DE4011734A1 - Kapazitiver differenzdruckdetektor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen kapazitiven Differenzdruckdetektor und insbesondere auf einen solchen, der als Überdruckdetektor verwendet werden kann, wenn einer der anliegenden Drücke der Atmosphärendruck ist. Der kapazitive Differenzdruckdetektor nach der vorliegenden Erfindung kann auch als Absolutdruckdetektor eingesetzt werden, wenn einer der zugeführten Drücke Null (Vakuum) ist.

Fig. 6 der Zeichnungen zeigt einen Querschnitt durch den Aufbau eines üblichen kapazitiven Differenzdruckdetektors. Wie dargestellt, sind feste Elektroden 15 und 20 zu beiden Seiten einer Membran 10 angeordnet. Die feste Elektrode 15 besteht aus einer ersten leitfähigen Platte 12, die der Membran 10 gegenübersteht, und einer isolierenden Platte 13, die auf der ersten leitfähigen Platte 12 angeordnet ist, sowie einer zweiten leitfähigen Platte 14, die mit der isolierenden Platte 13 verbunden ist. Die ersten und zweiten leitfähigen Platten 12 und 14 sind elektrisch durch einen leitfähigen Film 27 miteinander verbunden, der auf der Innenfläche eines Druckzuführungsloch 25 angeordnet ist. Das Druckzuführungsloch 25 wirkt auch als ein Durchgangsloch.

Die feste Elektrode 15 ist mit einem ringförmigen Träger 21 versehen, der mit der isolierenden Platte 13 verbunden ist und um eine ringförmige Rille 23 angeordnet ist, die die erste leitfähige Platte 12 umgibt. Der Träger 21 ist mit der Membran 10 an einem Glasverbindungsabschnitt 11 vorbestimmter Dicke verbunden. Die erste leitfähige Platte 12 und der Träger 21 sind elektrisch gegeneinander isoliert. Der Träger 21 kann entweder aus einem isolierenden Material oder aus einem leitfähigen Material bestehen. Das Druckzuführungsloch 25, das durch die feste Elektrode 15 verläuft, führt Druck P 1 in einen Spalt 29 ein, der zwischen der ersten Elektrode und der Membran 10 vorhanden ist.

Der Aufbau der festen Elektrode 20 entspricht dem Aufbau der festen Elektrode 15. Es werden hier daher nur die wichtigen Abschnitte erläutert. Ein Druckzuführungsloch 26, das sich durch die feste Elektrode 20 erstreckt, führt Druck P 2 in einen Spalt 30 ein, der zwischen der festen Elektrode 20 und der Membran 10 vorhanden ist.

Die Membran 10 und die feste Elektrode 15 bilden zusammen einen ersten Kondensator, dessen Kapazität Ca über Anschlußstifte A und C erfaßt werden kann. In gleicher Weise bilden die Membran 10 und die feste Elektrode 20 einen zweiten Kondensator, dessen Kapazität Cb über Anschlußstifte B und C erfaßt werden kann.

Wenn die Drücke P 1 und P 2, die an der Membran 10 anliegen, voneinander verschieden sind, dann verstellt sich die Membran entsprechend der Druckdifferenz. Die Kapazitäten Ca und Cb ändern sich entsprechend der Verstellung der Membran. Die Druckdifferenz kann auf der Grundlage der Kapazitätsänderungen gemessen werden.

Der in Fig. 6 gezeigte Druckdetektor befindet sich in einem Gehäuse, das von zwei Abdichtungsmembranen (nicht dargestellt) verschlossen ist, die jeweils die Drücke P 1 und P 2 aufnehmen. Das Gehäuse ist mit einem nichtkompressiblen Fluid, beispielsweise Silikonöl, gefüllt, über das der Druck übertragen wird. Unter dieser Bedingung sind die Spalten 29 und 30 und die Druckzuführungslöcher 25 und 26 mit dem Silikonöl gefüllt.

Fig. 25 ist ein Querschnitt durch den wesentlichen Abschnitt eines weiteren bekannten kapazitiven Differenzdruckdetektors.

Fig. 26 ist ein Äquivalenzschaltbild, das die Kondensatoren des Differenzdruckdetektors nach Fig. 25 enthält. In Fig. 25 bezeichnen die Bezugszeichen 100 A eine Membran aus einem Silikonmaterial, 2 A und 3 A sind feste Elektroden, die mit der Membran 100 A mittels der Glasverbindungsabschnitte der beschriebenen Art verbunden sind. Das Bezugszeichen 8 A steht für einen Spalt zwischen der Membran 100 A und der festen Elektrode 2 A, und das Bezugszeichen 9 A steht für einen Spalt zwischen der Membran 100 A und der festen Elektrode 3 A. Mit 6 A ist ein Durchgangsloch bezeichnet, das in der festen Elektrode 2 A ausgebildet ist, um den Druck P 1 in den Spalt 8 A einzuführen. 7 A bezeichnet ein Durchgangsloch, das in der festen Elektrode 3 A ausgebildet ist, um den Druck P 2 in den Spalt 9 A einzuführen.

Die Membran 100 A und die feste Elektrode 2 A bilden zusammen einen ersten Kondensator, dessen Kapazität Ca über Anschlußstifte A und C abgenommen werden kann. Die Membran 100 A und die feste Elektrode 3 A bilden zusammen einen Kondensator, dessen Kapazität Cb über Anschlußstifte B und C erfaßt werden kann. In Fig. 26 bezeichnen die Bezugszeichen Csa und Csb jeweils die Kapazitäten an den Glasverbindungsabschnitten 4 A und 5 A, deren Größen konstant sind.

Wenn die Drücke P 1 und P 2, die der Membran zugeführt sind, voneinander abweichen, dann verstellt sich die Membran in Übereinstimmung mit der Druckdifferenz. Die Kapazitäten Ca und Cb ändern sich entsprechend der Verstellung der Membran. Die Druckdifferenz kann auf der Grundlage der Kapazitätsvariationen gemessen werden.

Der Druckdetektor nach Fig. 25 befindet sich in einem Gehäuse, das von zwei Dichtungsmembranen (nicht dargestellt) verschlossen ist, die jeweils die Drücke P 1 und P 2 empfangen. Das Gehäuse ist mit einem nichtkompessiblen Fluid, beispielsweise Silikonöl, gefüllt, durch das sich der Druck überträgt. Unter dieser Bedingung sind die Spalten 8 A und 9 A und die Druckzuführungslöcher 6 A und 7 A mit Silikonöl gefüllt.

Fig. 7 zeigt ein Aufbaumodell der Kondensatoren, die zwischen der Membran 10 und der festen Elektrode 20 des bekannten kapazitiven Differenzdruckdetektors nach Fig. 6 ausgebildet werden. Wie man aus Fig. 7 entnimmt, werden zwischen der Membran 10 und der festen Elektrode 20 insgesamt 4 Kondensatoren ausgebildet. Die Membran 10, der Spalt 30 und die erste leitfähige Platte 17 bilden einen Kondensator. Die Kapazität dieses Kondensators ist mit Cb bezeichnet. Der Träger 22, die isolierende Platte 18 und die zweite leitfähige Platte 19 bilden einen weiteren Kondensator. Die Kapazität dieses Kondensators ist mit Csb bezeichnet. Die Membran 10, die ringförmige Rille 24, die isolierende Platte 18 und die zweite leitfähige Platte 19 bilden ein Kondensatorpaar. Die Kapazitäten dieser Kondensatoren sind mit Csb 1 und Csb 2 bezeichnet. Die Kapazität Csb 1 hängt von der Dielektrizitätskonstante im Spalt 24 ab. Die Kapazität Csb 2 hängt von der Dielektrizitätskonstanten der isolierenden Platte 18 ab. Die Membran 10 und der Träger 20 sind elektrisch mittels eines Leiters 33 miteinander verbunden, der für Kapazitätsmeßzwecke verwendet wird. Dementsprechend bilden den Aufbau aus der Membran 10, dem Glasverbindungsabschnitt 16 und dem Träger 22 keinen Kondensator.

