DE3827138C2

DE3827138C2 -

Info

Publication number: DE3827138C2
Application number: DE3827138A
Authority: DE
Inventors: Mitsuru Tamai; Kimihiro Nakamura; Teizo Takahama; Mikihiko Kawasaki Kanagawa Jp Matsuda
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1987-08-13
Filing date: 1988-08-10
Publication date: 1993-06-09
Also published as: JPH061228B2; US4903532A; BR8804059A; DE3827138A1; JPS6444823A

Description

Die Erfindung betrifft einen Druckdetektor entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Fig. 6 zeigt im Schnitt die Anordnung wesentlicher Komponenten eines herkömmlichen mit elektrostatischer Kapazität arbeitenden Druckdetektors. Die Anordnung in Fig. 6 umfaßt eine Membran 1 aus Silizium, feststehende Elektroden 2 und 3, welche mit der Membran 1 verbunden sind durch Glasverbindungen 4 und 5 vorbestimmter Dicke, einen Spalt 8, welcher zwischen der Membran 1 und der feststehenden Elektrode 2 gebildet wird, einen Spalt 9, welcher zwischen der Membran 1 und der feststehenden Elektrode 3 gebildet wird, ein Druckeinleitungsloch 6, welches in der Elektrode 2 ausgebildet ist, um einen Druck P₁ in den Spalt 8 einzuleiten, sowie ein Druckeinleitungsloch 7, welches in der Elektrode 3 ausgebildet ist, um einen Druck P₂ in den Spalt 9 einzuleiten.

Die Membran 1 und die Elektrode 2 bilden einen ersten Kondensator mit einer Kapazität Ca, welche über einen Anschlußstift a und einen Anschlußstift c ermittelt wird. Ähnlich bilden die Membran 1 und die Elektrode 3 einen zweiten Kondensator mit einer Kapazität Cb, welche über einen Anschlußstift b und den Anschlußstift c ermittelt wird.

Wenn die Drucke P₁ und P₂ auf die Membran 1 ausgeübt werden, wird diese entsprechend der Differenz (P₁-P₂) zwischen den Drucken P₁ und P₂ verschoben, während die Kapazitäten Ca und Cb sich mit der Verschiebung der Membran 1 verändern. Daher kann die Druckdifferenz anhand der Kapazitätsänderungen gemessen werden.

Der in Fig. 6 gezeigte Druckdetektor ist allgemein in einem Gehäuse untergebracht, welches mit zwei Dichtungsmembranen verschlossen ist, die zum Aufnehmen der Drucke P₁ und P₂ ausgelegt sind. Das Gehäuse ist mit einem kleinen druckübertragenden nicht-kompressiblen Fluid wie beispielsweise Siliconöl gefüllt. Daher sind die Spalte 8 und 9 sowie die Druckeinleitungslöcher 6 und 7 mit dem Siliconöl gefüllt.

Praktisch werden zum Beispiel zwischen der Membran 1 und der Elektrode 2 zwei Kondensatoren gebildet. Die Membran 1 und die Elektrode 2 mit dem Spalt 8 bilden einen der beiden Kondensatoren. Die Kapazität Ca des einen Kondensators beträgt

Ca=εa · Sa/da (1)

worin ε die Dielektrizitätskonstante des Spaltes 8, Sa die Elektrodenfläche in dem Spalt 8 und da die Dicke des Spaltes 8 bedeuten. Die Kapazität Ca verändert sich mit der Verschiebung mit der Membran 1.

Der andere Kondensator wird von der Membran 1 und der Elektrode 2 mit der Glasverbindung 4 gebildet, und seine Kapazität Csa beträgt

Csa=εsa · Ssa/dsa (2)

worin ε die Dielektrizitätskonstante der Glasverbindung 4, Ssa die Fläche der Glasverbindung 4 und dsa die Dicke der Glasverbindung 4 bedeuten. Die Kapazität Csa ist unabhängig von der Verschiebung der Membran 1 und ist daher für die Druckmessung hinderlich.

Ähnlich werden zwei Kondensatoren zwischen der Membran 1 und der feststehenden Elektrode 3 gebildet. Wenn die Kapazität eines der beiden Kondensatoren, welche von der Membran 1 und der Elektrode 3 mit dem Spalt 9 gebildet werden, durch Cb wiedergegeben wird und die Kapazität des anderen von der Membran 1 und der Elektrode 3 mit der Glasverbindung 5 gebildeten Kondensators durch Csb wiedergegeben wird, dann können Cb und Csb durch Gleichungen ähnlich den Gleichungen (1) und (2) wiedergegeben werden.

