DE3814109A1

DE3814109A1 - Kondensatoranordnung zur verwendung in druckfuehlern

Info

Publication number: DE3814109A1
Application number: DE3814109A
Authority: DE
Inventors: Heikki Kuisma
Original assignee: Vaisala Oy
Current assignee: Vaisala Oy
Priority date: 1987-05-08
Filing date: 1988-04-26
Publication date: 1988-11-24
Anticipated expiration: 2008-04-27
Also published as: FR2614987A1; DE3814109C2; FI872049A0; FI872049A; JPS63305229A; US4831492A; GB2204412A; GB8809108D0; GB2204412B; FR2614987B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Kondensatoranordnung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Kondensatoranordnung zur Verwendung in Druckfühlern.

Bekannte Kondensatoranordnungen sind aus den folgenden Patentschriften bekannt:

(1) US-PS 45 89 054
(2) US-PS 45 97 027
(3) US-PS 33 97 278
(4) US-PS 46 09 966
(5) US-PS 45 99 906
(6) US-PS 45 42 435
(7) US-PS 42 57 274 und
(8) US-PS 46 28 403.

Ein wesentlicher Nachteil von Kondensatoranordnungen bekannter Art ist, daß sie insbesondere in der Massen produktion schwierig herzustellen sind. Weiterhin war die Elimination von temperaturabhängigen Fehlern auf einen vertretbaren Wert bislang ohne Erfolg.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile dieser bekannten Anordnungen zu umgehen und eine völlig neue Art von Kondensatoranordnung zu schaffen, die zur Verwendung in Druckfühlern geeignet ist.

Die Erfindung basiert auf der Verwendung eines zweiten Kondensators, der in die Kondensatoranordnung integriert ist, um Temperaturfehler des Fühlers zu kompensieren. Eine besonders vorteilhafte Anordnung der festen Platte des Kompensationskondensators ist auf dem gleichen Sub strat nahe der festen Platte des Sensorkondensators.

Genauer gesagt, die eingangs erwähnte Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die vorliegende Erfindung schafft unter anderem die folgenden wesentlichen Vorteile:

- präzise Temperaturkompensation durch Legen des Kompensationselementes in die Sensorkonstruk tion;
- verbesserte Möglichkeit hinsichtlich der Massen produktion und eine bessere Anschlußeigenschaft als bei Differenzkondensatoren, die aus ähnlichen Materialien gefertigt sind (6, 7);
- wie aus (8) bekannt ist die vorteihafte Abhän gigkeit von Druck in einem Kondensator derart, daß eine höhere Empfindlichkeit bei geringen Drücken im Gegensatz zur Empfindlichkeit bei hö heren Drücken stattfindet. Diese Eigenschaft kann aber auch in Verbindung mit einem Differenzdruck sensor verwendet werden, wobei der Druck P ₁ in einem Kanal 22 größer als ein Druck P ₂ in einem Kanal 23 (vgl. Fig. 3) sein muß. Im Vergleich zum symetrischen Aufbau von Differenzkondensatoren (6, 7) wird bei der vorliegenden Erfindung eine größere verwendbare Meßspanne mit einem einzelnen Sensorelement erzielt.

Es sei hier festgehalten, daß die erfindungsgemäße Kon densatoranordnung nicht nur eine Kompensation der Tem peraturabhängigkeit in den die Elektrizitätseigenschaften des Isoliermaterials liefert, sondern auch andere Ursa chen von temperaturabhängigen Fehlern ausschließt, wie z. B. diejenigen, die durch elastische Belastung und thermische Ausdehnungscharakteristiken verursacht werden, sowie die Temperaturausdehnung des Silikonöl-Druckme diums, wenn die Isolationsmembranen, die nahe an dem Sensorelement angeordnet sind mit diesem in guten ther mischen Kontakt sind.

