DE3737059A1 - Measurement converter with a capacitative sensor - Google Patents

Measurement converter with a capacitative sensor

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Abstract

In measurement converters having capacitative sensors, the influence of stray and load capacitance becomes especially noticeable when, because of a very compressed constructional shape of the capacitative sensor, the changes in capacitance which depend on measured values are relatively small. In order to give a linear dependence of capacitance change on mechanical position to a measurement converter with a capacitative sensor of spatially compressed constructional shape, a conductive layer is provided in the end region of a stable planar electrode (2) and a diaphragm-like electrode (4) arranged opposite this and insulated from it, and an amplifier (17) connected to the electrodes is designed as an impedance converter. The output (18) of the amplifier (17) is galvanically connected to the conductive (9) layer. The measurement converter is suitable for manufacture using miniature construction techniques. <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Meßumformer mit einem kapazitiven Sensor, der eine stabile, flächenhafte Elektrode und eine dieser isoliert gegenüber angeordnete membranartige Elektrode aufweist, mit einem ausgangsseitig an die Elektroden angeschlossenen Oszillator und mit einem Verstärker, der ein­ gangsseitig an die Elektroden angeschlossen ist.The invention relates to a transmitter with a capacitive sensor, which is a stable, flat electrode and a membrane-like membrane insulated from it Has electrode, with an output side to the electrodes connected oscillator and with an amplifier that a is connected to the electrodes on the output side.

Ein Meßumformer dieser Art geht aus der Zeitschrift "SENSOR report" 2/1987, Seiten 26-28 hervor. Bei diesem bekannten Meßumformer bildet nämlich der kapazitive Sensor einen Teil eines Druckdifferenz-Sensors, in dem neben einer Anordnung aus einer stabilen, flächenhaften Elektrode und einer membranartigen Elektrode eine weitere stabile, flächenhafte Elektrode und eine weitere membranartige Elektrode in einer Meßzelle gemeinsam vorhanden sind. Jeweils eine stabile, flächenhafte Elektrode und eine membranartige Elektrode bilden einen durch den jeweils einwirkenden Druck in seiner Kapazität veränderbaren Kondensator. Bei diesem bekannten Meßumformer ist die stabile, flächenhafte Elektrode kleiner ausgebildet als die membranartige Elektrode, wodurch Auswirkungen von Streukapazitäten auf die durch den zu messenden Druck bewirkte Kapazitätsände­ rung vermindert werden, was sich vorteilhaft auf die Linearität auswirkt.A transmitter of this type is published in the magazine "SENSOR report" 2/1987, pages 26-28. With this Known transmitter forms namely the capacitive sensor a part of a pressure difference sensor, in which in addition to a Arrangement of a stable, flat electrode and a membrane-like electrode another stable, flat Electrode and another membrane-like electrode in one Measuring cell are available together. Always a stable, form a flat electrode and a membrane-like electrode one by the pressure acting in its capacity changeable capacitor. In this known transmitter the stable, flat electrode is made smaller than that membrane-like electrode, causing effects of stray capacities to the changes in capacity caused by the pressure to be measured tion can be reduced, which is advantageous to the linearity affects.

Gemäß der Erfindung befindet sich bei dem Meßumformer der eingangs angegebenen Art im Randbereich der beiden Elektroden isoliert eine leitende Schicht, und der Verstärker ist als Impedanzwandler ausgebildet; der Ausgang des Verstärkers ist mit der leitenden Schicht galvanisch verbunden.According to the invention is in the transmitter type specified at the beginning in the edge region of the two electrodes isolates a conductive layer, and the amplifier is as Impedance converter designed; is the output of the amplifier galvanically connected to the conductive layer.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Meßumformers be­ steht darin, daß bei ihm die Linearität dadurch erheblich erhöht ist, daß der Einfluß von durch die Randbereiche der Elektroden gebildeten Streu- und Lastkapazitäten weitgehend ausgeschaltet ist. Dies ist dadurch erreicht, daß auf­ grund der Verwendung einer leitenden Schicht mit Anschluß an den Ausgang des Verstärkers als Impedanzwandler kein Potential­ unterschied zu der an den Eingang des Verstärkers angeschlosse­ nen Elektrode vorhanden ist, so daß sich die erwähnten Stör­ kapazitäten nicht auf das Meßergebnis auswirken können. Dabei leitet der niederohmige Ausgang des Verstärkers die auf die leitende Schicht eingekoppelten Ströme nach Masse ab. Dadurch läßt sich insgesamt ein Meßumformer mit sehr kleinem kapazi­ tiven Sensor und hoher Meßgenauigkeit bzw. Linearität her­ stellen.A major advantage of the transmitter according to the invention be  is that the linearity is thereby considerable is increased that the influence of through the edge areas of the Scatter and load capacities largely formed by electrodes is switched off. This is achieved in that due to the use of a conductive layer with connection to the output of the amplifier as an impedance converter no potential difference from that connected to the input of the amplifier NEN electrode is present, so that the mentioned interference capacities cannot affect the measurement result. Here the low-impedance output of the amplifier conducts the to the conductive layer coupled currents from ground. Thereby can be a transmitter with a very small capacitance tive sensor and high measuring accuracy or linearity put.

