DE3814109C2 - Kondensatoranordnung zur Verwendung in Druckfühlern - Google Patents
Kondensatoranordnung zur Verwendung in DruckfühlernInfo
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- G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
- G01L9/0072—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance
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Description
Die Erfindung betrifft eine Kondensatoranordnung nach
dem Oberbegriff des Anspruches 1. Insbesondere betrifft
die vorliegende Erfindung eine Kondensatoranordnung zur
Verwendung in Druckfühlern.
Eine derartige Kondensatoranordnung ist aus der US-PS 4 589 054 bekannt.
Weitere bekannte Kondensatoranordnungen sind aus den folgenden
Patentschriften bekannt:
US-PS 4 597 027
US-PS 3 397 278
US-PS 4 609 966
US-PS 4 599 906
US-PS 4 542 435
US-PS 4 257 274 und
US-PS 4 628 403.
US-PS 4 597 027
US-PS 3 397 278
US-PS 4 609 966
US-PS 4 599 906
US-PS 4 542 435
US-PS 4 257 274 und
US-PS 4 628 403.
Ein wesentlicher Nachteil von Kondensatoranordnungen
bekannter Art ist, daß sie insbesondere in der Massenproduktion
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.
Diese Aufgabe wird durch eine
Kondensatoranordnung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Die Erfindung basiert auf der Verwendung eines zweiten
Kondensators, der in die Kondensatoranordnung integriert
ist, um Temperaturfehler des Fühlers zu kompensieren, wobei
die feste Elektrode
des Kompensationskondensators auf dem gleichen Substrat
nahe der festen Elektrode des Sensorkondensator angeordnet
ist.
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 Sensorkonstruktion;
- - verbesserte Möglichkeit hinsichtlich der Massenproduktion und eine bessere Anschlußeigenschaft als bei Differenzkondensatoren, die aus ähnlichen Materialien gefertigt sind (6, 7);
- - wie aus (8) bekannt ist die vorteilhafte Abhängigkeit von Druck in einem Kondensator derart, daß eine höhere Empfindlichkeit bei geringen Drücken im Gegensatz zur Empfindlichkeit bei höheren Drücken stattfindet. Diese Eigenschaft kann aber auch in Verbindung mit einem Differenzdrucksensor verwendet werden, wobei der Druck P₁ in einem Kanal 22 größer als ein Druck P₂ 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 Kondensatoranordnung
nicht nur eine Kompensation der Temperaturabhängigkeit
in den die Elektrizitätseigenschaften
des Isoliermaterials liefert, sondern auch andere Ursachen
von temperaturabhängigen Fehlern ausschließt, wie
z. B. diejenigen, die durch elastische Belastung und
thermische Ausdehnungscharakteristiken verursacht werden,
sowie bei Temperaturausdehnung des Silikonöl-Druckmediums,
wenn die Isolationsmembranen, die nahe an dem
Sensorelement angeordnet sind mit diesem in guten thermischen
Kontakt sind.
Die Kondensatoranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung
ermöglicht bemerkenswerte Vorteile, wenn das Sensorelement
zwischen die beiden Metallhülsen des Sensorgehäuses
eingesetzt wird, wobei ein Elastomer verwendet
wird, so daß der Sensorkondensator zwischen den Elastomer-
Kissen schwimmt. Aufgrund seiner hohen Elastizität
überträgt der Elastomer keine mechanischen Belastungen
auf den Sensorkondensator, welche durch die Deformation
des Metallgehäuses oder durch unterschiedliche Temperaturausdehnung
verursacht werden, wobei die unterschiedlichen
Temperaturausdehnungen durch die unterschiedlichen
Expansionskoeffizienten des Sensorkondensatormaterials
und des Hüllenmetalls verursacht werden. Die Anordnung
des Sensorkondensators zwischen zwei Stützoberflächen
ist fest, so daß der aufgebrachte Druckunterschied,
der zu messen ist, die Elastomerschicht nicht zu
stark in Richtung ihrer Dicke dehnen kann. Der Abscherwiderstand
des Elastomers wird auf einen ausreichend
hohen Wert vergrößert, in dem eine dünne Schicht in
Verbindung mit einem großen Bereich verwendet wird.
Es folgt die
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung 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 Silizium
das Material für einen Waver bzw. eine zweite Siliziumschicht 1. Die zweite Siliziumschicht
1 ist mit einer zweiten Glasschicht 4 unter Verwendung bekannter
Verfahren, z. B. den Verfahren gemäß den Druckschriften
(1) und (2) verbunden. Entsprechend ist eine erste Schicht
2 aus Silizium gefertigt und mit einer ersten
Glasschicht 5 verbunden. Zwischen diesen Schichtstrukturen
verbleibt ein Element 3, das aus Silizium gefertigt ist.