Wie bereits erläutert, hat die feste Elektrode 15 die gleiche Gestalt wie die feste Elektrode 20, und die zugehörigen Elektroden sind entsprechend spiegelbildlich ausgebildet. Die strukturelle Ausbildung der oben erwähnten Kapazitäten gilt dementsprechend auch bezüglich der festen Elektrode 15. Die Kapazitäten, die in Verbindung mit der Elektrode 15 ausgebildet werden und die jeweils jenen entsprechen, die mit der Elektrode 20 ausgebildet werden, sind mit entsprechenden Symbolen bezeichnet, bei denen jedoch das "b" durch ein "a" ersetzt ist. Das heißt, die entsprechenden Kapazitäten sind mit Ca, Csa 1 und Csa 2 bezeichnet. Diese Kapazitäten im Drucksensor nach Fig. 6 können in äquivalenter Weise wie in Fig. 8(a) gezeigt, angeschlossen sein. A, B und C bezeichnet die Anschlußstifte. Die Gesamtkapazität C 1 zwischen den Anschlußstiften A und C und die Gesamtkapazität C 2 zwischen den Anschlußstiften B und C haben die folgenden Größen:

C 1 = Ca + Csa + Csa 1 · Csa 2/(Csa 1 + Csa 2) (1)

C 2 = Cb + Csb + Csb 1 · Csb 2/(Csb 1 + Csb 2) (2)

Es sei die Gleichung (2) betrachtet. Angenommen, daß in Fig. 6 die Fläche der ersten leitfähigen Platte 17 die Größe Sb und die Dielektrizitätskonstante im Spalt 30 die Größe Eb hat und die Breite des Spaltes 30 gleich Tb ist, dann ist die Kapazität Cb bestimmt durch:

Cb =Eb · Sb/Tb (3)

Angenommen, die Fläche des Trägers 22 sei Ssb und die Größe der Dielektrizitätskonstanten des isolierenden Elements 18 sei Esb und die Dicke desselben Tsb, dann ist die Kapazität Csb bestimmt durch:

Csb = Esb · Ssb/Tsb (4)

Unter der Annahme, daß die Fläche der ringförmigen Rille 24 mit Ssb 1 bezeichnet ist und die Tiefe davon Tsb 1 ist, dann sind die Kapazitäten Csb 1 und Csb 2 bestimmt durch:

Csb 1 = Eb · Ssb 1/(Tsb 1 + Tb) (5)

Csb 2 = Esb · Ssb 1/Tsb (6)

Im allgemeinen ist die Serienkapazität der Kapazitäten Csb 1 und Csb 2 vernachlässigbar, wenn diese aufgrund der Gestaltung der Anordnung sehr viel kleiner sind, als die Kapazitäten Cb und Csb. Gleiches gilt für die feste Elektrode 15. Unter dieser Bedingung kann die in Fig. 8(a) gezeigte Schaltung auf die in Fig. 8(b) gezeigte Schaltung reduziert werden. Weiterhin können die Gleichungen (1) und (2) umgeschrieben werden in:

C 1 = Ca + Csa (7)

C 2 = Cb + Csb (8)

Es sei angenommen, daß in Fig. 6 eine Druckdifferenz zwischen P 1 und P 2 die Membran 10 um "D" nach links verstellt. Unter dieser Bedingung haben die Kapazitäten Ca und Cb die Größen:

Ca = Ea · Sa/(Ta - D) (9)

Cb = Eb · Sb/(Tb + D) (10)

Da Ea und Eb die Dielektrizitätskonstanten in den Spalten 29 und 30 sind, soll hier gelten Ea = Eb = E. Ta und Tb sind die Breiten der Spalten 29 und 30, wenn sich die Membran in neutralem Zustand befindet, d. h. es gelte in diesem Falle Ta = Tb = T. Die Gleichung (9) und (10) lassen sich daher wie folgt umschreiben:

Ca = E · Sa/(T - D) (11)

Cb = Eb · Sb/(T + D) (12)

Hinsichtlich der Kapazitäten Csa und Csb gelte Tsa = Tsb = Ts und Esa = Esb = Es. Dementsprechend können die Gleichungen (7) und (8) neu geschrieben werden als:

C 1 = Ca + Csa = E · Sa/(T - D) + Csa (13)

C 2 = Cb + Csb = E · Sb/(T + D) + Csb (14)

Es ist bekannt, daß wenn die gepaarten Kapazitäten C 1 und C 2 sich differenziell ändern, die nachfolgende Gleichung ein Signal F liefert, das sich proportional zur Verstellung "D" der Membran ändert:

F = (C 1 - C 2)/C 1 + C 2) (15)

Wenn Ca =Cb und (Csa - Csb)/(Ca + Cb) << 1, dann läßt sich folgende Gleichung aus den Gleichungen (13), (14) und (15) ableiten:

F = D/T × (P 2 - P 1) (16)

Die Gleichung zeigt, daß es möglich ist, ein der Verstellung "D" oder der Druckdifferenz (P 2 - P 1) proportionales Signal F zu erhalten.

In einer Situation, in der die Bedingungen Ca = Cb, Ca << Csb nicht gelten, ist das Signal F nicht proportional der Verstellung "D" bzw. der Druckdifferenz (P 2 - P 1).

Im Falle der Fig. 6, die den konventionellen Drucksensor zeigt, gilt die Bedingung Ca = Cb nicht immer. Der Grund hierfür ist, daß erste leitfähigen Platten 12 und 17 mechanisch durch Ultraschall oder durch Schleifen spanabhebend bearbeitet worden sind und daß es deshalb Toleranzen (gewöhnlich in der Größenordnung von 50 bis 100 µm) gibt, der Rand des spanabhebend bearbeiteten Teils nicht völlig glatt ist und eine ausgefranste Kontur aufweist und andere vergleichbare Fehler vorhanden sind. Das Signal F ist daher nicht proportional dem Differenzdruck P (= P 2 - P 1).

Um die Proportionalität zwischen F und P aufrechzuerhalten, ist es notwendig, diese Toleranzen zu vermindern. Hierdurch steigen die Bearbeitungskosten. Dieses ist das erste der zu lösende Probleme.

Das zweite Problem, das zu lösen ist, wird nachfolgend erläutert. Es sei der Fall betrachtet, daß bei dem in Fig. 6 gezeigten Aufbau ein übermäßiger Druck durch eines der Druckführungslöcher, beispielsweise das Loch 25, in den Differenzdruckdetektor eingeleitet wird. In diesem Falle gelangt die Membran 10 mit der festen Elektrode 20 in Berührung, die die Verstellung der Membran unter die Dicke des Glasverbindungsabschnitts 16 begrenzt, der die Membran 10 mit der festen Elektrode 20 verbindet. Aufgrund dieser Begrenzung der Membranverteilung ist die Membran 10 gegen den zugeführten übermäßigen Druck geschützt. Die mechanische, spanabhebende Bearbeitung wird auch zur Ausbildung des Druckzuführungslochs 26 im mittleren Abschnitt der ersten leitfähigen Platte 17 der festen Elektrode 20 verwendet. Dementsprechend kann der Rand des Loches ebenfalls ausgefranst oder scharf sein. Wenn die Elektrode mit der Membran in Berührung gelangt, dann können diese Randabschnitte die Membran 10 beschädigen. Insbesondere wenn die Membran 10 aus einem spröden Material, beispielsweise Silikongummi besteht, kann die Membran brechen.

