DE3715999C2

DE3715999C2 -

Info

Publication number: DE3715999C2
Application number: DE3715999A
Authority: DE
Inventors: Kimio Kyoto Jp Miyatake
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 1986-05-31
Filing date: 1987-05-13
Publication date: 1989-12-14
Also published as: JPS62284233A; US4776019A; DE3715999A1; JPH0726887B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Membran gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine derartige Membran bildet wenigstens eine Elektrode eines Kondensators, der als druckempfindlicher Signalaufnehmer in einem nach dem Prinzip eines Kondensatormikrophons arbeitenden Sensor dient. Die Membran wird durch den abzutastenden Druck beaufschlagt und hierdurch verformt und ausgelenkt. Sensoren mit derartigen Membranen werden beispielsweise in dispersionsfreien Infrarot-Gasanalysegeräten eingesetzt.

Eine die gegenständlichen Merkmale nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufweisende Membran ist aus der DE-AS 25 23 446 bekannt. Diese Membran ist für ein Gerät für die Messung von Beschleunigungen oder von Komponenten der Gravitationskraft vorgesehen und wird durch eine dünne Folie gebildet, die in ihrem Mittelbereich eine dickere Elektrodenplatte trägt. Der Mittelbereich ist von dem zur Befestigung der Membran dienenden äußeren Randbereich durch einen federnden Bereich getrennt, der durch drei in konzentrischen Kreisen angeordnete, jeweils durch versetzt angeordnete radiale Stege unterbrochene Schlitze gebildet wird. Die radial verlaufenden Stege ermöglichen jedoch nur eine relativ geringe Auslenkung des Mittelbereichs der Membran. Darüber hinaus nimmt die Anordnung aus den auf konzentrischen Kreisen angeordneten Schlitzen eine relativ große Fläche ein, so daß die Fläche des Mittelbereichs im Verhältnis zur Gesamtfläche der Membran relativ klein ist. Aufgrund dieser Eigenschaften weist ein Sensor mit dieser herkömmlichen Membran nur eine geringe Empfindlichkeit auf. Durch die notwendige Versteifung des Mittelbereichs der Membran durch die Elektrodenplatte wird zudem die Herstellung der Membran erschwert.

Zur näheren Erläuterung des Standes der Technik, der sich mit Membranen für nach dem Prinzip eines Kondensatormikrophons arbeitende Sensoren in Gasanalysegeräten befaßt, soll bereits hier auf Fig. 12 bis 14 der Zeichnung Bezug genommen werden.

In Fig. 12 ist schematisch der allgemeine Aufbau eines Infrarot-Gasanalysegerätes dargestellt. Die zu analysierende Gasprobe wird kontinuierlich in eine Meßzelle a eingeleitet. In einer Vergleichszelle b ist ein Inertgas (beispielsweise N₂ oder dergleichen) eingeschlossen. Lichtquellen c und d dienen zur Erzeugung von Infrarotlicht-Strahlen, die die Meßzelle a bzw. die Vergleichszelle b durchqueren. Ein Unterbrecher e dient zur periodischen Unterbrechung der von den Lichtquellen c und d ausgesandten Lichtstrahlen. Das von den Lichtquellen ausgesandte Licht tritt nach Durchqueren der Meßzelle a bzw. der Vergleichszelle b in Empfangskammern f, g ein. Ein in den Empfangskammern f, g enthaltenes Gas absorbiert Energie des auftreffenden Infrarotlichts und dehnt sich hierdurch aus. Die Empfangs kammern f und g sind über Leitungen h und i mit einem als Kondensatormikrophon ausgebildeten Sensor X verbunden, der somit durch die in den Empfangskammern herrschenden Drücke P _f und P _g beaufschlagt wird. Der Sensor X tastet die zwischen den beiden Empfangskammern herrschende Druck differenz ab und liefert ein entsprechendes Differenz drucksignal an eine externe Auswertungsschaltung, die durch einen Verstärker j, ein Aufzeichnungsgerät k, ein Anzeigegerät l und dergleichen gebildet wird.