Die Kondensatoranordnung gemäß der vorliegenden Erfin dung ermöglicht bemerkenswerte Vorteile, wenn das Sen sorelement zwischen die beiden Metallhülsen des Sensor gehäuses eingesetzt wird, wobei ein Elastomer verwendet wird, so daß der Sensorkondensator zwischen den Elasto mer-Kissen schwimmt. Aufgrund seiner hohen Elastizität überträgt der Elastomer keine mechanischen Belastungen auf den Sensorkondensator, welche durch die Deformation des Metallgehäuses oder durch unterschiedliche Tempera turausdehnung verursacht werden, wobei die unterschied lichen Temperaturausdehnungen durch die unterschiedli chen Expansionskoeffizienten des Sensorkondensatormate rials und des Hüllenmaterials verursacht werden. Die An ordnung des Sensorkondensators zwischen zwei Stützober flächen ist fest, so daß der aufgebrachte Druckunter schied, der zu messen ist die Elastomerschicht nicht zu stark in Richtung ihrer Dicke dehnen kann. Der Abscher widerstand des Elastomers wird auf einen ausreichend hohen Wert vergrößert, in dem eine dünne Schicht in Verbindung mit einem großen Bereich verwendet wird.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorlie genden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Be schreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigt

Fig. 1 eine seitliche Schnittdarstellung durch eine Kondensatoranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine Draufsicht auf einen Schnitt entlang der Linie A-A in Fig. 1; und

Fig. 3 eine seitliche Schnittdarstellung durch einen Druckfühler, der die Kondensatoranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet.

Die Fig. 1 und 2 zeigen den druckempfindlichen Teil der erfindungsgemäßen Kondensatoranordnung. Die Darstellung in den Fig. 1 und 2 ist analog zu den Darstellungen in den Fig. 3 und 4 der Druckschrift (1). Der Kondensator besteht im wesentlichen aus Schichten verschiedener Dicke aus Silizium und Bohrsilikat-Glas mit angepaßten thermischen Ausdehnungskoeffizienten. In Fig. 1 ist Si lizium das Material für einen Waver 1. Der Siliziumwaver 1 ist mit einem Glaswaver 4 unter Verwendung bekannter Verfahren, z. B. den Verfahren gemäß den Druckschriften (1) und (2) verbunden. Entsprechend ist ein weiterer Waver 2 aus Silizium gefertigt und mit einem weiteren Glaswaver 5 verbunden. Zwischen diesen Waverstrukturen verbleibt ein Element 3, das aus Silizium gefertigt ist. Das Siliziumelement 3 ist vorteilhafterweise derart ausgebildet, daß es einen verstärkten umlaufenden Rand bereich aufweist, der einen dünneren Mittenbereich 6 umgibt. Das Siliziumelement 3 ist mit den Glaswaver oberflächen der Waverstrukturen 1, 4 und 2, 5 an seiner verstärkten Umfangskante verbunden, wobei beispielsweise eine anodische Verbindungsmethode verwendet werden kann, die in Druckschrift (3) beschrieben ist.

Das Siliziumelement 3 ist auf seiten des Glaswavers 5 derart behandelt, daß eine Ausnehmung 12 entsteht, wel che den Dieelektrizitäts-Spalt des Sensorkondensators bildet. Die Ausnehmung 12 steht mit Außendruck über Ka näle 10 und 11 in Verbindung. Die andere Seite des mem branartigen verdünnten Siliziummittenbereiches 6 weist eine zweite Ausnehmung 7 b auf, welche mit Außendruck über eine Bohrung 7 in Verbindung steht, welche in die Waverstruktur 1, 4 eingebracht ist. Wenn ein Außendruck P ₁ über die Bohrung 7 unter Verwendung eines gasförmigen oder flüssigen Druckmediums zugeführt wird, während ein Druck P ₂ über die Kanäle 10 und 11 angelegt wird, ver formt sich die Siliziummembran 6 abhängig von dem Druck unterschied P ₂ - P ₁.