Die Kapazitäten Ca, Cb, Csa und Csb sind elektrisch verbunden, wie in Fig. 7 gezeigt. Daher können die Kapazität C10 zwischen den Anschlußstiften a und c und die Kapazität C20 zwischen den Anschlußstiften b und c ausgedrückt werden durch die folgenden Gleichungen (3) bzw. (4):

C₁₀= Ca + Csa (3)
C₂₀= Cb + Csb (4)

Als nächstes wird die Tatsache näher beschrieben, daß die Kapazitäten Csa und Csb für die Messung der Kapazitäten Ca und Cb hinderlich sind.

Zum Beispiel wird angenommen, daß die Membran 1 und die Elektroden 2 und 3 jeweils ein Quadrat von 9 mm×9 mm sind, daß die Spalte 8 und 9 Kreiszylinder mit einem Durchmesser von 7 mm sind und mit Siliconöl gefüllt sind, und daß die Glasverbindungen 4 und 5 vom Typ SM-36A sind [ein Warenzeichen von Nippon Denki Garasu (Japan Electric Glass Co., Ltd.)]. Wenn in diesem Fall die Länge der Spalte 8 und 9 und die Dicken der Glasverbindungen 4 und 5 12 µm betragen ergeben sich die Kapazitäten Ca und Csa wie folgt:

In den Gleichungen (5) und (6) sind 2,65 und 4,8 die spezifischen Dielektrizitätskonstanten des Siliconöls bzw. des oben erwähnten Materials SM-36A, und 8,85×10^-14 ist die Dielektrizitätskonstante von Vakuum.

Wie aus den Gleichungen (5) und (6) ersichtlich, beeinflußt die Kapazität Csa, welche die Messung nicht betrifft, die Kapazität C₁₀ etwa doppelt soviel wie die Kapazität Ca, welche die Messung betrifft, und ist also der Messung hinderlich.

Dies wird mathematisch mehr im einzelnen beschrieben.

Wenn die Membran 1 durch die Differenz der Drucke P₁ und P₂ um δ nach links verschoben wird, kann Gleichung (1) umgeschrieben werden wie folgt:

Ca = εa · Sa/(da-δ) (7)

Ähnlich kann, wenn die Dielektrizitätskonstante des Spaltes 9 durch εb (=εa), die Elektrodenfläche in dem Spalt 9 durch Sb (=Sa) und die Dicke des Spaltes 9 durch db (=da) wiedergegeben werden, die Kapazität Cb durch folgende Gleichung ausgedrückt werden:

Cb = εb · Sb/(db-δ) (8)

Wenn die Dielektrizitätskonstante der Glasverbindung 5 durch εsb (=εsa), die Fläche der Glasverbindung 5 durch Ssb (=Ssa) und die Dicke der Glasverbindung 5 durch dsb (=dsa) wiedergegeben werden, dann kann die Kapazität Csb durch folgende Gleichung ausgedrückt werden:

Csb = εsb · Ssb/(dsb) (9)

Die feststehenden Elektroden 2 und 3 sind symmetrisch zu der Membran 1 angeordnet. Daher gilt folgende Gleichung:

εa=εb=ε
Sa = Sb = S
da = db = d
Csa = Csb = Cs
εsa = εsb = εb
Ssa = Ssb = Ss
dsa = dsb = ds
d = ds (10)

Daher können die Gleichungen (3) und (4) umgeschrieben werden wie folgt:

worin

Co = ε · S/d und Cs = εs · Ss/ds (13)

Wie dem Fachmann bekannt, erhält man andererseits, wenn sich zwei Kapazitäten C₁₀ und C₂₀ differential verändern, ein der Verschiebung der Membran 1 proportionales Signal gemäß folgender Gleichung:

Wenn in Gleichung (14) Cs/Co «1, dann gilt

f ≡ δ/d ∞ (P₂-P₁) (15)

Also ist das Signal f proportional zu der Verschiebung δ, das heißt, man kann die Druckdifferenz (P₂-P₁) erhalten.

Im Fall von Fig. 6 ist jedoch

Das heißt, die Bedingung Cs/Co «1 ist nicht erfüllt. Daher schließt der Nenner von Gleichung (14) den Term (δ/d)², und die proportionale Beziehung des Signals f zu der Druckdifferenz δp (= P₂ - P₁) wird durch Cs stark nachteilig beeinflußt. Das heißt, die Linearität des Signals f bezüglich der Druckdifferenz δp ist sehr verschlechtert.

Die Bedingung Cs«1 kann durch starke Vergrößerung der Elektrodenfläche S in den Spalten 8 und 9 erfüllt werden. Dieses Vorgehen ist aber von Nachteil, da der Druckdetektor unvermeidbar beachtlich groß in seiner gesamten Anordnung wird.