Ein herkömmlicher Aufbau des Sensors X ist in Fig. 13(A), (B) dargestellt. Eine als Standardelektrode oder Bezugs elektrode dienende feste Elektrode 1 weist eine mit wenigstens einer Durchlaßöffnung oder einem Schlitz m versehene feste Elektrodenplatte 1 B auf, die mit einem ersten Elektroden-Montagesockel 1 A verbunden ist. Der Montagesockel 1 A ist an die Leitung h angeschlossen, die den in der Empfangskammer f herrschenden Druck P _f führt. Eine Elektrode 2 ist mit der festen Elektrode 1 verbunden und weist eine Membran 2 B auf, die durch die Druckdifferenz P _g-P _f zwischen den beiden Empfangskammern f und g beaufschlagt und durch diese Druckdifferenz ausgelenkt wird. Die Membran 2 B wird durch eine durchgehende dünne Metall folie (beispielsweise eine Titanfolie) gebildet, die in Fig. 13(B) gezeigt ist, und ist über einen zweiten Elektroden-Montagesockel 2 A gespannt, der über die Leitung i mit der anderen Empfangskammer g verbunden ist und den Druck P _g aufnimmt. Zwischen den Elektroden 1 und 2 ist ein Abstandshalter 3 eingefügt, so daß die Elektroden platte 1 B und die Membran 2 b einander in gewissem Abstand parallel gegenüberliegen.

Da jedoch bei dieser herkömmlichen Konstruktion des Sensors X die in Abhängigkeit von der Druckdifferenz auslenkbare Membran 2 B der Elektrode 2 durch eine durchgehende Metall folie gebildet wird, ist der Grad der Auslenkung der Membran (der Folie) bei einer Änderung des Differenzdruckes P _g-P _f infolge der in der Folie auftretenden Zugspannungen nur sehr begrenzt. Bei einer kompakten Konstruktion des Sensors, d. h. bei kleinen Abmessungen der Membran, läßt sich daher keine hohe Empfindlichkeit erreichen. Darüber hinaus erfordert es ein hohes Geschick, die Membran 2 B derart von Hand auf dem Montagesockel 2 A zu befestigen, daß sich eine gleichmäßige Verteilung der Zugspannung in der Folie ergibt. Sensoren mit herkömmlichen Membranen eignen sich daher nur wenig für eine rationelle Massen produktion und verursachen sehr hohe Herstellungskosten.

In Fig. 14(A), (B) ist ein weiteres Beispiel eines herkömmlichen Sensors X gezeigt, wie er beispielsweise in der offengelegten japanischen Patentanmeldung 1 33 323/1985 vorgeschlagen wird. Gemäß Fig. 14(A) weist die feste Bezugselektrode 1 ein isolierendes plattenförmiges Bau teil 1 B auf, das mit einer großen Anzahl von Durchlaß öffnungen oder Schlitzen n in einer Hälfte ihrer Fläche (in der oberen Hälfte in der Zeichnung) versehen ist. Auf der dem Inneren des Sensors zugewandten Oberfläche der Platte 2 B ist eine Elektrodenplatte p angebracht. Die Membran 2 B der beweglichen Elektrode 2 ist ebenfalls als isolierendes, plattenförmiges Bauteil ausgebildet und weist einen beweglichen Mittelbereich 2 b auf, der über zwei Stützbereiche 2 c derart mit einem zur Befestigung der Membran dienenden äußeren Umfangsbereich 2 a verbunden ist, daß er in bezug auf den Umfangsbereich schwenkbar ist. Der Mittelbereich 2 b ist in einer Hälfte seiner Fläche (in der unteren Hälfte in der Zeichnung) mit einer großen Anzahl von Durchlaßöffnungen oder Schlitzen o versehen und weist auf der anderen Hälfte seiner Fläche auf der der Elektrode 1 zugewandten Seite eine durch Plattieren, Aufdampfen oder dergleichen gebildete Elektrodenplatte q auf. Die Platte 1 B und die Membran 2 B sind fest zwischen den Elektroden-Montagesockeln 1 A und 2 A eingefügt, die über die Leitungen h und i mit den Empfangskammern f (Druck P _f) und g (Druck P _g) verbunden sind, und werden durch den Abstandshalter 3 in Abstand zueinander gehalten, wie in Fig. 14(B) gezeigt ist.