Bei einer Anordnung von stabiler Elektrode und membranartiger Elektrode dergestalt, daß die stabile Elektrode kleinere Außen­ abmessungen als die membranartige Elektrode aufweist, ist die leitende Schicht vorteilhafterweise als Ring außen um die stabile Elektrode angeordnet. Es wird dann von der stabilen Elektrode im wesentlichen nur die Kapazitätsänderung erfaßt, die aufgrund der Auslenkung des bewegbaren Teils der membranartigen Elektrode unter Druckeinwirkung hervorgerufen ist, also die Bewegung der membranartigen Elektrode in ihrem etwa mittleren Bereich erfaßt.With an arrangement of stable electrode and membrane-like Electrode so that the stable electrode is smaller outside has dimensions than the membrane-like electrode, is conductive layer advantageously as a ring outside the stable Electrode arranged. It is then from the stable electrode essentially only captures the change in capacity due to the deflection of the movable part of the membrane-like electrode is caused under pressure, i.e. the movement of the membrane-like electrode in its approximately central region.

Mit besonderem Vorteil läßt sich die Erfindung bei Meßumformern sehr geringer Größe anwenden, bei denen beide Elektroden gleiche Außenabmessungen aufweisen und sandwichartig zusammengefügt sind; bei einer derartigen Anordnung befindet sich die leitende Schicht vorteilhafterweise in einer am Rande zwischen den beiden Elek­ troden vorgesehenen Isolierschicht. Es wird in diesem Fall im wesentlichen nur die Kapazitätsänderung erfaßt, die bei einer Bewegung der membranartigen Elektrode in ihrem freien mittleren Bereich verursacht ist; Last- und Streukapazitäten der Elektro­ denrandbereiche sind weitgehend ausgeschaltet. The invention is particularly advantageous in the case of transmitters use a very small size where both electrodes are the same Have external dimensions and are sandwiched together; with such an arrangement, the conductive layer is located advantageously in one on the edge between the two elec provided insulating layer. In this case, essentially only captures the change in capacity that occurs at a Movement of the membrane-like electrode in its free middle Area is caused; Electrical load and stray capacities the edge areas are largely switched off.  

Besonders vorteilhaft ist der erfindungsgemäße Meßumformer dann ausgestaltet, wenn der membranartigen Elektrode auf ihrer von der stabilen Elektrode abgewandten Seite eine weitere stabile Elektrode gegenüberliegt, am Rande zwischen der membranartigen Elektrode und der weiteren stabilen Elektrode eine weitere Iso­ lierschicht mit einer weiteren leitenden Schicht liegt und die weitere leitende Schicht mit dem Ausgang des Verstärkers verbun­ den ist. In diesem Fall ist ein Meßumformer mit einem kapazi­ tiven Sensor nach Art eines Zweikammer-Druckdifferenz-Sensors geschaffen, der auch in sehr kleiner Ausführung aufgrund der Ausschaltung des Einflusses von Streu- und Lastkapazitäten eine genaue Umsetzung der Auslenkung der membranartigen Elek­ trode in eine Kapazitätsänderung ermöglicht.The transmitter according to the invention is then particularly advantageous designed when the membrane-like electrode on its from another stable side facing away from the stable electrode Opposite electrode, on the edge between the membrane-like Electrode and the further stable electrode another Iso layer with another conductive layer and the another conductive layer connected to the output of the amplifier that is. In this case there is a transmitter with a capacitance tive sensor like a two-chamber pressure difference sensor created, even in a very small version due to the Elimination of the influence of spreading and load capacities a precise implementation of the deflection of the membrane-like elec trode in a capacity change.

Zur Erläuterung der Erfindung ist in der Figur ein Ausführungs­ beispiel des erfindungsgemäßen Meßumformers in einer Ausführung mit einem kapazitiven Druckdifferenz-Sensor wiedergegeben.To explain the invention is an embodiment in the figure example of the transmitter according to the invention in one embodiment reproduced with a capacitive pressure difference sensor.