Ein weiteres, drittes Problem besteht in folgendem. Wie in Fig. 6 gezeigt, ist die Membran mit dem Träger 21 unter Verwendung von Glas oder Tonerde verbunden. Bei der Herstellung der Verbindung wird die gesamte Oberfläche des Trägers 21, die der Membran 10 gegenübersteht, mit dem Glas oder der Tonerde beschichtet, und die erste leitfähige Platte 12 wird axial ausgerichtet mit einem beweglichen wirksamen Durchmesser der Membran 10 (Durchmesser der Membranfläche, die in Abhängigkeit vom zugeführten Druck verstellt werden soll), d. h. mit dem inneren Durchmesser des Glasverbindungsabschnitts 11. Im allgemeinen wird der Träger 21 durch spanabhebende Bearbeitung der ersten leitfähigen Platte 12 auf der festen Elektrode 15 ausgebildet. Die Toleranzen und die Splitter oder Spitzen, die durch die spanabhebende Bearbeitung hervorgerufen werden, führen unvermeidbar zu einem geometrischen Fehler des Innendurchmessers des Trägers 21. Dieses führt schließlich zu einem geometrischen Fehler des beweglichen wirksamen Durchmessers der Membran 10. Angenommen, der variable wirksame Durchmesser der Membran 10 sei "a" und ihre Dicke sei "h", dann ist die Verstellung "D" der Membran aufgrund der Druckdifferenz (P 1 - P 1) gleich:

D = K (a/2)⁴ · (1/h)³ (17)

wobei K eine Materialkonstante der Membran 10 ist, die durch den Young-Modul und das Poisson-Verhältnis bestimmt ist. Wie man aus der Gleichung (17) entnehmen kann, bewirkt ein Bearbeitungsfehler der variablen wirksamen Fläche "a", daß die Verstellung "D" um einen Wert schwankt, der etwa viermal so groß ist, wie ein Verhältnis des Bearbeitungsfehlers "da" zum schwankenden wirksamen Durchmesser "a". Wie bereits festgestellt, kann der Innendurchmesser "b" des Trägers 21 als dem beweglichen wirksamen Durchmesser "a" der Membran 10 gleich angesehen werden. Dementsprechend ist ein Fehler "da" des beweglichen wirksamen Durchmessers "a" gleich einem Bearbeitungsfehler "db" des Innendurchmessers des Trägers 21. Dies wird unter Verwendung spezifischer Zahlen beschrieben. Es sei der Fall angenommen, daß

a = b = 7 mm

da = db = 0,2 mm

Der Bearbeitungsfehler "db" ist der gewöhnliche Fehler bei spanabhebender Bearbeitung in der Größenordnung von 0,1 mm, da der Innendurchmesser des Trägers spanabhebend erstellt wird. Das Verhältnis der Verstellung "D 1" einschließlich des Bearbeitungsfehlers zur Verstellung "D", die den Fehler nicht enthält, ist:

D 1/D = K [(a + da)/2]⁴ (1/h)³ = [(a + da)/a]⁴
K (a/2)⁴ (1/h)³
= [(b + db)/b]⁴ = 1.11928

Der relative Fehler der Verstellung "D" aufgrund des Bearbeitungsfehlers "db" des Innendurchmessers "b" des Trägers 21 beträgt somit etwa 12%. Diese Zahl ist etwa viermal so groß wie der relative Fehler von 2,86% des Innendurchmessers "b" des Trägers 21. Eine geringe Genauigkeit bei der spanabhebenden Bearbeitung des beweglichen wirksamen Durchmessers ruft daher eine entsprechende Genauigkeitsschwankung des kapazitiven Drucksensors hervor. Dies ist in hohem Maße unerwünscht.

Die konventionellen Druckdetektoren der obengenannten Art weisen weiterhin das Problem auf, daß sie langsam ansprechen. Wenn übermäßiger Druck plötzlich abgebaut wird, dann kann die Membran diesem Druckabbau nicht schnell genug folgen.

Fig. 13 zeigt eine Querschnittsdarstellung des wesentlichen Abschnitts eines Differenzdruckdetektors nach dem Stand der Technik im Betrieb. Wie dargestellt, verbiegt die Differenz der Drücke, die durch die Löcher 25 und 26 zugeführt werden (in der Darstellung ist der durch das Loch 26 zugeführte Druck sehr viel größer als der durch das Loch 25 zugeführte Druck) die Membran 10 nach links, und die linke Seite der Membran berührt die rechte Seite der leitfähigen Platte 12.

Unter idealen Bedingungen ist die in dem Druckdetektor enthaltene Flüssigkeit, beispielsweise Silikonöl, vollständig inkompressibel und sind die Oberflächen der Membran 10 und der leitfähigen Platte 12 vollständig glatt isoliert. Wenn diese Oberflächen miteinander in Berührung gelangen, tritt keine Flüssigkeit durch den Zwischenraum zwischen ihnen hindurch, die Membran 10 wird weiter durchgebogen, nachdem der mittlere Abschnitt ihrer linken Seite so weit durchgebogen ist, daß sie die Öffnung des Loches 25 verschließt. Dementsprechend wird die Berührungsfläche der Membran 10 mit der leitfähigen Platte 12 leicht größer gehalten als die Öffnung des Loches 25, selbst wenn die Druckdifferenz ansteigt.

Fig. 14 ist eine graphische Darstellung der Änderung der Berührungsfläche zwischen der Membran und der festen Elektrode über dem Differenzdruck. In der graphischen Darstellung gibt die Abszisse den Differenzdruck P an, und die Ordinate gibt die Berührungsfläche S an. Wie man erkennen kann, ist in einem Bereich, in welchem der Differenzdruck klein ist, die Berührungsfläche S gleich Null. Bei dem Differenzdruckwert Pa ist die Berührungsfläche Sa leicht größer als die Fläche der Öffnung des Lochs 25 am rechten Ende desselben. Unter den obenerwähnten idealen Bedingungen wird die Berührungsfläche S auf dem Wert Sa gehalten (siehe die strichpunktierte Linie), selbst wenn der Differenzdruck P weiter ansteigt. In Wirklichkeit sind die idealen Bedingungen jedoch nicht vorhanden, und die Berührungsfläche S nimmt mit zunehmendem Differenzdruck P in einer Weise zu, die durch die durchgezogene Linie in Fig. 14 dargestellt ist.

Dementsprechend ist in Betracht zu ziehen, daß in einem Zustand, in welchem ein übermäßiger Differenzdruck auf die Membran 10 wirkt, diese und die leitfähige Platte 12 einander großflächig berühren. Wenn der übermäßige Druck plötzlich abgebaut wird, dann verstellt sich der mittlere Abschnitt der Membran 10 nach rechts, wodurch der Verschluß der Öffnung des Druckzuführungslochs 25 aufgehoben wird. Der durch das Loch 25 zugeführte Druck wirkt dann auf die linke Seite der Membran 10, was den Rückkehrbetrieb der Membran in ihre Ausgangslage unterstützt. Bei dem konventionellen Differenzdruckdetektor kann die Rückkehr der Membran 10 dem schnellen Abbau des übermäßigen Drucks nicht schnell folgen. Mit anderen Worten, das Ansprechverhalten der Membran 10 ist schwach oder langsam.

Die bekannten Druckdetektoren der obenbeschriebenen Art werfen noch weitere Probleme auf.

Wenn der Differenzdruck (=P 2 - P 1) sehr groß ist, dann wird die feste Elektrode 15 nach rechts durchgebogen oder verstellt. Die Kapazität zwischen der Membran 10 und jeder der festen Elektroden 15 und 20 ändert sich in Abhängigkeit von der Verstellung der festen Elektrode allein. Diese Tatsache erkennt man leicht, wenn man einen Detektor 50 nach Fig. 5 durch den bekannten Detektor nach Fig. 6 ersetzt. In Fig. 5 ist die feste Elektrode, die mit keinem Bezugszeichen auf der linken Seite bezeichnet ist (entsprechend der festen Elektrode 15 in Fig. 6) einem Druck P 2 unterworfen, der von der linken Seite zugeführt wird, und ferner einen Druck P 1 unterworfen, der von der rechten Seite zugeführt wird. Der Fall in Fig. 5 wird nachfolgend im Detail in Verbindung mit einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert.