Da bei einem Sensor X mit dieser Konstruktion der bewegliche Mittelbereich 2 d der Membran 2 B mit Hilfe der beiden Stützbereiche 2 c schwenkbar gehalten ist, wird im Vergleich zu der zuvor beschriebenen Bauform eine hohe Empfindlich keit bei verhältnismäßig kompakter Konstruktion erreicht, da die Auslenkung der Membran nicht durch Zugspannungen in der Membran behindert wird. Da jedoch in den beiden Stütz bereichen 2 c eine hohe Biegesteifigkeit erforderlich ist, kann die Membran 2 B bei dieser Ausführungsform nicht aus einer dünnen Metallfolie gebildet werden. Die Membran ist aus einem Quarzkristall, also einem isolierenden Material hergestellt. Die Herstellung der Membran erfordert daher sehr schwierige und zeitaufwendige mikromechanische Bearbeitungstechniken, wie etwa anisotropes Ätzen. Darüber hinaus muß zusätzlich die gesonderte Elektrodenplatte q angebracht werden. Diese Membran eignet sich daher nicht zur rationellen Massenproduktion. Da ferner ein Quarz kristall mit einer hohen Sprödigkeit verwendet werden muß, ergibt sich ein weiterer Nachteil aus der begrenzten Lebensdauer der Stützbereiche 2 c, die bei der Auslenkung der Membran tordiert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Membran für einen Sensor der oben beschriebenen Art zu schaffen, die trotz einer kompakten Konstruktion eine hohe Empfind lichkeit aufweist und dennoch kostengünstig herstellbar ist.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist in Patentanspruch 1 angegeben.

Erfindungsgemäß wird der federnde Bereich der Membran durch drei oder mehr getrennte Stege gebildet, die einen den Mittelbereich von dem Randbereich der Membran trennenden Zwischenraum überbrücken und jeweils im Grundriß mäanderförmig oder ziehharmonikaförmig ausgebildet sind. Aufgrund dieser Gestaltung der Stege ist der Mittelbereich der Membran relativ leicht in parallel zur Ebene der Membran versetzte Positionen auslenkbar, so daß eine hohe Empfindlichkeit erreicht wird. Die Stege lassen sich aufgrund ihrer Mäander- oder Ziehharmonikaform relativ leicht in Radialrichtung dehnen und brauchen deshalb nur geringe Abmessungen in Radialrichtung aufzuweisen. Hierdurch wird ohne Vergrößerung der Gesamtabmessungen der Membran eine Vergrößerung der Fläche des Mittelbereichs und damit eine weitere Steigerung der Empfindlichkeit erreicht. Die Membran läßt sich mit Hilfe des äußeren Randbereiches einfach in dem Sensor fixieren, ohne daß ungleichförmige Zugspannungen in dem Mittelbereich verursacht werden. Durch die Stege wird der Mittelbereich der Membran straff gespannt gehalten. Die Membran läßt sich einfach aus einer Metallfolie herstellen und weist dennoch die vorteilhaften Eigenschaften herkömmlicher Quarz-Membranen auf. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß eine größere Vielseitigkeit hinsichtlich der Grundrißformen der Membran bzw. des Mittelbereichs derselben besteht, so daß die Gestaltung der Membran jeweils optimal an die Erfordernisse bei dem betreffenden Sensor angepaßt werden kann.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen, die auch Darstellungen zum Stand der Technik enthalten, näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Skizze zur Veranschaulichung des grund sätzlichen Aufbaus einer erfindungsgemäßen Membran für ein Kondensatormikrophon;

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 1, zur Veranschaulichung der Wirkungs weise der Membran;