Der dargestellte Meßumformer enthält einen kapazitiven Sensor 1, der eine stabile flächenhafte Elektrode 2 aufweist, die beispiels­ weise aus entsprechend dotiertem Silizium besteht. Eine weitere flächenhafte stabile Elektrode 3 ist vorzugsweise aus dem gleichen Werkstoff hergestellt. Zwischen den beiden stabilen Elektroden 2 und 3 ist eine membranartige Elektrode 4 angeordnet, die einen Einspannring 5 und einen auslenkbaren Teil 6 aufweist. Auch die membranartige Elektrode 5 besteht vorzugsweise aus dotiertem Silizium.The transmitter shown contains a capacitive sensor 1 , which has a stable planar electrode 2 , for example, consists of appropriately doped silicon. Another flat stable electrode 3 is preferably made of the same material. A membrane-like electrode 4 is arranged between the two stable electrodes 2 and 3 and has a clamping ring 5 and a deflectable part 6 . The membrane-like electrode 5 also preferably consists of doped silicon.

Im Bereich des Ringteils 5 der membranartigen Elektrode 4 ist jeweils eine ringförmige Isolierschicht 7 bzw. 8 angeordnet, durch die die membranartige Elektrode 4 gegenüber den stabilen Elektroden 2 und 3 isoliert ist. In der Isolierschicht 7 bzw. 8 befindet sich jeweils eine leitende Schicht 9 bzw. 10 in einer derartigen Lage, daß sie sowohl gegenüber den stabilen Elektroden 2 bzw. 3 als auch gegenüber der membranartigen Elektrode 4 isoliert ist. In the area of the ring part 5 of the membrane-like electrode 4 there is in each case an annular insulating layer 7 or 8 , by means of which the membrane-like electrode 4 is insulated from the stable electrodes 2 and 3 . A conductive layer 9 or 10 is located in the insulating layer 7 or 8 in such a position that it is insulated both from the stable electrodes 2 and 3 and from the membrane-like electrode 4 .

Der dargestellte kapazitive Sensor 1 ist insbesondere zur Messung einer Druckdifferenz geeignet und enthält daher in seinen stabilen Elektroden 2 und 3 jeweils eine Durchgangsöff­ nung 11 bzw. 12, über die die jeweils einwirkenden Drücke P 1 bzw. P 2 auf die membranartige Elektrode 4 einwirken können.The capacitive sensor 1 shown is particularly suitable for measuring a pressure difference and therefore contains in its stable electrodes 2 and 3 each a passage opening 11 or 12 , via which the pressures P 1 or P 2 acting in each case can act on the membrane-like electrode 4 .

Der kapazitive Sensor 1 ist zur Bildung eines Meßumformers mit seinen stabilen Elektroden 2 und 3 an Ausgänge 13 und 14 eines Oszillators 15 angeschlossen. Die membranartige Elektrode 4 ist mit einem Eingang 16 eines Verstärkers 17 verbunden, der als Im­ pedanzwandler ausgebildet ist und demzufolge eine Verstärkung mit dem Werte von etwa 1 aufweist. Der Ausgang 18 des Verstärkers 17 ist unmittelbar mit einem Ausgang 19 verbunden, der den Aus­ gang des gesamten Meßumformers darstellt und an dem demzufolge ein elektrisches Signal ansteht, das der jeweiligen Druckdiffe­ renz aus den Drücken P 1 und P 2 proportional ist.The capacitive sensor 1 is connected with its stable electrodes 2 and 3 to outputs 13 and 14 of an oscillator 15 to form a transmitter. The membrane-like electrode 4 is connected to an input 16 of an amplifier 17 which is designed as an impedance converter and consequently has a gain of approximately 1. The output 18 of the amplifier 17 is connected directly to an output 19 which represents the output from the entire transmitter and at which consequently an electrical signal is present which is proportional to the respective pressure difference from the pressures P 1 and P 2 .

Wie der Figur ferner zu entnehmen ist, ist mit dem Ausgang 18 des Verstärkers 17 sowohl die leitende Schicht 9 als auch die leitende Schicht 10 galvanisch verbunden. Aufgrund dieser Ver­ bindung liegen beide leitenden Schichten 9 und 10 auf demselben Potential wie die membranartige Elektrode 4, so daß Störkapa­ zitäten, die von den Randbereichen der stabilen Elektroden 2 und 3 gebildet werden, unwirksam sind. Über den niederohmigen Ausgang des Verstärkers 17 werden außerdem die auf die leiten­ den Schichten 9 und 10 eingekoppelten Ströme nach Masse abge­ leitet.As can also be seen from the figure, both the conductive layer 9 and the conductive layer 10 are electrically connected to the output 18 of the amplifier 17 . Because of this connection Ver both conductive layers 9 and 10 are at the same potential as the membrane-like electrode 4 , so that Störkapa capacities, which are formed by the edge regions of the stable electrodes 2 and 3 , are ineffective. Via the low-impedance output of the amplifier 17 , the currents coupled to the conductors layers 9 and 10 are also conducted to ground.