In einem Zustand, in welchem eine Verstellung "De" der festen Elektrode 15 aufgrund des Differenzdrucks und die Verstellung "D" der obenbeschriebenen Art gleichzeitig auftreten, sind die Kapazitäten C 1e und C 2e zwischen der Membran 10 und den festen Elektroden 15 und 20 wie folgt:

C 1e = ε · A/(T - D - De) (4c)

C 1e = C 2 = ε · A/(T + D) (5c)

Man sieht, daß die Änderungen der Kapazitäten C 1e und C 2e nicht differentiell sind. Dementsprechend wird das Differenzdrucksignal Fe, das unter Verwendung der Gleichung (15) berechnet wird, gegeben durch:

Fe = (C 1e - C 2e)/(C 1e + C 2e) (6c)

= (2D + De)/(2D - De) (6c)

Wie man aus der Gleichung (6c) ersieht, wenn "De" im Vergleich zu "D" nicht vernachlässigbar ist, das Differenzdrucksignal Fe nicht proportional zum Differenzdruck (= P 2 - P 1). Mit anderen Worten, die Linearität des Signals Fe ist nicht mehr gegeben.

Bekannte kapazitive Differenzdruckdetektoren, wie sie weiter unten im Detail erläutert werden, haben einen Nachteil dahingehend, daß die Meßbereichscharakteristik und die Linearität nachteilig durch Umgebungstemperaturschwankungen beeinflußt werden. Mit anderen Worten, die Temperaturcharakteristik des Detektors verschlechtert diesen. Die Meßbereichscharakteristik ist hier ein Variationsbereich der Kapazität relativ zum 100%igen Variationsbereich eines Differenzdrucks, d. h. der charakteristischen Verstellungsänderung der Membran.

Jede Elektrode kann als eine Art Bimetall betrachtet werden, das durch Laminierung von plattenförmigen Elementen unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten gebildet ist. Die Elektroden haben einen dreischichtigen Aufbau aus den ersten und zweiten leitfähigen Platten aus Silicium und der isolierenden Platte aus Cordierit, die sandwichartig zwischen den ersten und zweiten leitfähigen Platten eingeschlossen ist. Jede Elektrode verformt sich, wenn die Umgebungstemperatur schwankt, so daß in der Siliciummembran, die am Umfang befestigt ist, eine Belastung in radialer Richtung entwickelt wird. Die Verstellung der Membran aufgrund dieser Belastung beeinträchtigt die Linearität des Differenzdrucksignals, das durch die eigentliche Verstellung der Membran, die durch die Druckdifferenz hervorgerufen wird, erzeugt wird.

Die radiale Belastung in der Membran aufgrund von Umgebungstemperaturen und die Verstellung der Membran aufgrund dieser Belastungen wird im Detail erläutert.

In Fig. 6 ist der zusammengesetzte thermische Ausdehnungskoeffizient der festen Elektroden 15 und 20 gleich:

a = K 1 (A - K 2/β) (α1 - α2) + α2 (1d)

wobei
α1 und α2 die thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Cordierit und Silicium sind.
E 1 und E 2 sind die Young-Module von Cordierit und Silicium.
H 1 und H 2 sind die Dicken der Cordierit- und Siliciumschichten und
H 3 ist die Dicke der Träger 21 und 22.

In der obigen Gleichung sind K 1 und K 1 Konstanten, die durch E 1, E 2, H 1 und H 2 bestimmt sind. Weiterhin sind A und B gleich

A = (H 1 + 2H 3)/2 und B = 1/(H 1 · E 1).

Wenn E 1 =8000, E 2 = 15 300 (kg/mm²), α1 = 1,1 (10^-6/°C), α2 = 3,1 (10^-6/°C), H 1 = 0,5 (mm), H 2 = 1,5 (mm), H 3 = 1,5 mm, dann ist α = 2,53 × 10^-6/°C).

Wenn dementsprechend eine Änderung der Umgebungstemperatur DT ist, dann wird eine radiale Belastung "σ" in der Membran entwickelt, die die Größe hat:

σ = E · D α · DT/(1 - ν) (2d)

wobei E und ν das Youngmodul bzw. das Poisson-Verhältnis sind,
D α die Differenz zwischen den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der festen Elektrode und der Membran ist.

Eine Verstellung W der Membran, die eine radiale Belastung σ aufweist, bei einem Differenzdruck P ist:

W = P/[K + (4H/R²)σ] (3d)

wobei H und R die Dicke und der Radius der Membran sind
und K eine durch E, ν, H und R bestimmte Konstante ist.

Wie man aus der Gleichung (3d) entnehmen kann, wird die Verstellung W durch den ersten Faktor bestimmt, in den das Material und die Größe der Membran eingeht, und durch einen zweiten Faktor bestimmt, in den die radiale Belastung eingeht. Die Gleichung (3d) zeigt ferner, daß zur Messung eines sehr kleinen Differenzdrucks P die Dicke H der Membran klein gemacht werden muß und daß die Belastung s einer hohen Empfindlichkeit der Differenzdruckmessung entgegensteht.

Fig. 18 zeigt eine graphische Darstellukng einer charakteristischen Schwankung des Wertes W/G bei thermischer Belastung σ. Eine Messung zur Aufnahme der Daten, die in der graphischen Darstellung aufgetragen sind, wurde unter Drücken von 0,1 m WS und 3,2 m WS durchgeführt. In der Zeichnung gibt eine durchgezogene Linie eine Änderung von W/G an, wenn der Druck 0,1 m WS beträgt, und eine gestrichelte Linie gibt das W/G an, wenn der Druck 3,2 m WS beträgt. G gibt eine Spaltbreite zwischen den Membran und der festen Elektrode an, wenn der zugeführte Differenzdruck Null ist.

Wenn sich die Umgebungstemperatur innerhalb eines Bereiches von +60°C (120°C) ändert, dann zeigt die Gleichung (2d), daß die thermische Belastung "σ" sich um 0,62 kg/mm² ändert. Aufgrund der Änderung der thermischen Belastung ist das W/G der Membranverstellung etwa 82% für 0,1 m WS und etwa 6% für 3,2 m WS.

Wie oben beschrieben, besteht bei einem anderen bekannten Differenzdruckdetektor die Membran aus einer ebenen Platte, obgleich dies nicht explizit erläutert ist. Eine so aufgebaute Membran wirft die folgenden Probleme auf:

• (1) Wenn sie unter einen hohen Differenzdruck gesetzt wird, dann wird im inneren Rand des Verbindungsabschnitts zwischen der Membran und dem Träger, die mit dem Glas miteinander verbunden sind, eine extrem hohe Belastung entwickelt, die möglicherweise den Verbindungsabschnitt oder die Membran zerstört. Speziell wenn die Membran aus einem spröden Material, wie beispielsweise Silicium, besteht, ist die Gefahr einer Zerstörung der Membran sehr hoch.
• (2) Die Bewegung der Membran, insbesondere des mittleren Abschnitts derselben ist bei Aufnahme eines Drucks nicht translatorisch. Dementsprechend enthält die Kapazitätsänderung aufgrund von Druckänderungen Therme höherer Ordnung. Diese Tatsache macht es schwierig, solche Therme zu kompensieren, und dementsprechend wird die Genauigkeit der Druckermittlung verschlechtert.
• (3) Versuche zur Verminderung der Größe und des Gewichts des Druckdetektors erfordern eine Verminderung der Membrandicke. Dieses Erfordernis macht es schwierig, den Druckdetektor zusammenzusetzen. Insbesondere im Bereich niedrigen Drucks und niedrigen Differenzdrucks ist dieses Problem vorhanden.

Um die obigen Probleme des Standes der Technik zu überwinden, ist es eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung; einen linearen und genauen kapazitiven Druckdetektor anzugeben, dessen Membran nicht beschädigt wird, wenn ihm übermäßiger Druck zugeführt wird.

Ein zweites Ziel der Erfindung besteht darin, einen kapazitiven Differenzdruckdetektor anzugeben, dessen Membran bei einer schnellen Verminderung eines übermäßigen Differenzdrucks schnell anspricht.

Ein drittes Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen kapazitiven Differenzdruckdetektor anzugeben, der ein Differenzdrucksignal guter Linearität auch dann erzeugt, wenn der Differenzdruck groß ist.

Ein viertes Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen kapazitiven Differenzdruckdetektor anzugeben, der ein gutes Temperaturverhalten aufweist. Insbesondere ist es ein viertes Ziel der Erfindung, einen kapazitiven Differenzdruckdetektor anzugeben, der die nachteiligen Einflüsse von Temperaturschwankungen auf die Meßbereichscharakteristik und die Linearität des Differenzsignals minimiert.