Kapazitive Drucksensoren, die sich ihrer Art nach von dem Drucksensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 unterscheiden, sind aus der DE-OS 27 09 945 und der EP 00 07 596 A1 bekannt.

Ein Drucksensor entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der EP 01 14 177 A2 bekannt. Dieser bekannte Druckdetektor enthält Elektrodenbaugruppen mit einer Isolierplatte, auf die die erste und die zweite elektrisch leitende Platte jeweils in Form von einem Metallfilm aufgebracht ist, wobei der von dem Metallfilm bedeckte Oberflächenbereich der Isolierplatte jeweils klein im Vergleich zur Gesamtoberfläche der Isolierplatte ist. Die Isolierplatte ist deckungsgleich zur Membran ausgebildet, und die Membran weist auf ihren jeweils einer Elektrodenbaugruppe zugewandten Oberflächen Ausnehmungen zur Bildung eines Spalts zwischen den jeweils ersten elektrisch leitenden Platten der Elektrodenbaugruppen und der Membran auf. Außerhalb der Ausnehmungen, in einem Oberflächenbereich, der wesentlich größer als der von den Ausnehmungen eingenommene Oberflächenbereich ist, ist die aus Silizium bestehende Membran mit der aus Borsilikatglas hergestellten Isolierplatte verbunden.

Die vorliegende Erfindung löst die Aufgabe, einen Druckdetektor der eingangs erwähnten Art zu schaffen, der gegenüber dem oben beschriebenen Druckdetektor dieser Art verbessert ist.

Der diese Aufgabe lösende Druckdetektor ist dadurch gekennzeichnet, daß die Membran sowie die erste und die zweite elektrisch leitende Platte aus Silizium bestehen, daß die zweite elektrisch leitende Platte, die Isolierplatte und die ringförmige Stütze im äußeren Umfang im wesentlichen deckungsgleich mit der Membran ausgebildet sind, und daß die Isolierplatte dünner als die erste und zweite elektrisch leitende Platte ausgebildet ist.

Durch diese erfindungsgemäße Detektorkonfiguration unter Verwendung gleicher Materialien für die Membran und die erste und zweite leitfähige Platte wird gegenüber dem beschriebenen bekannten Detektor dieser Art ein wesentlich verbessertes Temperaturverhalten erzielt. Schwankungen der Umgebungstemperatur wirken sich bei dem erfindungsgemäßen Detektor weit weniger stark auf die Meßgenauigkeit aus als bei dem bekannten Detektor.

Bei dem mit elektrostatischer Kapazität arbeitenden Druckdetektor sind unerwünschte Kapazitäten, welche die Messung abträglich beeinflussen, im wesentlichen beschränkt auf diejenigen, die bei der Isolierplatte gebildet sind, und solche Kapazitäten können viel kleiner sein als diejenigen, welche die Messung betreffen, durch Festlegen der Dicke der Isolierplatte auf einen geeigneten vorbestimmten Wert.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2(a) bis 2(f) Diagramme zur Erläuterung eines Herstellverfahrens einer Elektrode in der Ausführungsform von Fig. 1;

Fig. 3 ein Erläuterungsdiagramm, das einen Teil der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform zeigt;

Fig. 4(a) und 4(b) Schaltbilder der Verbindung von Kapazitäten in der Ausführungsform von Fig. 1;

Fig. 5 eine Schnittansicht einer anderen Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 6 eine Schnittansicht eines herkömmlichen mit elektrostatischer Kapazität arbeitenden Druckdetektors; und

Fig. 7 ein Schaltbild der Verbindung von Kapazitäten in dem in Fig. 6 gezeigten Detektor.

In der gesamten Beschreibung werden gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

Fig. 1 ist eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform der Erfindung. In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 10 eine Membran aus Silizium. Zwei Elektrodeneinheiten 15 und 20, die als feststehende Elektroden dienen, sind auf beiden Seiten der Membran 10 angeordnet. Die Elektrodeneinheit 15 umfaßt eine erste elektrisch leitende Platte 12, welche der Membran 10 gegenübersteht, eine Isolierplatte 13, welche mit der ersten elektrisch leitenden Platte 12 verbunden ist, zum Beispiel durch Glaspulversinterung oder unter Verwendung eines Al-Si-Eutektikums, und eine zweite elektrisch leitende Platte 14, die auch mit der Isolierplatte 13 verbunden ist, zum Beispiel durch Glaspulversinterung oder unter Verwendung eines Al-Si-Eutektikums. Die erste elektrisch leitende Platte 12 und die zweite elektrische Platte 14 bestehen aus Silizium, und die Isolierplatte 13 ist aus Cordierit gebildet.

