezogen wird, um eine Kantenschelle um den Mittelträger 22 sowie zwei durch diesen getrennte Luftdruckammern zu bilden, damit der erste Druck an die Druckmeßfläche der Membrane 30 und der zweite Druck an die Druckmeßfläche der Membrane 32 geleitet wird. Wirkt kein Druck oder wirken gleiche Drücke auf die Membranen ein, so bleiben diese in gleichen Abständen d.. . und d„When the barometer box.20 is enclosed in a housing during operation is, as stated in U.S. S.N.164,758, the is expressly tightened here, around an edge clamp around the central support 22 and two separated by this To form air pressure chambers so that the first pressure on the pressure measuring surface of the diaphragm 30 and the second pressure on the pressure measuring surface of the membrane 32 is passed. Works If there is no pressure or if the same pressures act on the membranes, these remain at the same intervals d ... and d "

vom Mittelträger 22 entfernt. Ist eine Druckdifferenz vor handen, so biegen sich die Membranen 30 und 32 wie in Fig. 5 gezeigt durch. Wenn beispielsweise der Druck P₁ größer ist als der Druck P„, verringert sich der Abstand zwischen der Membrane 30 und dem Mittelträger, während sich der Abstand zwischen der Membrane 32 und dem Mittelträger 22 vergrößert. Es wird eine Ausgangsspannung nach den vorstehenden Gleichungen erzeugt, die ein erheblich stärker lineares Verhältnis zwischen der Kapazitätsänderung, und dem Wirkdruck oder der Druckdifferenz ergibt.removed from the central support 22. If there is a pressure difference, the membranes 30 and 32 bend as shown in FIG. 5. For example, if the pressure P ₁ is greater than the pressure P ", the distance decreases between the diaphragm 30 and the central carrier, while the distance between the diaphragm 32 and the central beam 22 increases. An output voltage is generated according to the above equations, which results in a considerably more linear relationship between the change in capacitance and the effective pressure or the pressure difference.

Außer den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen sind noch weitere möglich, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.In addition to the exemplary embodiments described above, others are also possible without falling within the scope of the invention to leave.

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Claims

PATENT CLAIMS

1. Capacitive pressure transducer, characterized by: a central support (22) with a continuous hollow -room (24),

two electrically insulating elastic membranes (30,32), which act on them as a function of one Pressure are deflected, and which are arranged perpendicular to each other and around the cavity and with the sides of the center beam (22). by a glass-like seal (34,36) at a distance from one another are glued, resulting in a tight cavity (40) between them: an intermediate piece (50) which is arranged displaceably in the cavity (24) and is connected to the membranes, to make the deflection of each membrane dependent on the deflection of the others, a first pair (60a, b) of conductive layers attached to each side of the central support (22) are,

a second pair of conductive layers (80,90,92) attached to the inner surface of the membranes and in cooperation with the corresponding conductive layers on the central support (22) a first and second pressure measuring capacitor forms, so that the change in capacitance of the two capacitors in the essentially equal and opposite.

2. Pressure transducer according to claim 1, characterized in that the size of the capacitance of the first and second Pressure measuring capacitor is essentially the same, regardless of whether the same or no pressures on the membranes (30,32) act.

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3. Pressure transducer according to claim 2, characterized in that that it also has normal capacitors which are arranged on the membranes (30, 32) and on the central support (22) to form a capacitor pair that is practically · insensitive to the differential pressure.

4. Pressure transducer according to claim 3, characterized in that a housing is also provided to 'the central support (22) to support and in cooperation with this a first effective pressure on 'one of the membranes (30,32) and to direct a second differential pressure to the other.

5. Capacitive pressure transducer, characterized by: a central support (22) with a longitudinal cavity (24), two electrically insulating elastic membranes (30,

a 32), the pressure acting on them as a function of / on them are deflectable and arranged perpendicular to each other and around the cavity and on the sides of the central · 'Carrier (22) with a glass-like seal (34,36) in are glued at a distance from one another, so that between a sealed cavity is formed for them,

a slidably inserted into the cavity (24) and on the membranes (30,32) attached intermediate piece (50), which causes the two membranes (30,32) in Are deflected depending on each other,

a first pair of conductive layers (60) on each side of the center beam (22),

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a second pair of conductive elements (80,90,92), which are attached to the inner surface of the two membranes (30,32) and a first and a second Rotary pressure measuring capacitor in cooperation with the corresponding conductive layers on the central support (22) form, so that a change in capacitance of the first

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and second capacitor is practically the same and opposite,

• a signal generator that generates an output signal as a function of the first and second capacitors in order to reduce the the non-linear component of the capacity fluctuation as a function of the pressure largely reduce, whereby the output signal generated in this way has a highly linear approximate frequency response depending on the elastic diaphragms (30,32) acting pressure difference having.

6. Pressure transducer according to claim 5, characterized in that it (100) also contains normal capacitors (94,96), which are each assigned to a pressure measuring capacitor.

7. Pressure transducer according to claim 6, characterized in that that the normal capacitors are arranged in the sealed cavity.

8. Pressure transducer according to claim 7, characterized in that a housing for supporting the central support (22) is provided, which together with this (22) forms a device to apply a first differential pressure to one of the To conduct diaphragms (30,32) and a second differential pressure to the other. '

9. Capacitive pressure transducer, characterized by: a central support (22) with a pulling through it Cavity (24),

two electrically insulating elastic membranes (30, 32), which are dependent on the pressure acting on them are deflectable and arranged perpendicular to each other and in the cavity (24) and with the sides of the central beam (22) are glued at a distance from each other with a glass-like seal (34,36) so that a tight cavity forms between them,

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an intermediate piece (50) inserted through the cavity (24) and fastened to the membranes (30,32), which causes the deflection of the two membranes (30, 32) to depend on each other, on the undersides of the membranes (30,32) arranged electrodes (60,90,92), which the plates of at least form two pressure measuring capacitors and, a measuring device with a coridensator bridge (100) to each of the at least two pressure measurement capacitors 'is connected to an output signal depending on the change in distance between at least generate two pressure measuring capacitors, with the capacitor bridge remaining balanced, so that the output signal Is zero when the corresponding distance between at least two pressure measuring capacitors is essentially is equal to. .