Ein fünftes Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen genauen kapazitiven Differenzdruckdetektor anzugeben, der eine relativ niedrige oder nicht übermäßige Belastung im Randbereich der Membran bei Zuführung eines übermäßigen Drucks aufweist. Weiterhin ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen kapazitiven Differenzdruckdetektor anzugeben, der einfach hergestellt werden kann.

Weitere Ziele und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor. Die Ziele und Vorteile der Erfindung werden mittels der Elemente und Kombinationen davon erreicht, die in den Ansprüchen beschreiben sind.

Um das erste Ziel zu erreichen, wird von der Erfindung ein kapazitiver Differenzdruckdetektor gemäß der ersten Ausführungsform angegeben. Dieser enthält eine Membran mit zwei entgegengesetzten Oberflächen, feste Elektroden, die benachbart den vorgenannten Membranflächen angeordnet sind, und die jeweils enthalten: eine erste Platte benachbart einem mittleren Abschnitt einer der Membranflächen, einen ringförmigen Träger, der an einem Randabschnitt der Membran befestigt ist und der getrennt von und rund um eine Umfangsstirnfläche der ersten Platte angeordnet ist; eine isolierende Platte, die über einer Oberfläche des ringförmigen Trägers und einer Oberfläche der ersten Platte gegenüber einer der Membran zugewandten Fläche angebracht ist; eine zweite Platte, die an der isolierenden Platte auf einer Oberfläche auf einer Fläche gegenüber der ersten Platte angebracht ist, wobei die zweite Platte elektrisch mit der ersten Platte verbunden ist und ein Druckzuführungsloch durch die mittleren Abschnitte der ersten und zweiten Platten und der isolierenden Platten verläuft und ein Randabschnitt der Öffnung des Druckzuführungsloches benachbart der Membran ist, ein äußerer Umfangsrandabschnitt der ersten Platte näher an der Membran liegt und ein innerer Umfangsrandabschnitt des Trägers näher der Membran liegt und diese Umfangsrandabschnitte mit abgestuften Bereichen versehen sind.

Der kapazitive Differenzdruckdetektor gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung enthält:
eine Membran mit entgegengesetzten Seitenflächen;
feste Elektroden, die benachbart jeder der entgegengesetzten Seitenflächen der Membran angeordnet sind und jeweils enthalten:
ein Druckzuführungsloch, das durch den mittleren Abschnitt derselben verläuft;
einen abgestuften Abschnitt, der in einem Randabschnitt einer Öffnung des Druckzuführungsloches, der dichter an der Membran liegt, ausgebildet ist;
einen ringförmigen, mittleren planaren Abschnitt aus einem isolierenden Material, der radial außerhalb angeordnet ist und sich an den abgestuften Abschnitt anschließt und parallel zu und dicht an der Oberfläche der Membran liegt;
eine ringförmige Nut, die radial außerhalb liegt und sich an den mittleren planaren Abschnitt anschließt;
einen leitfähigen Film, der wenigstens auf dem mittleren planaren Abschnitt ausgebildet ist und auch als Kondensatoranschluß dient; und
einen ringförmigen Träger aus einem isolierenden Material, der an einem Umfangsrandabschnitt radial außerhalb der ringförmigen Nut mit der Membran verbunden, von dieser aber elektrisch isoliert ist.

Um das dritte Ziel zu erreichen, wird ein kapazitiver Differenzdruckdetektor gemäß einer dritten Ausführungsform angegeben. Dieser enthält:
eine Membran mit entgegengesetzten Seitenflächen;
feste Elektroden, die benachbart jeder der entgegengesetzten Seitenflächen der Membran angeordnet sind und jeweils enthalten:
ein Druckzuführungsloch, das durch den mittleren Abschnitt derselben verläuft:
wobei jeder der festen Elektroden wenigstens eine Nut aufweist, die an einer Oberfläche dichter an der Membran ausgebildet ist, wobei die genannte wenigstens eine Nut das Druckzuführungsloch schneidet.

Bei einer solchen Anordnung wird ein Druck, der von der anderen der festen Elektroden zugeführt wird, auch dem Substrat und der äußeren Oberfläche einer jeden festen Elektrode zugeführt.

Um das vierte Ziel zu erreichen, wird ein kapazitiver Differenzdruckdetektor gemäß der vierten Ausführungsform der Erfindung angegeben. Ein solcher kapazitiver Differenzdruckdetektor mißt einen Druck auf der Basis von Kapazitäten, der von Kondensatoren gebildet werden, die zwischen einer Membran, die in Abhängigkeit von dem Druck verstellt wird, und jeder von ersten und zweiten festen Elektroden ausgebildet werden, wobei auf beiden Seiten der Membran Druckzuführungslöcher vorhanden sind. Der kapazitiver Differenzdruckdetektor gemäß der vierten Ausführungsform der Erfindung enthält ein Substrat mit einem Druckzuführungsloch, das einen vorbestimmten Abstand von der ersten festen Elektrode hat, jedoch am Umfangsrandabschnitt mit der Außenfläche der genannten ersten festen Elektroden verbunden ist, wodurch ein Druck, der von der zweiten Elektrode zugeführt wird, auch einer Oberfläche des Substrats gegenüber der genannten ersten Elektrode zugeführt wird.

Um das fünfte Ziel zu erreichen, wird ein kapazitiver Differenzdruckdetektor gemäß einer fünften Ausführungsform angegeben. Dieser enthält:
eine Membran mit gegenüberliegenden Seitenflächen;
feste Elektroden, die benachbart jeder der genannten Seitenfläche der Membran angeordnet sind, und jeweils enthalten:
eine erste Platte benachbart einem mittleren Abschnitt einer der genannten Seitenflächen der Membran, wobei die erste Platte einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat, der im wesentlichen gleich dem der Membran ist;
einen ringförmigen Träger, der mit einem Umfangsrandabschnitt der Membran verbunden ist und getrennt von und um eine Umfangsstirnfläche der ersten Platte angeordnet ist;
eine isolierende Platte, die über eine Oberfläche des ringförmigen Trägers und eine Oberfläche der ersten Platte gegenüber einer Oberfläche, die der Membran gegenübersteht, angebracht ist, wobei die isolierende Platte einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat, der im wesentlichen gleich dem der ersten leitfähigen Platte ist, und
eine zweite Platte, die mit der isolierenden Platte auf einer Oberfläche auf einer Fläche gegenüber der ersten Platte verbunden ist, wobei die zweite Platte elektrisch mit der ersten Platte verbunden ist.

Um das sechste Ziel zu erreichen, wird ein kapazitiver Differenzdruckdetektor gemäß einer sechsten Ausführungsform angegeben. Dieser enthält: eine Membran, die in Abhängigkeit von dem Druck verstellt wird, und erste und zweite feste Elektroden mit Druckzuführungslöchern, die zu beiden Seiten der Membran angeordnet sind, wobei die Membran einen im mittleren Abschnitt gelegenen Teil enthält, der sich hauptsächlich in Abhängigkeit von dem Druck verstellt, einen Verbindungsteil, der im Umfangsrandabschnitt gelegen ist und der mit der festen Elektrode verbunden, davon jedoch elektrisch isoliert ist, und einen ringförmigen, flexiblen Teil, dessen Breite ½ bis ¹/₅ des Durchmessers des sich verstellenden Teils beträgt und dessen Dicke ½ oder weniger von der des sich verstellenden Teils beträgt, wobei der flexible Teil den sich verstellenden Teil mit dem genannten Verbindungsteil koppelt.

Bei dem kapazitiven Differenzdruckdetektor gemäß der ersten Ausführungsform bestimmt der abgestufte Abschnitt, der im inneren Umfangsrandabschnitt des Trägers nahe der Membran ausgebildet ist, exakt den beweglichen wirksamen Durchmesser. Die abgestuften Abschnitte, die im äußeren Umfangsrandabschnitt der ersten leitfähigen Platte näher der Membran und im Randabschnitt der Öffnung des Druckzuführungslochs näher der Membran liegen bestimmen exakt die Flächen der Membran und der ersten leitfähigen Platte, die einander gegenüberstehen. Wenn daher ein übermäßiger Druck zugeführt wird, und die Membran mit der ersten leitfähigen Platte in Berührung gelangt, wird die Membran nicht beschädigt.