Ein Druckeinleitungsloch 25 ist in der Elektrodeneinheit 15 zum Zweck der Einleitung eines Druckes P₁ ausgebildet. Eine Innenwand des Druckeinleitungsloches 25 ist mit einem Leitfilm 27 bedeckt, so daß die erste elektrisch leitende Platte 12 mit der zweiten elektrisch leitenden Platte 14 über den Leitfilm 27 elektrisch verbunden ist.

Eine Stütze 21 ist mit der Isolierplatte 13 der Elektrodeneinheit verbunden, zum Beispiel durch Glaspulversinterung oder unter Verwendung eines Al-Si-Eutektikums, in der Weise, daß sie die erste elektrisch leitende Platte 12 umgibt, aber mittels einer Ringnut 23 von der Platte 12 elektrisch isoliert ist. In der Ausführungsform besteht die Stütze 21 aus dem gleichen Material, Silizium, wie die erste elektrisch leitende Platte 12 und ist auf gasdichte Weise mit der Membran 10 verbunden über ein Glasverbindungsglied 11 einer vorbestimmten Dicke. Ein Luftspalt 29 ist zwischen der Membran 10 und der ersten elektrisch leitenden Platte 12 der ersten Elektrodeneinheit 15 ausgebildet.

Ähnlich umfaßt die andere Elektrodeneinheit 20 eine erste elektrisch leitende Platte 17, die der Membran 10 gegenübersteht, eine Isolierplatte 18, die mit der ersten elektrisch leitenden Platte 17 verbunden ist, beispielsweise durch Glaspulversinterung oder unter Verwendung eines Al-Si-Eutektikums, und eine zweite elektrisch leitende Platte 19, die mit der Isolierplatte 18 verbunden ist, beispielsweise durch Glaspulversinterung oder unter Verwendung eines Al-Si-Eutektikums. Die erste elektrisch leitende Platte 17 und die zweite elektrisch leitende Platte 19 bestehen aus Silizium, und die Isolierplatte 18 besteht aus Cordierit.

Ein Druckeinleitungsloch 26 ist in der Elektrodeneinheit 20 zum Zweck der Einleitung eines Druckes P₂ ausgebildet. Eine Innenwand des Druckeinleitungsloches 26 ist mit einem Leitfilm 28 überzogen, so daß die erste elektrisch leitende Platte 17 mit der zweiten elektrisch leitenden Platte 19 über den Leitfilm 28 elektrisch verbunden ist.

Eine Stütze 22 ist mit der Isolierplatte 18 der Elektrodeneinheit 20 verbunden, beispielsweise durch Glaspulversinterung oder unter Verwendung eines Al-Si-Eutektikums, derart, daß sie die erste elektrisch leitende Platte 17 umgibt, und ist gasdicht mit der Membran 10 verbunden über ein Glasverbindungsglied 16 vorbestimmter Dicke. Zwischen der Membran 10 und der ersten elektrisch leitenden Platte 17 der zweiten Elektrodeneinheit 20 ist ein Luftspalt 30 ausgebildet.

Wie aus der Beschreibung hervorgeht, sind die erste und die zweite Elektrodeneinheit 15 bzw. 20 identisch in Aufbau und Gestalt und sind symmetrisch zu der Membran 10 angeordnet.

Ein Ausgangsleiter 31 für elektrostatische Kapazität ist an der zweiten elektrisch leitenden Platte 14 der ersten Elektrodeneinheit 15 vorgesehen, ein Ausgangsleiter 32 für elektrostatische Kapazität ist an der zweiten elektrisch leitenden Platte 19 der zweiten Elektrodeneinheit 20 vorgesehen, und ein Ausgangsleiter 33 ist an der Stütze 21, der Membran 10 und der Stütze 22 vorgesehen. Ferner sind Anschlußstifte A, B und C elektrisch verbunden mit den Ausgangsleitern 31, 32 bzw. 33.

Die Membran 10 und die erste elektrisch leitende Platte 12 der ersten Elektrodeneinheit 15 bilden einen ersten Kondensator mit einer Kapazität C_A, die über die Anschlußstifte A und C ermittelt wird. Ähnlich bilden die Membran 10 und die erste elektrisch leitende Platte 17 der zweiten Elektrodeneinheit 20 einen zweiten Kondensator mit einer Kapazität C_B, die über die Anschlußstifte B und C ermittelt wird. Bei Ausüben der Drucke P₁ und P₂ wird die Membran 10 durch die Druckdifferenz verschoben. Daher kann die Druckdifferenz anhand der Verschiebung der Membran 10 gemessen werden.