Fig. 3 einen Längsschnitt eines als Kondensator mikrophon ausgebildeten Sensors mit fester Standardelektrode und einer erfindungsgemäßen Membran;

Fig. 4 eine Explosionsdarstellung des Sensors gemäß Fig. 3;

Fig. 5 eine Frontansicht der Membran des Sensors gemäß Fig. 4;

Fig. 6 eine vergrößerte Teilansicht der Membran gemäß Fig. 5;

Fig. 7 einen Längsschnitt durch einen Sensor mit einer Membran gemäß einem anderen Aus führungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 8 eine Explosionsdarstellung des Sensors gemäß Fig. 7;

Fig. 9 eine Frontansicht der Membran des Sensors gemäß Fig. 7 und 8;

Fig. 10 eine vergrößerte Teilansicht der Membran gemäß Fig. 9;

Fig. 11(A)-11(E) Frontansichten anderer Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Membranen;

Fig. 12 eine schematische Darstellung eines Infrarot- Gasanalysegerätes;

Fig. 13(A) einen Längsschnitt durch einen als Konden satormikrophon ausgebildeten Sensor herkömm licher Bauart;

Fig. 13(B) eine perspektivische Ansicht einer Membran des Sensors gem. Fig. 13(A);

Fig. 14(A) einen Längsschnitt durch einen anderen Kondensatormikrophon-Sensor herkömmlicher Bauart; und

Fig. 14(B) eine Explosionsdarstellung des Sensors gemäß Fig. 14(A).

Zunächst soll anhand der Fig. 1 und 2 der allgemeine Aufbau einer erfindungsgemäßen Membran Z erläutert werden. Die Membran wird insgesamt durch Blatt einer dünnen Metall folie Y gebildet und weist einen beweglichen Mittelbereich B auf, der in bezug auf einen zur Fixierung der Membran dienenden Randbereich A in Axialrichtung (senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 1) auslenkbar ist. Der Mittelbereich B ist mit dem Randbereich A durch wenigstens drei, im gezeigten Beispiel durch vier, Federabschnitte C verbunden. Die in Fig. 1 nur schematisch dargestellten Federabschnitte weisen einen mäander- oder ziehharmonikaförmigen Grundriß auf, wie weiter unten noch näher erläutert wird.

Die Membran Z ist zwar in einem Stück aus der Metallfolie Y hergestellt, weist jedoch insofern eine kompliziertere Struktur als herkömmliche Membranen auf, als der rahmen förmige Randbereich A weitgehend von dem beweglichen Mittelbereich B getrennt und lediglich über die Federabschnitte C mit diesem verbunden ist. Durch Auslenkung der im gezeigten Beispiel blattförmig ausge bildeten Federabschnitte C ist der Mittelbereich B insgesamt in Abhängigkeit von dem zwischen seinen beiden Seiten bestehenden Differenzdruck P _g-P _f beweglich, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Dadurch, daß der Mittelabschnitt B nur punktuell durch die Federabschnitte C abgestützt wird, wird der Montagevorgang, bei dem die Membran Z mit ihrem Randbereich in dem Sensor befestigt wird, erheblich vereinfacht. Darüber hinaus wird hierdurch die Zugspannung in dem beweglichen Mittelbereich B auf einen sehr niedrigen und gleichförmigen Wert eingestellt, so daß auch bei verhältnismäßig niedrigem Differenzdruck P _g-P _f zwischen den beiden Seiten der Membran eine beträchtliche Verformung der Federabschnitte C und eine entsprechend weite Auslenkung des Mittelabschnitts B erreicht wird. Obgleich die Membran insgesamt sehr kompakt ausgebildet ist, wird auf diese Weise eine hohe Empfind lichkeit der Membran gewährleistet.