Bei dem kapazitiven Differenzdruckdetektor gemäß der zweiten Ausführungsform bestimmt der abgestufte Abschnitt, der radial außerhalb des mittleren planaren Abschnitts ausgebildet ist, exakt den beweglichen wirksamen Durchmesser der Membran. Der abgestufte Abschnitt, der radial außerhalb des mittleren planaren Abschnitts liegt, und der abgestufte Abschnitt, der im Randbereich der Öffnung des Druckzuführungslochs näher der Membran ausgebildet ist, bestimmen exakt die Flächen der Membran und der festen Elektrode, die einander gegenüberstehen. Wenn daher ein übermäßiger Druck zugeführt wird und die Membran mit der ersten leitfähigen Platte in Berührung gelangt, wird die Membran nicht beschädigt.

Bei dem kapazitiven Differenzdruckdetektor gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung wird, wenn ein übermäßiger Druck einen Teil von einer der Seiten der Membran gegen die Oberfläche der festen Elektrode drückt, der durch die feste Elektrode zugeführte Druck auch der Oberfläche der Membran durch die Nut zugeführt, die das Druckzuführloch schneidet. Der der Membranfläche zugeführte Druck erleichtert die Rückführung der Membran aus der Verstellung, wodurch das Ansprechverhalten der Membran verbessert wird.

Bei dem kapazitiven Differenzdruckdetektor gemäß der vierten Ausführungsform verstellt ein beiden Seiten des Substrats zugeführter Differenzdruck das Substrat. Der den beiden Seiten jeder festen Elektrode zugeführte Druck ist indessen gleich, so daß sie nicht verstellt wird. Dementsprechend ändern sich die Kapazitäten der Kondensatoren, die von der Membran und den festen Elektroden gebildet werden, exakt in differentieller Weise.

Bei dem kapazitiven Differenzdruckdetektor gemäß der fünften Ausführungsform bestehen die ersten und zweiten leitfähigen Platten der festen Elektroden, die zu beiden Seiten der Membran angeordnet sind, und die isolierenden Platten, die sich dazwischen befinden, aus Materialien, deren thermische Ausdehnungskoeffizienten gleich oder nahezu gleich sind. Dementsprechend werden keine radialen Belastungen in der Membran entwickelt, wenn die Umgebungstemperatur schwankt. Dementsprechend tritt keine Verstellung aufgrund solcher Belastungen auf. Die Meßbereichscharakteristik und die Linearität des Differenzsignals bleiben daher gut, selbst wenn die Umgebungstemperatur schwankt.

Bei der sechsten Ausführungsform mit dem ringförmigen flexiblen Teil wirkt eine Belastung, die im inneren Umfangsrandbereich des Verbindungsabschnitts aufgrund eines Drucks erzeugt und der sich verstellende Teil verstellt sich bei Empfang eines Drucks rein translatorisch. Es besteht keine Notwendigkeit, die ursprüngliche Dicke der Membran zu verringern.

Es versteht sich, daß die nachfolgende allgemeine Beschreibung und die nachfolgende Beschreibung nur beispielhaft sind und die Erfindung nicht beschränken sollen.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Querschnittsdarstellung durch eine erste Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 eine Modelldarstellung des Aufbaus, der die Kondensatoren bildet;

Fig. 3(a) bis 3(f) eine Folge von Herstellungsschritten bei der Herstellung einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 4 eine Querschnittsdarstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 5 eine Querschnittsdarstellung eines Druckdetektorgerätes, das die erste Ausführungsform der Erfindung enthält;

Fig. 6 eine Querschnittsdarstellung durch eine bekannte Druckdetektorvorrichtung;

Fig. 7 eine Modelldarstellung des Aufbaus, der die Kondensatoren bei der bekannten Anordnung bildet;

Fig. 8 eine Äquivalenzschaltung der Kondensatoren in der bekannten Anordnung, wobei die Fig. 8(a) eine Äquivalenzschaltung vor der Anordnung und Fig. 8(b) eine Äquivalenzschaltung nach der Anordnung zeigt;

Fig. 9 eine Querschnittsdarstellung einer dritten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 10 eine Vorderansicht eines Schlüsselelements der dritten Ausführungsform;

Fig. 11 eine Vorderansicht eines Schlüsselelements der dritten Ausführungsform;

Fig. 12 eine Vorderansicht eines Schlüsselteils der dritten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 13 eine Vorderansicht eines Schlüsselabschnitts einer bekannten Druckdetektorvorrichtung, die die Betriebsweise des Standes der Technik zeigt;

Fig. 14 eine graphische Darstellung des Zusammenhangs zwischen der Berührungsfläche zwischen Membran und fester Elektrode beim Stand der Technik in Abhängigkeit von Differenzdruck zeigt,

Fig. 15 eine Querschnittsdarstellung einer vierten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 16 eine Querschnittsdarstellung einer Druckdetektorvorrichtung, die die vierte Ausführungsform der Erfindung enthält;

Fig. 17 eine Querschnittsdarstellung einer fünften Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 18 eine graphische Darstellung der charakteristischen Änderung einer Membranverstellung in Abhängigkeit von thermischer Belastung;

Fig. 19 eine graphische Darstellung einer charakteristischen Änderung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Cordierit und Mullit in Bezug auf den Prozentsatz jener Materialien;

Fig. 20 eine Querschnittsdarstellung eines Schlüsselelements, das gemeinsam gemäß entsprechenden Aspekten einer sechsten Ausführungsform der Erfindung verwendet wird;

Fig. 21 eine Vorderansicht des Schlüsselelements,

Fig. 22(a) bis 22(g) eine Folge von Herstellungsschritten bei der Erstellung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 23 eine Querschnittsdarstellung einer sechsten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 24 eine Querschnittsdarstellung eines Aspektes der sechsten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 25 eine Querschnittsdarstellung einer weiteren bekannten Druckdetektorvorrichtung, und

Fig. 26 eine Äquivalenzschaltung bezüglich der Kondensatoren in der Anordnung nach Fig. 25.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine erste Ausführungsform eines kapazitiven Differenzdruckdetektors. Wie in Fig. 1 gezeigt, sind leitfähige Platten 121 und 171 und ringförmige Träger 211 und 221 an festen Elektroden 151 und 200 vorgesehen, die zu beiden Seiten einer Membran 10 angeordnet sind. Die leitfähige Platte 121 hat einen abgestuften Abschnitt 121 a gegebener Breite und Tiefe, der im Umfangsrand derjenigen Oberfläche der leitfähigen Platte 121 ausgebildete ist, die näher der Membran 10 ist. Ein abgeschrägter Abschnitt 121 b ist im Randbereich eines Druckzuführungslochs der festen Elektrode 151 ausgebildet. In gleicher Weise hat die leitfähige Platte 171 einen abgestuften Abschnitt 171 a, und das Druckzuführungsloch hat einen abgeschrägten Abschnitt 171 b, entsprechend dem abgestuften Abschnitt 121 a und dem abgeschrägten Abschnitt 121 b der leitfähigen Platte 121. Der ringförmige Träger 211 ist so angeordnet, daß er die leitfähige Platte 121 umgibt. Der Träger 211 hat einen abgestuften Abschnitt 211 a gegebener Breite und Tiefe, der in dem inneren Umfangsrand ausgebildet ist, der der Membran 10 und der leitfähigen Platte 121 gegenübersteht. Der ringförmige Träger 221 ist so angeordnet, daß er die leitfähige Platte 171 umgibt. Der Träger 221 hat einen abgestuften Abschnitt 221 a gegebener Breite und Tiefe, der in dem inneren Umfangsrand ausgebildet ist, der der Membran 10 und der leitfähigen Platte 171 gegenübersteht. Die Träger 211 und 221 können entweder aus isolierendem Material oder aus leitfähigen Material bestehen.