Gemäß Fig. 2 sind metallische Dünnfilmbereiche 15, 16 und 17 zuammen mit den zugehörigen Leiterflächen 8, 9 und Anschlußflächen 14 auf der Oberfläche des Glaswavers 5 gefertigt. Der Bereich der anodischen Verbindung ist mit dem Bezugszeichen 13 versehen. Der Bereich 15 stellt einen elektrischen Kontakt mit dem Siliziumelement 3 her und weiterhin über eine geeignete Leitfähigkeit des Si liziummaterials mit der dünnen Siliziummembran 6. Die Bereiche 16 und 17 des Metallfilms sind geeignet an geordnet, um die Ausnehmung 12 und die Siliziummembran 6 zu überdecken, so daß der Bereich 17 in der Mitte der Struktur angeordnet ist, wo die durch Druckdifferenzen erzeugten Bewegungen der Siliziummembran 6 am größten sind, wohingegen der Bereich 16 entsprechend am Kanten bereich angeordnet ist, wo die Versetzung der Sili ziummembran 6 sehr gering ist. Somit weist diese Anord nung zwei Kondenatoren auf: Einer wird durch den Be reich 17 und die Siliziummembran 6 gebildet und der an dere wird durch den Bereich 16 und die Siliziummembran 6 gebildet. Die Ausnehmung 12 ist der Dielektrische Iso lationsspalt für die beiden Kondensatoren. Die Kapazität des Kondensators, der durch den Bereich 17 und der Sili ziummembran 6 gebildet wird, wird mit Cp bezeichnet, wohingegen die Kapazität des Kondensators, der durch den Bereich 16 und die Siliziummembran 6 gebildet wird mit Ct bezeichnet wird.

Die Kapazität Cp hängt stark von einer Druckdifferenz ab, da eine schwankende Druckdifferenz die Siliziummem bran 6 verformt, was Veränderungen im gegenseitigen Ab stand zwischen den Kondensatorplatten 6 und 17 verur sacht und somit wiederum Änderungen der Kapazität. Die Kapazität Ct ist wesentlich weniger abhängig vom Druck, da eine vernachlässigbare Änderung des Abstandes zwi schen den Kondensatorplatten 6 und 16 durch Druckdif ferenzen verursacht wird. Die Abhängigkeit der beiden Kapazitäten Cp und Ct von den die elektrischen Eigen schaften des Isolationsmediums in dem Spalt 12 ist im wesentlichen gleich.

Die Fig. 1 und 2 sind vereinfacht, um nur die wesent lichsten Details des druckempfindlichen Kondensators darzustellen. Die verschiedensten Abwandlungen in der Struktur der einzelnen Elemente sind möglich, wie bei spielsweise in den Fig. 1 bis 6 der Druckschrift (4) dargestellt, wobei diese Abwandlungen häufig sogar vor teilhaft sein können. Zusätzlich zu den metallischen Mustern gemäß den Fig. 1 und 2 kann die Oberfläche des Glaswavers 5 Leitringe (gardrings) haben, wie bei spielsweise in Fig. 1B der Druckschrift (4) dargestellt oder der Siliziumwaver 2 kann mit den metallisierten Bereichen mittels einer Durchkontaktierungsstruktur ver bunden werden, welche den Glaswaver 5 durchtritt, wie beispielsweise in den Druckschriften (2) oder (4) be schrieben.

Die Abmessungen des druckempfindlichen Kondensatorele mentes können in einem großen Bereich schwanken. Die Breite der Elemente 1, 2 und 3 beträgt typischerweise 2 bis 20 mm und vorzugsweise 5 bis 7 mm. Die Dicke der Elemente 1 und 2 liegt typischerweise bei 0,2 bis 2 mm, vorzugsweise bei ungefähr 1 mm. Die Dicke des Elementes 2 kann zwischen 0,1 und 0,5 mm liegen, vorzugsweise bei 0,38 mm. Die Dicke des Glaswavers 4 und 5 ist typi scherweise 0,01 bis 0,2 mm, vorzugsweise 0,05 mm. Die Stärke der ausgedünnten Siliziummembran 6 liegt im Be reich von 0,005 bis 0,2 mm, vorzugsweise abhängig vom Druckbereich innerhalb von 0,01 bis 0,1 mm und die Länge einer Seite der Siliziummembran 6 (oder entsprechend der Durchmesser des Membrankreises) liegt bei 1 bis 10 mm, vorzugsweise bei 2 bis 4 mm. Der Dielektrizitätsab stand des Isolierspaltes 12 liegt typischerweise im Be reich von 0,001 bis 0,02 mm, vorzugsweise zwischen 0,004 und 0,008 mm.

