DE3814110A1 - Kapazitiver druckgeber - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Druckgeber nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Bekannte kapazitive Anordnungen 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 kapazitiven Druckgebern 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 kapazitiven Druckgebern zu schaffen.

Die Erfindung basiert auf der Anordnung des kapazitiven Sensorelementes in dem Geber zwischen die zwei metallischen Hälften eines Gehäuses mittels federnder Isolierschichten, die beispielsweise aus einem Elastomer gefertigt sind, so daß der kapazitive Sensor zwischen den Schichten "schwimmt".

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:

• - verbesserte Möglichkeiten hinsichltich der Massenproduktion und eine bessere Anschlußeigenschaft als bei Differenzkondensatoren, die aus ähnlichen Materialien gefertigt sind (6, 7);
• - Isolation von Fehlerquellen aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem kapazitiven Sensor und dem Metallgehäuse sowie aufgrund einer Deformation von metallischen Teilen unter dem Meßdruck. Im Vergleich z. B. mit der Druckschrift (6) ist ein wesentlich einfacherer Aufbau zur Erzielung der gleichen Vorteile gegeben.
• - 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 symmetrischen Aufbau von Differenzkondensatoren (6, 7) wird bei der vorliegenden Erfindung eine größere verwendbare Meßspanne mit einem einzelnen Sensorelement erzielt.

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 (19) nicht zu stark in Richtung senkrecht zu ihrer Ebene 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 sei hier festgehalten, daß die erfindungsgemäße Kondensatoranordnung nicht nur eine Kompensation der Temperaturabhängigkeit in den Dielektrizitätseigenschaften 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 die Temperaturausdehnung des Silikonöl-Druckmediums, wenn die Isolationsmembranen, die nahe an dem Sensorelement angeordnet sind mit diesem in gutem thermischen Kontakt sind.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigt

Fig. 1 eine seitliche Schnittdarstellung durch einen kapazitiven Sensor 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 kapazitiven Druckfühler gemäß der vorliegenden Erfindung.

Die Fig. 1 und 2 zeigen den druckempfindlichen Teil des kapazitiven Drucksensors. 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 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 Randbereich aufweist, der einen dünneren Mittenbereich 6 umgibt. Das Siliziumelement 3 ist mit den Glaswaveroberflächen 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, 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 7 b auf, welche mit Außendruck über eine Bohrung 7 in Verbindung steht, welche in die Waverstruktur 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 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 Siliziummaterials mit der dünnen Siliziummembran 6. Die Bereiche 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 17 und die Siliziummembran 6 gebildet und der andere wird durch den Bereich 16 und die Siliziummembran 6 gebildet. Die Ausnehmung 12 ist der dielektrische Isolationsspalt für die beiden Kondensatoren. Die Kapazität des Kondensators, der durch den Bereich 17 und der Siliziummembran 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 Siliziummembran 6 verformt, was Veränderungen im gegenseitigen Abstand zwischen den Kondensatorplatten 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 6 und 16 durch Druckdifferenzen verursacht wird. Die Abhängigkeit der beiden Kapazitäten Cp und Ct von den dielektrischen 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 des Glaswavers 5 Leitringe (gardrings) haben, wie beispielsweise in Fig. 1B der Druckschrift (4) dargestellt oder der Siliziumwaver 2 kann mit den metallisierten Bereichen mittels einer Durchkontaktierungsstruktur verbunden werden, welche den Glaswaver 5 durchtritt, 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 des Glaswavers 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 dem Siliziumwaver 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 dem Siliziumwaver 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 fluchtet. Die Elatomerschicht 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 7 b, 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 Dielektrizitätskonstante hoch, nämlich ungefähr 1000 ppm/K. Die 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).

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. Kapazitiver Druckgeber mit:
einer kapazitiven Sensoranordnung (1, 2, 3);
einem Gehäuse (20, 21), innerhalb dem die kapazitive Sensoranordnung (1, 2, 3) angeordnet ist;
Kanälen (22, 23) in dem Gehäuse (21) zum Einlassen des zu messenden Mediums in die kapazitive Sensoranordnung (1, 2, 3);
elektrischen Leitern (14, 26), mittels denen die kapazitive Druckinformation von der kapazitiven Sensoranordnung (1, 2, 3) nach außen hin verfügbar ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
die kapazitive Sensoranordnung (1, 2, 3) innerhalb des Gehäuses (20, 21) mittels dünnen elastischen Vorrichtungen (18, 19) derart gehalten ist, daß die kapazitive Sensoranordnung (1, 2, 3) zwischen den Anordnungen (18, 19) schwimmend gehalten ist.

2. Kapazitiver Druckgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke der elastischen Anordnungen (18, 19) zwischen 0,05 und 0,3 mm, vorzugsweise bei 0,1 mm liegt.

3. Kapazitiver Druckgeber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoranordnung eine Trägerplatte (2, 5), bestehend aus einem Siliziumwafer (2) und einem Glaswafer (5) auf dem Siliziumwafer (2), der dort mittels einer elektrostatischen Verbindungsmethode gehalten ist, besteht, wobei der Glaswafer (5) wesentlich dünner als der Siliziumwafer (2) ist, wobei weiterhin eine erste feste Kondensatorplatte (17) auf der Substratplatte (2, 5) angeordnet ist, und wobei eine Siliziumplatte (3) auf der Substratplatte (2, 5) angeordnet ist und den festen Kondensator (17) umgibt, wobei ein Mittenbereich eine Membranstruktur (6) aufweist, welche als bewegliche Kondensatorplatte dient, und wobei eine Deckplatte (1, 4) auf der Siliziumplatte (3) mit einer kombinierten Struktur angeordnet ist, welche aus einem Siliziumwafer (1) und einem Glaswafer (4) besteht, der auf dem Siliziumwafer (1) angeordnet ist und gegenüber der Siliziumplatte (3) liegt, wobei der Glaswafer (4) wesentlich dünner als der Siliziumwafer (1) ist, wobei weiterhin eine zweite Kondensatorplatte an der Substratplatte (2, 5) angeordnet ist, und zwischen der ersten Kondensatorplatte (17) und der Siliziumplatte (3) angeordnet ist, welche die erste Kondensatorplatte (17) im wesentlichen umfaßt und die kapazitive Sensoranordnung an den unteren und oberen Siliziumwafern mittels elastomerer Kissen (18, 19) an dem Gehäuse (20, 21) befestigt ist.