Die Membran 10 und die leitfähige Platte 121 bilden zusammen einen ersten Kondensator. Die Membran 10 und die leitfähige Platte 171 bilden zusammen einen zweiten Kondensator. Die Kapazitäten dieser zwei Kondensatoren werden über Stifte A und C bzw. B und C gemessen. Wenn Drücke P 1 und P 2 auf die Membran 10 einwirken, verstellt sich die Membran. Ein zugeführter Differenzdruck wird auf der Grundlage der Membranverstellung gemessen.

Ein Verfahren zum Herstellen der festen Elektroden 151 und 200 wird unter Bezugnahme auf Fig. 3 erläutert. Das Verfahren zur Herstellung dieser Elektroden ist in beiden Fällen im wesentlichen gleich, so daß hier nur das Verfahren zur Herstelluing der Elektrode 151 beschrieben wird.

In Fig. 3 wird, wie mit Fig. 3(a) gezeigt, eine leitfähige Siliciumplatte 35 rechteckiger Gestalt als erstes vorbereitet. Sodann wird, wie in Fig. 3(b) gezeigt, eine quadratisch gestaltete Isolierplatte 13 auf die leitfähige Platte 35 durch Aufschmelzen eines Glaspulvers angebracht. Anschließend wird, wie in Fig. 3(c) gezeigt, eine quadratische leitfähige Platte 14 aus Silicium auf der isolierenden Platte 13 angebracht und auf dieser durch Schmelzen eines Glaspulvers befestigt.

Anschließend wird gemäß Fig. 3(d) ein Metall, wie beispielsweise Gold oder Aluminium, auf der Unterseite der leitfähigen Platte 35 niedergeschlagen, mit Ausnahme jener Bereiche, die als die abgestuften Bereiche verwendet werden, so daß ein Film aus Gold oder Aluminium ausgebildet wird, der als Korrosionsschutz beim Ätzen dient. Sodann wird der Aufbau einem Ätzverfahren unterworfen, um die abgestuften Bereiche bis zu einer gegebenen Tiefe auszubilden. Wie in Fig. 3(e) gezeigt, wird eine ringförmige Nut 23 durch spanabtragende Ultraschallbehandlung ausgebildet. Da die Nut 23 die isolierende Platte 13 erreicht, unterteilt sie die leitfähige Platte 35 in eine leitfähige Platte 121 und einen Träger 211. Sodann wird ein Druckzuführungsloch 25 in der Struktur durch spanabhebende Ultraschallbehandlung ausgebildet, und sodann wird gemäß Fig. 3(f) die innere Oberfläche des Loches 25 mit einem leitfähigen Film 27 beschichtet, um eine feste Elektrode 151 auszubilden.

Die Kapazitäten bei der Ausführungsform des kapazitiven Druckdetektors gemäß der Erfindung wird nun erläutert. Fig. 2 zeigt eine modellhafte Darstellung der in dieser Ausführungsform gebildeten Kapazitäten. Wie man aus dieser Figur entnimmt, werden zwischen der Membran 10 und der festen Elektrode 200 fünf Kondensatoren gebildet. Bezüglich dieser Kondensatoren entspricht die Erfindung dem bekannten Detektor mit der Ausnahme, daß die Kapazität Cbb, die von der Membran 10 und der leitfähigen Platte 171 ausgebildet wird, entsprechend dem Kondensator Cb in Fig. 7, aus einer Kapazität Cb 1 zwischen dem abgestuften Abschnitt 171 a (siehe Fig. 1) und der Membran 10 und einer Kapazität Cb 3, der von der Membran 10 und der leitfähigen Platte 171 ausgebildet wird, besteht, wobei ein Spalt 30 dazwischen angeordnet ist, sowie aus einer Kapazität Cb 2, die zwischen dem abgestuften Abschnitt 171 b und der Membran 10 ausgebildet wird.

Gleiches gilt für eine Kapazität Caa, die von der Membran 10 und der leitfähigen Platte 121 ausgebildet wird. Die Kapazitäten Caa und Cbb werden mathematisch ausgedrückt durch:

Caa = Ca 1 + Ca 2 + Ca 3 (18)

Cbb = Cb 1 + Cb 2 + Cb 3 (19)

Es sei angenommen, daß eine Fläche des abgestuften Abschnitts 171 a des Umfangsrands der leitfähigen Platte 171 die Größe Sb 1 hat und die Tiefe Tb 1 beträgt, die Fläche des abgeschrägten Abschnitts 171 b des Umfangsrandes des Lochs 26 gleich Sb 2 ist und die Tiefe Tb 2 beträgt und die Fläche der leitfähigen Platte 171 gleich Sb 3 und die Breite des Spalts 30 gleich Tb ist. Es sei weiter angenommen, daß die Dielektrizitätskonstante des Materials zwischen der Membran 10 und der leitfähigen Platte 171 die Größe Eb hat. Die Kapazitäten Cb 1, Cb 2 und Cb 3 werden angegeben als:

Cb 1 = Eb · Sb 1/(Tb + Tb 1) (20)

Cb 2 = Eb · Sb 2/(Tb + Tb 2) (21)

Cb 3 = Eb · Sb 3/Tb (22)

Aus den Gleichungen (19) und (20) bis (22) erhält man:

Cbb = [Eb · Sb 1/(Tb + Tb 1)] + [Eb · Sb 2/(Tb + Tb 2)] + (Eb · Sb 3/Tb) (23)

Wenn, wie in Fig. 2 gezeigt, der Außendurchmesser der leitfähigen Platte 171 gleich D 1 ist, dann ist der Durchmesser der Platte ohne den abgestuften Abschnitt im Umfangsrand gleich D 11, der Durchmesser des abgeschrägten Abschnitts des Druckzuführungslochs 26 ist D 12 und der Durchmesser des Lochs 26 ist D 0, die Durchmesser D 1 und D 0 enthalten unvermeidbar Fertigungsfehler (50 bis 100 µm), wenn die ringförmige Nut 24 und das Druckzuführungsloch 26 durch spanabhebende Ultraschallbehandlung ausgebildet werden.

Die Durchmesser D 11 und D 12 werden durch Photoätzung oder durch einen Ätzvorgang angerissen, wie er gewöhnlich bei der Halbleiterherstellung verwendet wird. Die Herstellungsfehler können daher auf einen Bereich von einigen wenigen µm verringert werden.

Es sei der Fertigungsfehler gleich "e",

Sb 1 = π (D 1² - D 11²)/4 (24)

Sb 2 = π (D 12² - D 0²)/4 (25)

Sb 3 = π (D 11² - D 12²)/4 (26)

wobei (D 1 - D 11) < 2e und D 12 - D 0 < 2e.

Wie oben beschrieben, sind die Flächen Sb 1 und Sb 2 nicht festgelegt, weil die Durchmesser D 11 und D 12 Herstellungsfehler enthalten. Die Kapazität Cb 3 ist im wesentlichen festgelegt im Vergleich zu den Flächen Sb 1 und Sb 2, weil ein Verfahren angewendet wird, bei welchem die Durchmesser D 11 und D 12 frei von spanabhebender Bearbeitung gemacht werden. Zur Beseitigung des Einflusses durch die Kapazitäten Cb 1 und Cb 2, d. h. durch die Flächen Sb 1 und Sb 2, die aufgrund spanabhebender Bearbeitung variabel sind, lehrt die Gleichung (23), daß die Tiefen von Tb 1 und Tb 2 der abgestuften Abschnitte als sehr viel größer gewählt werden als die Spaltbreite Tb. Wenn die Tiefen Tb 1 und Tb 2 zehnmal so groß wie die Spaltbreite Tb sind, dann ist der Einfluß der Flächen Sb 1 und Sb 2 etwa ¹/₁₁. Man sieht daher, daß die Kapazitäten Cb 1 und Cb 2, die sich mit dem Fertigungsfehler ändern, sehr viel mehr verringert werden können, als die Kapazität Cb 3. Gleiches gilt für die leitfähige Platte 121.