Das Siliziumelement 3 ist vorteilhafterweise derart
ausgebildet, daß es einen verstärkten umlaufenden Randbereich
aufweist, der einen dünneren Mittenbereich bzw. eine Membran 6
umgibt. Das Siliziumelement 3 ist mit den Glasschichtoberflächen
der Schichtstrukturen 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 der ersten Glasschicht 5
derart behandelt, daß eine Ausnehmung 12 entsteht, welche
den Dielektrizitäts-Spalt des Sensorkondensators
bildet. Die Ausnehmung 12 steht mit Außendruck über Kanäle
10 und 11 in Verbindung. Die andere Seite des membranartigen
verdünnten Siliziummittenbereiches 6 weist
eine zweite Ausnehmung 7b auf, welche mit Außendruck
über eine Bohrung 7 in Verbindung steht, welche in die
Schichtstruktur 1, 4 eingebracht ist. Wenn ein Außendruck
P₁ über die Bohrung 7 unter Verwendung eines gasförmigen
oder flüssigen Druckmediums zugeführt wird, während ein
Druck P₂ über die Kanäle 10 und 11 angelegt wird, verformt
sich die Siliziummembran 6 abhängig von dem Druckunterschied
P₂-P₁.
Gemäß Fig. 2 sind metallische Dünnfilmbereiche 15, 16
und 17 zusammen mit den zugehörigen Leiterflächen 8, 9
und Anschlußflächen 14 auf der Oberfläche der ersten Glasschicht
5 gefertigt. Der Bereich der anodischen Verbindung ist
mit dem Bezugszeichen 13 versehen. Der Dünnfilmbereich 15 stellt
einen elektrischen Kontakt mit dem Siliziumelement 3 her
und weiterhin über eine geeignete Leitfähigkeit des Siliziummaterials
mit der dünnen Siliziummembran 6. Die
Dünnfilmbereiche 16 und 17 des Metallfilms sind geeignet angeordnet,
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 Kantenbereich
angeordnet ist, wo die Versetzung der Siliziummembran
6 sehr gering ist. Somit weist diese Anordnung
zwei Kondensatoren auf: einer wird durch den Bereich
bzw. die erste Kondensatorelektrode 17 und die Siliziummembran 6 gebildet und der andere
wird durch den Bereich bzw. die zweite Kondensatorelektrode 16 und die Siliziummembran 6
gebildet. Die Ausnehmung 12 ist der dielektrische Isolationsspalt
für die beiden Kondensatoren. Die Kapazität
des Kondensators, der durch die erste Kondensatorelektrode 17 und der Siliziummembran
6 gebildet wird, wird mit Cp bezeichnet,
wohingegen die Kapazität des Kondensators, der durch die
zweite Kondensatorelektrode 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 Siliziummembran
6 verformt, was Veränderungen im gegenseitigen Abstand
zwischen den Kondensatorplatten bzw. -elektroden 6 und 17 verursacht
und somit wiederum Änderungen der Kapazität. Die
Kapazität Ct ist wesentlich weniger abhängig vom Druck,
da eine vernachlässigbare Änderung des Abstandes zwischen
den Kondensatorplatten bzw. -elektroden 6 und 16 durch Druckdifferenzen
verursacht wird. Die Abhängigkeit der beiden
Kapazitäten Cp und Ct von den elektrischen Eigenschaften
des Isolationsmediums in dem Spalt 12 ist im
wesentlichen gleich.
Die Fig. 1 und 2 sind vereinfacht, um nur die wesentlichsten
Details des druckempfindlichen Kondensators
darzustellen. Die verschiedensten Abwandlungen in der
Struktur der einzelnen Elemente sind möglich, wie beispielsweise
in den Fig. 1 bis 6 der Druckschrift (4)
dargestellt, wobei diese Abwandlungen häufig sogar vorteilhaft
sein können. Zusätzlich zu den metallischen
Mustern gemäß den Fig. 1 und 2 kann die Oberfläche der ersten
Glasschicht 5 Leitringe (gardrings) haben, wie beispielsweise
in Fig. 1B der Druckschrift (4) dargestellt
oder die erste Siliziumschicht 2 kann mit den metallisierten
Bereichen mittels einer Durchkontaktierungsstruktur verbunden
werden, welche durch die erste Glasschicht 5 hindurchtritt, wie
beispielsweise in den Druckschriften (2) oder (4) beschrieben.
Die Abmessungen des druckempfindlichen Kondensatorelementes
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 der ersten und zweiten Glasschichten 4 und 5 ist typischerweise
0,01 bis 0,2 mm, vorzugsweise 0,05 mm. Die
Stärke der ausgedünnten Siliziummembran 6 liegt im Bereich
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 Dielektrizitätsabstand
des Isolierspaltes 12 liegt typischerweise im Bereich
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 der ersten Siliziumschicht
2 mit einer geeignet dünnen Schicht 18 eines
passenden Elastomers, z. B. Silikonkautschuk auf eine
metallische Grundplatte 20 aufgebracht. Die Grundplatte
20 ist mit Durchkontaktierungsmöglichkeiten ausgestattet,
durch welche metallische Leitungen 27 geführt sind,
welche von der Grundplatte 20 mittels Glaseinsätzen 28
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 Grundplatte
20 ist beispielsweise durch Hartlöten entlang
einer Kerbe 25 mit einem anderen metallischen Gehäuseteil
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 der Siliziumschicht 1 unter
Zwischenschaltung einer dünnen Elastomerschicht 19 mit
dem Gehäuseteil 21 verbunden. Somit ist der Kondensator
praktisch "schwebend" zwischen zwei Elastomerkissen befestigt.