Die Anwendung des Kondensators gemäß den Fig. 1 und 2 in einem druckempfindlichen Element eines Fühlers ist in Fig. 3 dargestellt. Der Kondensator wird mit dem Sili ziumwaver 2 mit einer geeignet dünnen Schicht 18 ein passenden Elastomers, z. B. Silikonkautschuk auf eine metallische Grundplatte 20 aufgebracht. Die Grundplatte 20 ist mit Durchkontaktierungsmöglichkeiten ausgestat tet, durch welche metallische Leitungen 27 geführt sind, welche von der Grundplatte 20 mittels Glaseinsätzen 29 isoliert sind. Die Glaseinsätze werden schmelzflüssig eingebracht, um sicherzustellen, daß die Durchführungen hermetisch dicht sind. Die Kontaktierungsbereiche 14 des Kondensators sind mittels dünner Metalldrähte 26 mit den Leitungen 27 geeignet verbunden. Die metallische Grund platte 20 ist beispielsweise durch Hartlöten entlang einer Kerbe 25 mit einem anderen metallischen Gehäuse teil 21 verbunden, welches wiederum Teil eines größeren Aggregates sein kann. Das Gehäuseteil 21 weist einen Freiraum 24 auf, der zur Aufnahme des Kondensators dient. Der Kondensator ist mit dem Siliziumwaver 1 unter Zwischenschaltung einer dünnen Elastomerschicht 19 mit dem Gehäuseteil 21 verbunden. Somit ist der Kondensator praktisch "schwebend" zwischen zwei Elastomerkissen be festigt. Die Elastomerschichten haben eine Stärke von 0,05 bis 0,3 mm, vorzugsweise 0,1 mm.

Das metallische Gehäuseteil 21 weist zwei Bohrungen 22 und 23 auf, über welche die zu messenden Drücke an den Kondensator angelegt werden. Die Bohrung 22 steht mit dem Freiraum 24 in Verbindung, wohingegen die Bohrung 23 mit der Bohrung 7 des Wavers 1 fluchtet. Die Elastomer schicht 19 isoliert diese beiden Durckkanäle voneinan der. Der Freiraum 24 ist mit einem flüssigen Druckme dium, beispielsweise Silikonöl gefüllt, so daß dieses Medium auch den Dielektrischen Spalt 12 über die Kanäle 10 und 11 auffüllt. Die Bohrung 23 und die Ausnehmung 7 b, welche mit der Bohrung 23 über die Bohrung 7 in Verbindung steht sind ebenfalls mit einem Medium ge füllt, das entweder eine Flüssigkeit oder Gas sein kann, z. B. auch Luft.

Die Bohrungen 22 und 23 können weiterhin mit den mit Öl gefüllten Freiräumen in Verbindung stehen, welche von dem Druckmedium durch eine dünne Metallmembran isoliert sein können, wie beispielsweise in den Druckschriften (5) und (6) beschrieben. Wenn der Fühler nicht zur Mes sung von Differenzdrücken, sondern zur Anzeige von Ab solutdruck verwendet werden soll, muß die Bohrung 23 nicht mit einem flüssigen Medium gefüllt werden und weiterhin ist die zugehörige Isolationsmembran ebenfalls nicht nötig. Der Freiraum 24 kann geeignet ausgeformt werden, um abhängig von den Dimensionen des Sensorkon densators das Volumen des Mediums zu verringern.

Die beschriebene Kondensatoranordnung hat zwei meßbare Kapazitäten, nämlich Cp und Ct. Von diesen Kapazitäten ist Cp stark abhängig vom Druckdifferential, wohingegen Ct eine schwache Abhängigkeit hiervon hat und beide Ka pazitäten abhängig von den dieelektrischen Eigenschaf ten des Mediums sind.