Ein Beispiel für ein Verfahren zur Herstellung der Elektrodeneinheiten 15 und 20 wird anhand von Fig. 2 beschrieben. Die Elektrodeneinheiten 15 und 20 sind identisch im Aufbau, und deshalb wird nur das Herstellverfahren der Elektrodeneinheit 15 beschrieben. Wie in den Teilen (a) und (b) von Fig. 2 gezeigt, wird zunächst eine quadratische Isolierplatte 13 mit der leitenden Platte 35 durch Glaspulversinterung oder unter Verwendung eines Al-Si-Eutektikums verbunden. Wie in Teil (c) von Fig. 2 gezeigt, wird danach eine quadratische elektrisch leitende Platte 14 aus Silizium mit der Isolierplatte 13 durch Glaspulversinterung (glass powder baking) oder unter Verwendung eines Al-Si-Eutektikums verbunden. Wie in Teil (d) von Fig. 2 gezeigt, wird dann eine Ringnut 23 in der leitenden Platte 35 gebildet durch Ultraschallbehandlung, als deren Ergebnis die erste elektrisch leitende Platte 12 in Form einer Scheibe und die Stütze 21 gebildet werden.

Wie in Teil (e) gezeigt, wird dann das Druckeinleitungsloch 25 durch Ultraschallbehandlung gebildet, und seine Innenwand wird mit dem Leitfilm 27 überzogen, wie in Teil (f) gezeigt. Die erste elektrisch leitende Platte 12 und die Stütze 21 werden aus der elektrisch leitenden Platte 35 gebildet, was bewirkt, daß die Oberflächen der Platte 12 und der Stütze 21 miteinander fluchten. Dementsprechend kann beim Verbinden der Stütze 21 mit der Membran 10 über das Glasverbindungsglied 11 der Zwischenraum zwischen der Platte 12 und der Membran nach Bedarf eingehalten werden. Dies wird nachfolgend im einzelnen beschrieben.

Falls die Stütze 21 und die Platte 12 unter Verwendung getrennter elektrisch leitender Platten gebildet werden, werden sie getrennt (oder einzeln) mit der Isolierplatte 13 gebondet, und es ist erforderlich zu ermitteln, ob die Oberflächen der Stütze 21 und der Platte 12 miteinander fluchten oder nicht, oder die Differenz ihrer Dicken zu ermitteln. Wenn die beiden Oberflächen nicht fluchteben sind, dann ist es schwierig, den Abstand zwischen der Membran 10 und der Platte 12 genau zu ermitteln. Wenn andererseits, wie oben beschrieben, die Platte 12 und die Stütze 21 aus derselben Platte 35 gebildet sind, kann der Abstand zwischen der Platte 12 und der Membran 10 genau ermittelt werden aus der Dicke des zwischen der Stütze 21 und der Membran 10 angeordneten Glasverbindungsgliedes 11.

Nachfolgend wird die elektrostatische Kapazität des so gemäß der Erfindung aufgebauten Kapazitäts-Druckdetektors beschrieben.

Fig. 3 ist eine Erläuterungsskizze eines Teiles des Druckdetektors von Fig. 1. Wie in Fig. 3 gezeigt, bilden die Membran 10 und die erste elektrisch leitende Platte 17 der zweiten Elektrodeneinheit 20 mit dem Spalt 30 dazwischen einen Kondensator mit einer Kapazität C_B. Die Stütze 22 und die zweite elektrisch leitende Platte 19 mit der Isolierplatte 18 dazwischen bilden einen Kondensator mit einer Kapazität C_SB. Ferner bilden die Membran 10, der Spalt 24, die Isolierplatte 18 und die zweite elektrisch leitende Platte 19 zwei Kondensatoren mit den Kapazitäten C_SB₁ und C_SB₂. Die Kapazität C_SB1 betrifft die Dielektrizitätskonstante des Spaltes 24, und die Kapazität C_SB2 betrifft die Dielektrizitätskonstante der Isolierplatte 18. Die Membran 10, das Glasverbindungsglied 16 und die Stütze 22 bilden keinen Kondensator, da die Membran 10 mit der Stütze 22 über den Ausgangsleiter 33 elektrisch verbunden ist.