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 bzw. der zweiten Siliziumschicht 1 fluchtet. Die Elastomerschicht
19 isoliert diese beiden Druckkanäle voneinander.
Der Freiraum 24 ist mit einem flüssigen Druckmedium,
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
7b, welche mit der Bohrung 23 über die Bohrung 7 in
Verbindung steht sind ebenfalls mit einem Medium gefüllt,
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 Messung
von Differenzdrücken, sondern zur Anzeige von Absolutdruck
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 Sensorkondensators
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 Kapazitäten
abhängig von den dielektrischen Eigenschaften
des Mediums sind.
Wenn das in die Ausnehmung 12 eingefüllte Medium Silikonöl
ist, ist der Temperaturkoeffizient der Elektrizitätskonstante
hoch, nämlich ungefähr 1.000 ppm/K.
Dies verursacht eine hohe Temperaturabhängigkeit der Kapazitäten
Cp und Ct, welche temperaturabhängige Fehler
in der Druckmessung in dem Falle erzeugen würde, in dem
die Kapazität Cp alleine verwendet wird, um Druckdifferenzen
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.
P₂-P₁ = p (Cp, Ct)
t = t (Cp, Ct).
t = t (Cp, Ct).
Die Funktionen p und t können beispielsweise in polynomer
Form formuliert werden. Die Koeffizienten der Polynome
können mittels einer hinreichend oft wiederholten
Messung der beiden Kapazitäten Cp und Ct für Druckdifferenzen
und Temperaturen ermittelt werden.
Claims (3)
1. Kondensatoranordnung zur Verwendung in Druckfühlern,
mit:
- - einer tragenden Substratplatte (2, 5) bestehend aus einer ersten Siliziumschicht (2) und einer ersten Glasschicht (5), die auf der ersten Siliziumschicht (2) mittels eines elektrostatischen Verbindungsverfahrens aufgebracht und wesentlich dünner ist als die erste Siliziumschicht (2);
- - einer ersten festen Kondensatorelektrode (17) auf der Substratplatte (2, 5);
- - einer Siliziumplatte (3) auf der Substratplatte (2, 5), die die feste Kondensatorelektrode (17) einfaßt und einen Randbereich, der auf der tragenden Substratplatte (2, 5) aufliegt und einen als eine Membran (6) ausgebildete ausgedünnten Mittenbereich aufweist, der eine bewegliche Kondensatorelektrode darstellt, so daß grabenförmige Ausnehmungen (12, 7b) oberhalb und unterhalb der Membran (6) ausgebildet sind, in die jeweils ein zu messendes Druckmedium eingelassen werden kann,
- - einer Deckplatte (1, 4) auf der Siliziumplatte (3),
welche aus einer zweiten Siliziumschicht (1) und
einer zweiten Glasschicht (4) besteht, die auf der
zweiten Siliziumschicht (1) aufgebracht und wesentlich
dünner ist als die zweite Siliziumschicht (1),
dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Kondensatorelektrode (16) auf der tragenden Substratplatte (2, 5) zwischen der ersten Kondensatorelektrode (17) und dem Randbereich der Siliziumplatte (3) angeordnet ist, wobei die zweite Kondensatorelektrode (16) derart ausgebildet ist, daß sie die erste Kondensatorelektrode (17) im wesentlichen vollständig umfaßt, wobei die zweite Kondensatorelektrode (16) zusammen mit der Membran (6) der Siliziumplatte (3) einen Kompensationskondensator bildet, dessen Kapazität (Ct) im wesentlichen weniger abhängig von einer Versetzung der Membran (6) der Siliziumplatte (3) ist als die Kapazität (Cp), welche von der ersten Kondensatorelektrode (17) und der Membran (6) der Siliziumplatte (3) gebildet ist.
2. Kondensatoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Form der zweiten Kondensatorelektrode
(16) im wesentlichen dem Umfang eines Rechteckes entspricht.
3. Kondensatoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Deckplatte (1, 4) einen Kanal (7)
aufweist, der die zweite Siliziumschicht (1) und die
zweite Glasschicht (4) durchtritt, so daß das zu messende
Druckmedium durch den Kanal (7) in die Ausnehmung
(7b) oberhalb der Membran (6) eindringen kann, um die
Messung von Druckdifferenzen zu ermöglichen.
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