Da der bewegliche Mittelbereich B nicht durch zwei tordier bare Halteabschnitte schwenkbar gehalten wird, wie bei dem in Fig. 14(B) gezeigten Stand der Technik, sondern durch wenigstens drei bieg- und dehnbare Federabschnitte C derart gehalten wird, daß er insgesamt parallelverschoben wird, wird eine ausreichende Stabilität der Membran gewährleistet, obgleich die Membran aus einer dünnen Metallfolie Y hergestellt ist. Da die Metallfolie Y, aus der die Membran hergestellt ist, unmittelbar die Elektrodenplatte bildet, wird der Aufbau und die Herstellung der Membran erheblich vereinfacht. Mit Hilfe einfach anzuwendender mikromechani scher Herstellungstechniken, beispielsweise mit einem kürzlich entwickelten Elektro-Form- oder Schneidverfahren, kann eine große Anzahl von Membranen Z, beispielsweise ein Blatt mit einigen zehn Membranen in einem Nutzen, in einem Arbeitsgang und in kurzer Zeit hergestellt werden. Die erfindungsgemäße Membran ist somit durch einfache Massen produktionstechniken zu sehr geringen Kosten herstellbar.

Fig. 3 und 4 zeigen ein als Differenzdrucksensor dienendes Kondensatormikrophon mit einer festen Elektrode 1, die als Standardelektrode oder Bezugselektrode dient und durch eine feste Elektrodenplatte 1 B mit einer großen Anzahl von Durchlaßöffnungen 1 c gebildet wird. Ein erster Elektroden- Montagesockel 1 A ist als einfache Platte ausgebildet und weist ebenfalls eine große Anzahl von Durchlaßöffnungen 1 b auf, die mit den Durchlaßöffnungen 1 c der Elektrode fluchten und mit einem Druckraum verbunden sind, in dem der Druck P _f herrscht. Die Membran Z dient als bewegliche Elektrode 2 des Sensors und bildet das druckbeaufschlagte und in Abhängigkeit vom Druck auslenkbare Element des Sensors. Die Elektroden 1, 2 sind durch einen isolierenden Abstandshalter 3 voneinander getrennt. Ein weiterer Abstands halter 4 B ist zwischen der beweglichen Elektrode 2 und einem zweiten Elektroden-Montagesockel 2 A angeordnet. Der zweite Elektroden-Montagesockel 2 A ist ebenfalls als einfache Platte ausgebildet und mit einer großen Durchlaß öffnung 2 a versehen, die mit einem unter dem Druck P _g stehenden Druckraum in Verbindung steht. Die feste Elektrode 1 und die bewegliche Elektrode 2 sind somit fest zwischen den Montagesockeln 1 A und 2 A gehalten und liegen einander mit einem gewissen Abstand gegenüber.

Die Membran Z, die die bewegliche Elektrode 2 bildet, ist insgesamt aus der dünnen Metallfolie Y (beispielsweise einer Nickelfolie oder dergleichen) hergestellt. Zur Herstellung der Membran wurde die Metallfolie mit einer relativ einfachen mikromechanischen Bearbeitungstechnik, etwa einem Elektro-Formverfahren oder durch Photoätzung, bearbeitet. Während der äußere Randbereich A der Membran Z zwischen den Abstandshaltern 3 und 4 B fixiert ist, ist der Mittelbereich B der Membran durch den Differenzdruck P _g-P _f auslenkbar, so daß der Differenzdruck in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Der quadratische Mittelbereich wird an den vier Ecken durch die Federabschnitte C gehalten. Wie in Fig. 6 zu erkennen ist, sind die Federabschnitte C jeweils mäanderförmig ausgebildet, so daß sie eine geringe Biegesteifigkeit gegenüber Auslenkungen senkrecht zur Ebene der Membran aufweisen und darüber hinaus ähnlich Schraubenfedern eine hohe Dehnbarkeit in ihrer Längsrichtung aufweisen. Selbst wenn die Druckdifferenz P _g-P _f zwischen den beiden Seiten des Mittelbereichs B der Membran nur gering ist, werden die Federabschnitte C daher verhältnis mäßig stark gebogen und gedehnt, so daß der Mittelbereich B der Membran eine starke Auslenkung erfährt. Auf diese Weise wird eine hohe Empfindlichkeit des Sensors erzielt. Die Bezugszeichen 5 in Fig. 3 bezeichneten Leitungsdrähte zur Weiterleitung des elektrischen Meßsignals.