Mit der Erfindung ist ein Meßumformer geschaffen, bei dem auf­ grund des Wegfalls eines störenden Einflusses von Streu- und Lastkapazitäten auch bei kleinem konstruktiven Aufbau des kapa­ zitiven Sensors ein weitgehend linearer Zusammenhang zwischen der Auslenkung des bewegbaren Teils 6 der membranartigen Elektrode 4 und der Kapazitätsänderung eintritt, so daß sich dann auch das Ausgangssignal am Ausgang 19 linear mit der Verstellung des membranartigen Teils 6 der membranartigen Elektrode 4 verändert.With the invention, a transmitter is created in which, due to the elimination of a disturbing influence of stray and load capacities, even with a small structural design of the capacitive sensor, a largely linear relationship occurs between the deflection of the movable part 6 of the membrane-like electrode 4 and the change in capacitance , so that the output signal at the output 19 then changes linearly with the adjustment of the membrane-like part 6 of the membrane-like electrode 4 .

Claims (4)

1. Meßumformer mit einem kapazitiven Sensor (1), der eine stabile flächenhafte Elektrode (z.B. 2) und eine dieser isoliert gegen­ über angeordnete membranartige Elektrode (4) aufweist, mit einem ausgangsseitig an die Elektroden (2, 4) angeschlossenen Oszillator (15) und mit einem Verstärker (17), der eingangs­ seitig an die Elektroden (2, 4) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß sich im Randbereich der beiden Elektroden (2, 4) isoliert eine leitende Schicht befindet (9), daß der Verstärker (17) als Impedanzwandler ausgebildet ist und daß der Ausgang (18) des Verstärkers (17) mit der leitenden Schicht (9) galvanisch verbunden ist.1. Transmitter with a capacitive sensor ( 1 ) which has a stable planar electrode (for example 2 ) and one which is insulated from the membrane-like electrode ( 4 ), with an oscillator ( 15 ) connected to the electrodes ( 2 , 4 ) on the output side. and with an amplifier ( 17 ) which is connected on the input side to the electrodes ( 2 , 4 ), characterized in that there is an insulated conductive layer (9) in the edge region of the two electrodes ( 2 , 4 ) that the amplifier ( 17 ) is designed as an impedance converter and that the output ( 18 ) of the amplifier ( 17 ) is electrically connected to the conductive layer ( 9 ). 2. Meßumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die stabile Elektrode kleinere Außenabmessungen als die membranartige Elektrode aufweist und daß die leitende Schicht als Ring außen um die stabile Elektrode angeordnet ist.2. Transmitter according to claim 1, characterized, that the stable electrode has smaller external dimensions than that Has membrane-like electrode and that the conductive layer is arranged as a ring around the outside of the stable electrode. 3. Meßumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich bei Elektroden (2, 4) mit gleichen Außenabmessungen die leitende Schicht (9) in einer am Rande zwischen den beiden Elek­ troden (2, 4) vorgesehenen Isolierschicht (7) befindet.3. Transmitter according to claim 1, characterized in that the electrodes ( 2 , 4 ) with the same external dimensions, the conductive layer ( 9 ) in an on the edge between the two electrodes ( 2 , 4 ) provided insulating layer ( 7 ). 4. Meßumformer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der membranartigen Elektrode (4) auf ihrer von der stabilen Elektrode (2) abgewandten Seite eine weitere stabile Elektrode (3) gegenüberliegt, daß am Rande zwischen der membranartigen Elektrode (4) und der weiteren stabilen Elektrode (3) eine weitere Isolierschicht (8) mit einer weiteren leitenden Schicht (10) liegt und daß die weitere leitende Schicht (10) mit dem Ausgang (18) des Verstärkers (17) verbunden ist.4. Transmitter according to claim 3, characterized in that the membrane-like electrode ( 4 ) on its side facing away from the stable electrode ( 2 ) opposite another stable electrode ( 3 ) that that on the edge between the membrane-like electrode ( 4 ) and the other stable electrode ( 3 ) there is a further insulating layer ( 8 ) with a further conductive layer ( 10 ) and that the further conductive layer ( 10 ) is connected to the output ( 18 ) of the amplifier ( 17 ).
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