Wie oben beschrieben, haben die Elektrodeneinheiten 15 und 20 den gleichen Aufbau und sind symmetrisch zu der Membran 10 angeordnet. Daher besitzt die Elektrodeneinheit 15 die gleichen Kapazitäten wie die Elektrodeneinheit 20. Das heißt, sie weist Kapazitäten C_A, C_SA, C_SA1 und C_SA2 auf, welche den Kapazitäten C_B, C_SB, C_SB1 bzw. C_SB2 der Elektrodeneinheit 20 entsprechen. Dementsprechend kann es so betrachtet werden, daß die Kapazitäten des in Fig. 1 gezeigten Druckdetektors verbunden sind, wie in Teil (a) von Fig. 4 gezeigt. In Fig. 4 bezeichnen die Bezugszeichen A, B und C die Anschlußstifte. Wenn die Gesamtkapazität zwischen den Anschlußstiften A und C durch C₁ wiedergegeben wird und die Gesamtkapazität zwischen den Anschlußstiften B und C durch C₂ wiedergegeben wird, dann gelten folgende Gleichungen:

In der Gleichung (18) können C_B, C_SB, C_SB1 und C_SB2 durch folgende Gleichungen wiedergegeben werden:

C_B = ε_B · S_B/d_B (19)

worin S_B die Fläche der ersten leitenden Platte 17, εB die Dielektrizitätskonstante des Luftspaltes 30 und d_B die Länge des Luftspaltes 30 sind.

C_SB = ε_SB · S_SB/d_SB (20)

worin S_SB die Fläche der Stütze 22, ε_SB die Dielektrizitätskonstante der Isolierplatte 18 und d_SB die Dicke der Isolierplatte 18 sind.

C_SB1 = ε_B · S_SB1/(d_SB + d_B) (21)
C_SB2 = ε_SB · S_SB1/d_SB (22)

worin S_SB1 die Fläche der Ringnut 24 und d_SB1 die Dicke der Ringnut 24 sind.

Der in Fig. 1 gezeigte Kapazitäts-Druckdetektor der Erfindung, welcher im wesentlichen die gleiche Größe hat wie der in Fig. 6 gezeigte herkömmliche Druckdetektor, wird mit Zahlenangaben konkret beschrieben.

In Fig. 3 haben die Seitenlänge L₀ der quadratischen zweiten leitenden Platte 19, der Durchmesser D₁ der scheibenförmigen ersten leitenden Platte 17 und der Außendurchmesser d₂ der Ringnut 24 folgende Werte:

L₀ = 9 mm, D₁ = 5,8 mm, D₂ = 6,7 mm.

Die Dicken d_B, d_SB und d_SB1 in den Gleichungen (19), (20) und (21) betragen:

d_B = 12 µm, d_SB = 0,5 mm, D₂ = 6,7 mm.

Falls der Luftspalt 30 und die Ringnut 24 von Fig. 1 mit einem nicht-kompressiblen Fluid wie beispielsweise Siliconöl gefüllt sind, sind dessen Dielektrizitätskonstante ε_B und die Dielektrizitätskonstante ε_SB des Cordierit, das die Isolierplatte 18 bildet:

ε_B = 2,65×8,85×10^-14
ε_SB = 5,8×8,85×10^-14

worin der Wert 5,8 die spezifische Dielektrizitätskonstante von Cordierit ist.

Die beschriebenen elektrostatischen Kapazitäten C_B, C_SB, C_SB1 und C_SB2 können unter Verwendung dieser Werte berechnet werden wie folgt:

C_B = 51,64 pF
C_SB = 4,70 pF
C_SB1 = 0,91 pF
C_SB2 = 0,137 pF

Die Kapazität der Reihenschaltung von C_SB1 und C_SB2 beträgt

C_SB1×C_SB2/(C_SB1+C_SB2) = 0,119 pF.

Daher nimmt die Gleichung (18) folgenden Wert an:

Wie aus Gleichung (23) hervorgeht, sind die unerwünschten Kapazitäten C_SB und (C_SB1×C_SB2)/(C_SB1+C_SB2), die die Messung nicht betreffen, viel kleiner als die Kapazität C_B, die die Messung betrifft. Daher ist die Wirkung dieser Kondensatoren beachtlich niedrig.

Die obige Beschreibung ist auch auf die erste Elektrodeneinheit 15 anwendbar.

Hinsichtlich der die Messung betreffenden Kapazitäten C_A und C_B werden die unerwünschten Kapazitäten C_SA und (C_SA1× C_SA2)/(C_SA1 + C_SA2), C_SB und (C_SB1×C_SB2)/(C_SB1+C_SB2), welche die Messung nicht betreffen, mathematisch beschrieben ähnlich dem Fall von Fig. 6.