In Fig. 7 und 8 ist ein anderes Beispiel eines als Kondensatormikrophon ausgebildeten Sensors dargestellt, der eine bewegliche Standard- oder Bezugselektrode 1 C aufweist.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die bewegliche Bezugs elektrode 1 C ebenfalls durch eine erfindungsgemäße Membran Z gebildet. Wenn auf den Sensor eine Störung, beispielsweise eine Erschütterung, einwirkt, so kann die Bezugselektrode 1 C in der gleichen Weise schwingen wie die gegenüberliegende bewegliche Elektrode 2 zur Abtastung des Differenzdruckes, so daß der durch die Störung (Erschütterung) hervorgerufene Meßfehler kompensiert wird. Wie in Fig. 9 gezeigt ist, ist die Membran Z, die die bewegliche Bezugselektrode 1 C bildet, in diesem Fall mit einer großen Anzahl von Durch laßöffnungen 1 d (anstelle der runden Öffnungen können auch Schlitze vorgesehen sein) versehen, damit diese Membran nicht auf den Differenzdruck P _g-P _f anspricht. Zwischen der beweglichen Bezugselektrode 1 C und dem ersten Elektroden- Montagesockel 1 A (der mit einer großen Durchlaßöffnung zur Einleitung des Druckes P _f versehen ist) ist ein Abstands halter 4 A eingefügt. Im übrigen entspricht der Aufbau dieses Sensors dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel.

Fig. 10 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung eine ziehharmonikaartige Gestaltung des Federabschnitts C der Membran Z.

In Fig. 11(A) bis (E) sind abgewandelte Ausführungs formen der erfindungsgemäßen Membran dargestellt. Wie aus diesen Beispielen hervorgeht, kann der Mittelbereich B der Membran anstelle einer quadratischen Form auch recht eckig, dreieckig oder kreisförmig ausgebildet sein, und es können drei, vier oder mehr als vier stützende Feder abschnitte C vorgesehen sein. Damit eine gleichmäßige Auslenkung des Mittelbereichs B der Membran gewährleistet ist, sollten die Federabschnitte C jedoch in regelmäßigen Abständen angeordnet sein.

In der obigen Beschreibung wurde die Erfindung am Beispiel eines Kondensatormikrophons erläutert, das als Sensor in einem dispersionsfreien Infrarot-Gasanalysegerät eingesetzt ist. Die vorteilhaften Eigenschaften der erfindungsgemäßen Membran können jedoch auch in anderen Sensoren ausgenutzt werden, beispielsweise in Mikro-Differenzdrucksensoren, Mikro-Strömungssensoren und dergleichen.

Claims

1. Membran zur Verwendung als druckaufnehmendes und auslenkbares Element in einem nach dem Prinzip eines Kondensatormikrophons arbeitenden Sensor, mit einem Mittelbereich (B), einem zur Befestigung der Membran in dem Sensor dienenden äußeren Randbereich (A) und einem federnden Bereich, der den Mittelbereich derart mit dem Randbereich verbindet, daß der Mittelbereich in bezug auf den Randbereich längs einer zur Ebene der Membran senkrechten Achse beweglich ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (Z) insgesamt aus einer dünnen Metallfolie besteht und daß der federnde Bereich durch drei oder mehr getrennte Stege (C) gebildet wird, die einen den Mittelbereich (B) umgebenden und von dem Randbereich (A) trennenden Zwischenraum überbrücken und jeweils im Grundriß mäanderförmig oder ziehharmonikaförmig ausgebildet sind.

2. Membran nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Mittelbereich (B) einen quadratischen Grundriß aufweist.

3. Membran nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Mittelbereich (B) der Membran einen dreieckigen Grundriß aufweist.

4. Membran nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Mittelbereich (B) der Membran einen kreisförmigen Grundriß aufweist.

5. Membran nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittel bereich (B) der Membran mit mehreren Durchlaßöffnungen (1 d) versehen ist.