Wenn das in die Ausnehmung 12 eingefüllte Medium Sili konöl ist, ist der Temperaturkoeffizient der die Elek trizitätskonstante hoch, nämlich ungefähr 1000 ppm/K. Die verursacht eine hohe Temperaturabhängigkeit der Ka pazität Cp und Ct, welche temperaturabhängige Fehler in der Druckmessung in dem Falle erzeugen würde, in dem die Kapazität Cp alleine verwendet wird, um Druckdiffe renzen zu messen. Da die zweite Kapazität Ct mit einer von Cp unterschiedlichen Druckabhängigkeit weiterhin mit einer starken Temperaturabhängigkeit vorhanden ist, können mathematische Funktionen formuliert werden, um die Kapazitätswerte sowohl für Druckunterschiede als auch Temperatur mit ausreichender Genauigkeit zu finden.

P ₂ - P ₁ = p (Cp, Ct)
t = t (Cp, Ct).

Die Funktionen p und t können beispielsweise in polyno mer Form formuliert werden. Die Koeffizienten der Poly nome können mittels einer hinreichend oft wiederholten Messung der beiden Kapazitäten Cp und Ct für Druckdif ferenzen und Temperaturen ermittelt werden.

Claims

1. Kondensatoranordnung zur Verwendung in Druckfühlern, mit:

- einer tragenden Substratplatte (2, 5) bestehend aus einem Siliziumwaver (2) und einem Glaswaver (5), der auf den Siliziumwaver (2) mittels eines elektrostatischen Verbindungsverfahrens aufge bracht ist, wobei der Glaswaver (5) wesentlich dünner ist als der Siliziumwaver (2);
- einer ersten festen Kondensatorplatte (17) über der Substratplatte (2, 5);
- einer Siliziumplatte (3) über der Substratplatte (2, 5), um die feste Kondensatorplatte (17) ein zufassen, wobei die Siliziumplatte (3) einen aus gedünnten Mittenbereich aufweist, der als Membran (6) wirkt, welche eine bewegliche Kondensator platte darstellt, so daß grabenförmige Ausnehmun gen (12, 7 6) oberhalb und unterhalb der Membran anordnung (6) ausgebildet sind, um das zu messende Druckmedium einzulassen; und
- einer Deckplatte (1, 4) über der Siliziumplatte (3), welche aus einem Siliziumwaver (1) und einem Glaswaver (4) besteht, der auf den Siliziumwaver (1) aufgebracht ist und gegen die Siliziumplatte (3) liegt, wobei der Glaswaver wesentlich dünner ist als der Siliziumwaver (1),

dadurch gekenn zeichnet, daß eine zweite Kondensatorplatte (16) über die tragende Substratplatte (2, 5) zwischen der ersten Kondensatorplatte (17) und der Siliziumplatte (3) angeordnet ist, welche die erste Kondensatorplatte derart einfaßt, daß die erste Kondensatorplatte (17) im wesentlichen vollständig umfaßt ist, wobei die zweite Kondensatorplatte (16) zusammen mit dem Mittenteil (6) der Siliziumplatte (3) einen Kom pensationskondensator bildet, dessen Kapazität (Ct) im wesentlichen weniger abhängig von einer Versetzung des Mittenteils (6) der Siliziumplatte (3) ist als die Kapazität (Cp), welche von der ersten Kondensatorplatte (17) und dem Mittenbe reiche (6) der Siliziumplatte (3) gebildet ist.

2. Kondensatoranordnung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Form der zweiten Kondensator platte (16) im wesentlichen dem Umfang eines Recht eckes entspricht.

3. Kondensatoranordnung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die Deckplatte (1, 4) einen Kanal (7) aufweist, der den Siliziumwaver (1) und den Glaswaver (4) durchtritt, so daß das zu messende Druckmedium durch den Kanal in die obere Ausnahme (7 b) oberhalb der Membranen (6) eindringen kann, um die Messung von Druckdifferenzen zu ermöglichen.