Wie aus Gleichung (23) hervorgeht, kann die Kapazität der Reihenschaltung von C_SB1 und C_SB2 vernachlässigt werden, da sie viel kleiner ist als die Kapazitäten C_B und C_SB. Daher kann das Schaltbild des Teiles (a) von Fig. 4 umgeschrieben werden, wie in Teil (b) gezeigt. Das heißt:

C₁ = C_A + C_SA (24)
C₂ = C_B + C_SB (25)

Es wird angenommen, daß die Membran 10 durch die Differenz der Drucke P₁ und P₂ um δ nach links verschoben wird. Ähnlich wie in den Gleichungen (7) und (8) können C_A und C_B durch folgende Gleichungen wiedergegeben werden:

C_A = ε_A×S_A/ (d_A-δ) (26)
C_B = ε_B×S_B/ (d_B-δ) (27)

In diesem Zusammenhang sind ε_A und ε_B die Dielektrizitätskonstanten der Luftspalte 29 und 30 und daher ist ε_A = ε_B = ε. d_A und d_B sind die Dicken der Spalte 29 und 30 vor der Verschiebung der Membran; daher ist d_A = d_B = d. S_A und S_B sind die Flächen der ersten leitenden Platten 12 und 17 und es gilt S_A = S_B = S.

Daher lassen sich die Gleichungen (26) und (27) umschreiben wie folgt:

C_A = ε · S/(d₀ - δ) (28)
C_B = ε · S/(d₀ + δ) (29)

Die Kapazitäten C_SA und C_SB werden auf die gleiche Art behandelt. Das heißt, es gilt d_SA = d_SB = d_S0, ε_SA = ε_SB = ε_S0, S_SA = S_SB = S_S0 und C_SA = C_SB = C_S0.

Daher können die Gleichungen (24) und (25) umgeschrieben werden wie folgt:

C₁ = C_A + C_S0 = ε · S/(d - δ) + C_S0 (30)
C₂ = C_B + C_S0 = ε · S/(d + δ) + C_S0 (31)

Mit den Gleichungen (30) und (31) wird ähnlich wie bei Gleichung (14) folgende Berechnung durchgeführt:

In Gleichung (32) kann C_S0/C₀ dargestellt werden durch die folgende Gleichung:

Die oben beschriebenen konkreten numerischen Werte werden in Gleichung (34) eingesetzt:

ε = 2,65 × 8,85 × 10^-14
ε_S0 = 5,8 × 8,85 × 10^-14
S = π × (D₁/2)² = π × 0,29² = 0,264208 cm
S_S0 = L0² - π × (D₂/2)² = 0,81 - π × 0,35² = 0,45744 cm²
d = 12 µm
d_S0 = 0,5 mm
C_S0/C₀ = 0,91 (35)

Aus Gleichung (35) ist ersichtlich, daß bei dem Kapazitäts-Druckdetektor der Erfindung die Bedingung C_S0/C₀«1 erfüllt ist, und daher ist die Wirkung von δ/d im Nenner von Gleichung (32) im wesentlichen eliminiert, so daß die Linearität des Ausgangssignals F wesentlich verbessert ist.

Die Verbesserung kann der Tatsache zugeschrieben werden, daß selbst für den Fall, daß dem Druckdetektor der Erfindung die gleiche Größe gegeben wird wie einem herkömmlichen Detektor, die Dicke d_S0 der Isolierplatte, welche zwischen der ersten und der zweiten leitenden Platte vorgesehen ist, größer gemacht werden kann als die Dicke d des Luftspaltes, der zwischen der Membran und der ersten leitenden Platte gebildet wird.

In der beschriebenen Ausführungsform besteht die Stütze vorzugsweise aus dem gleichen Material wie die erste leitende Platte. Die Erfindung ist aber nicht dadurch oder darauf beschränkt. Das heißt, die Stütze kann unter Verwendung eines Materials gebildet werden, das sich von dem Material der ersten leitenden Platte unterscheidet. Alternativ kann die Stütze aus dem gleichen Material gebildet sein wie die Isolierplatte. Das letztere Verfahren hat den Vorteil, daß d_S0 größer als d gewählt werden kann, da d_S0 so viel wie die Stütze vergrößert ist.

Fig. 5 zeigt im Schnitt eine zweite Ausführungsform des Druckwandlers der Erfindung. In Fig. 5 bezeichnet das Bezugszeichen 40 einen Detektor auf der Grundlage elektrostatischer Kapazität, welcher den gleichen Aufbau hat wie der in Fig. 1 gezeigte Druckdetektor. Der Detektor 40 ist untergebracht in einer inneren Kammer 42 eines mit einem Boden versehenen Zylinders 41 mit einer Öffnung und ist über ein Isolierglied 43 mit einem Metallrohr 44 verbunden. Das Metallrohr 44 ist an eine Montageplatte 45 angeschweißt, welche auch mit der Öffnung des Zylinders 41 verschweißt ist. Eine Kappe 46 ist an die Öffnung des Zylinders 41 angeschweißt. Die Kappe 46 weist ein Durchgangsloch 47 auf. Eine Dichtungsmembran 48 ist an die Außenfläche der Kappe 46 gebondet, um eine Druckaufnahmekammer 51 zwischen der Dichtungsmembran 48 und der Kappe 46 zu bilden.

Andererseits ist ein Durchgangsloch 50 in dem Boden des Zylinders 41 ausgebildet, und eine Dichtungsmembran 49 ist an die Außenfläche des Bodens des Zylinders 41 gebondet, um dazwischen eine Druckaufnahmekammer 52 zu bilden. Eine hermetische Dichtungs-Klemmenplatte 53 mit Anschlußstiften A, B und C ist an einer Zylinderwand des Zylinders 41 vorgesehen. Der Raum zwischen den Dichtungsmembranen 48 und 49, das heißt, die innere Kammer 42, die Durchgangslöcher 47 und 50 sowie die Druckaufnahmekammern 51 und 52 sind mit einem nicht-kompressiblen Fluid wie zum Beispiel Siliconöl gefüllt. Auf die Dichtungsmembranen 48 und 49 ausgeübter Druck wird durch das Siliconöl auf die Membran des Detektors 40 übertragen.

Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, kann das arithmetische Druckdifferenzsignal der elektrostatischen Kapazität des mit elektrostatischer Kapazität arbeitenden Druckdetektors in der Linearität verbessert werden, wobei die gesamte Anordnung des Druckdetektors unverändert bleibt.

Claims

1. Druckdetektor, mit einer durch Druck deformierbaren Membran (10), zwei feststehenden, auf jeder Seite in einem vorbestimmten Abstand zu der Membran angeordneten gleichen Elektrodenbaugruppen (15, 20), wobei jede Elektrodenbaugruppe eine erste elektrisch leitende, der Membran (10) gegenüberliegende und von der Membran durch einen Spalt (29, 30) getrennte Platte (12, 17), eine mit der ersten Seite mit der ersten Platte (12, 17) verbundene Isolierplatte (13, 18) und eine mit einer zweiten Seite der Isolierplatte verbundene zweite elektrisch leitende Platte (14, 19), eine Leiteinrichtung (27, 28) zum Verbinden der ersten und der zweiten elektrisch leitenden Platte, und ein Druckeinleitungsloch (25, 26) zur Einleitung des Drucks in den Spalt (29, 30) zwischen der Membrane (10) und der ersten elektrisch leitenden Platte (12, 17) umfaßt, und mit einer mit der Membran (10) und mit der Isolierplatte (13, 18) verbundenen, die erste elektrisch leitende Platte (12, 17) umgebenden ringförmigen Stütze (21, 22), wobei die ringförmige Stütze von der ersten elektrisch leitenden Platte (12, 17) elektrisch isoliert ist, dadurch gekennzeichnet,
daß die Membran (10) sowie die erste (12, 17) und die zweite (14, 19) elektrisch leitende Platte aus Silizium bestehen,
daß die zweite elektrisch leitende Platte (14, 19), die Isolierplatte (13, 18) und die ringförmige Stütze (21, 22) im äußeren Umfang im wesentlichen deckungsgleich mit der Membran (10) ausgebildet sind, und
daß die Isolierplatte (13, 18) dünner als die erste (12, 17) und zweite (14, 19) elektrisch leitende Platte ausgebildet ist.

2. Druckdetektor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Abstandsmittel (11, 16) zum Bonden der ringförmigen Stütze (21, 22) in jeder Elektrode (15, 20), wobei die Breite des Abstandsmittels (11, 16) die Breite des Spalts (29, 30) zwischen der ersten elektrisch leitenden Platte (12, 17) und der Membran (10) bestimmt.

3. Druckdetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstandsmittel (11, 16) aus gesintertem Glaspulver oder einem Al-Si-Eutektikum besteht.

4. Druckdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste elektrisch leitende Platte (12, 17), die zweite elektrisch leitende Platte (14, 19) und die ringförmige Stütze (21, 22) mit der Isolierplatte (13, 18) durch Glaspulverversinterung verbunden sind.

5. Druckdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiteinrichtung zum Verbinden der ersten elektrisch leitenden Platte (12, 17) mit der zweiten elektrisch leitenden Platte (14, 19) durch einen Leitfilm (27, 28), der auf einer Innenwand des Druckeinleitungsloches (25, 26) vorgesehen ist, gebildet ist.

6. Druckdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige Stütze (21, 22) aus dem selben elektrisch leitenden Silizium wie die erste elektrisch leitende Platte (12, 17) hergestellt ist.

7. Druckdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierplatte (13, 18) aus Cordierit hergestellt ist.