Mit den leitfähigen Platten 121 und 171 ist es daher möglich, den Einfluß durch Bearbeitungsfehler bei der Herstellung der festen Elektroden 151 uns 200 zu minimieren. Die Kapazitäten können daher von der Membran 10 und den leitfähigen Platten 121 und 171 so gebildet werden, daß sie im wesentlichen die Bedingung Caa = Cbb erfüllen. Wenn dieses Verhältnis erfüllt ist, dann kann man die durch die Gleichung (16) angegebene Charakteristik erzielen.

Wie man aus Fig. 1 entnimmt, kann die Tiefe eines jeden abgestuften Abschnitts größer sein als der Grat oder die Spitzen, die erzeugt werden würden, wenn die ringförmigen Nuten 23 und 24 und die Druckzuführungslöcher 25 und 26 hergestellt werden. Wenn daher ein übermäßiger Druck zugeführt wird und die Membran 10 mit einer der leitfähigen Platten 121 und 171 in Berührung gelangt, dann wird die Membran 10 nicht durch Grat oder Spitzen beschädigt. Da das Ätzverfahren angewendet wird, um die abgestuften Abschnitte auszubilden, werden keine Grate oder Spitzen gebildet, was die Membran 10 gegen Verletzung schützt.

Wie man aus Fig. 1 entnehmen kann, werden die Flächen, wo die Träger 121 und 221 die Membran berühren, durch das Verfahren bestimmt, mit dem die abgestuften Abschnitte ausgebildet werden. Der bewegliche wirksame Durchmesser der Membran 10 kann durch den Durchmesser D 21 des abgestuften Abschnitts bestimmt werden (siehe Fig. 2), der gut reproduzierbar und hinsichtlich der Größe stabil ist, wenn die Tiefe eines jeden abgestuften Abschnitts größer als die Glasbefestigungsabschnitte 11 und 16 ist. Dementsprechend ist bei dem sich ergebenden kapazitiven Differenzdruckdetektor die Verstellung der Membran 10 stabil bei guter Reproduzierbarkeit.

Das Ätzverfahren, das dazu verwendet wird, die abgestuften Abschnitte in der obenbeschriebenen Ausführungsform auszubilden, kann beispielsweise durch Polieren ersetzt werden, falls erforderlich.

Es ist augenscheinlich, daß die abgeschrägten Abschnitte in dem Aufbau nach Fig. 1, die stufenartig ausgebildet sind, jede Gestalt haben könnten, solange sie konkav sind.

Eine weitere Ausführungsform eines kapazitiven Differenzdruckdetektors nach der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugsnahme auf Fig. 4 erläutert.

Gemäß Fig. 4 sind isolierende Platten 42 wie die festen Elektroden an den Umfangsrandabschnitten beider Seiten einer Membran 41 mittels Glasverbindungsabschnitten 44 und 45 angebracht. Nur die isolierende Platte 42 wird beschrieben, da die isolierenden Platten 42 und 43 gleichen Aufbau haben.

Wie dargestellt, erstreckt sich ein Druckzuführungsloch 46 durch den mittleren Abschnitt der isolierenden Platte 42. Ein planarer Abschnitt 42 c ist auf der Oberfläche der isolierenden Platte 42 ausgebildet, die der Membran 41 gegenübersteht. Eine ringförmige Nut 42 a ist um den planaren Abschnitt 42 c in der isolierenden Platte 42 ausgebildet. Ein Teil der isolierenden Platte außerhalb der ringförmigen Nut 42 a ist ein Umfangsrandabschnitt der isolierenden Platte 42. Ein abgeschrägter Teil 42 b, der stufenartig gestaltet ist, ist im Öffnungsrandabschnitt des Druckzuführungslochs ausgebildet, der dichter an der Membran 41 ist. Die Gestalt des abgeschrägten Teils 42 b ist nicht auf die stufenförmige beschränkt, sondern kann beliebig sein, solange sie nur konkav ist.

Eine leitfähige Schicht 421 ist auf den planaren Abschnitt 42 c, den abgeschrägten Teil 42 b und einen Teil der ringförmigen Nut 42 a aufgeschichtet und liegt zwischen dem Umfangsrand der isolierenden Platte 42 und dem Glasverbindungsabschnitt 44 und liegt auf der Umfangsstirnfläche der isolierenden Platte 42. Die leitfähige Schicht auf der Umfangsstirnfläche dient als Kapazitätsleitungskontakt, der mit einem Anschlußstift A verbunden ist.

In diesem Falle sind der abgeschrägte Teil 42 b und die ringförmige Nut 42 a äquivalent zu dem abgeschrägten Abschnitt 121 b und jenen 121 a und 211 a in der ersten Ausführungsform nach Fig. 1. Dementsprechend haben diese die gleichen vorteilhaften Wirkungen wie die abgeschrägten Abschnitte der ersten Ausführungsform.

Die isolierende Platte 43 ist mit einem Druckzuführungsloch 47, einem abgeschrägten Teil 43 b, einem planaren Teil 43 c, einer ringförmigen Nut 43 a und einer leitfähigen Schicht 431 versehen, entsprechend dem Druckzuführungsloch 46, dem abgeschrägten Teil 42 b, dem planaren Teil 42 c, der ringförmigen Nut 42 a und der leitfähigen Schicht 421 der isolierenden Platte 42. Spalte 48 und 49 sind jeweils zwischen einer Seite der Membran 41 und dem planaren Teil 42 c und zwischen der anderen Seite und dem planaren Teil 43 c vorhanden. Wie bei der ersten Ausführungsform wird der Differenzdruck (P 1 - P 2) auf der Grundlage der Kapazitäten zwischen den Anschlußstiften A und C bzw. B und C gemessen.

Fig. 5 zeigt eine Querschnittsdarstellung einer Differenzdruckdetektorvorrichtung nach der ersten Ausführungsform. In Fig. 5 bezeichnet das Bezugszeichen 50 den kapazitiven Differenzdruckdetektor nach Fig. 1. Der Druckdetektor 50 befindet sich in einer Kammer 52 eines tubusförmigen Elements 51 mit einem Boden und ist mit einem Metallrohr 54 über ein isolierendes Element 53 verbunden. Das Metallrohr 54 ist an einer Montageplatte 55 angeschweißt, die wiederum auf einen Öffnungsabschnitt des tubusförmigen Elements 51 geschweißt ist. Eine Kappe 56 ist weiterhin auf den Öffnungsabschnitt des tubusförmigen Elements 51 geschweißt. Die Kappe 56 hat ein Durchgangsloch 57. Eine Dichtungsmembran 58 ist auf der Kappe 56 befestigt. Eine Druckaufnahmekammer 61 ist zwischen der Dichtungsmembran und der Oberfläche der Kappe ausgebildet. Die Unterseite des tubusförmigen Elements 51 hat ein Durchgangsloch 60. Eine Dichtungsmembran 59 ist auf der Unterseite befestigt, um eine Druckaufnahmekammer 62 dazwischen auszubilden. Ein hermetischer Dichtungsabschluß 63 mit Anschlußstiften A, B und C ist in einer der Seitenwände des tubusförmigen Elements 51 angebracht.

Ein Raum, der zwischen den Dichtungsmembranen 58 und 59 vorhanden ist und der die Kammer 52, Durchgangslöcher 57 und 60 und die Druckaufnahmekammern 61 und 62 einschließt, ist mit Siliconöl gefüllt. Druck, der auf jede der Dichtungsmembranen 58 und 59 einwirkt, wird durch das Siliconöl auf die Membran übertragen.

Eine dritte Ausführungsform eines kapazitiven Differenzdruckdetektors gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen erläutert.

Fig. 9 zeigt eine Querschnittsdarstellung der Ausführungsform und Fig. 2 zeigt eine Vorderansicht mit einem Schlüsselelement der Ausführungsform. In den Fig. 9 und 10 unterscheidet sich diese Ausführungsform von dem Stand der Technik nach Fig. 6 dahingehend, daß Nuten 12 a und 17 e diametral in den Oberflächen der leitfähigen Platten 12 und 17 ausgebildet sind, die der Membran 10 gegenüberstehen. Die Nuten 12 a und 17 e erstrecken sich durch die Druckzuführungslöcher 25 und 27. Gleiche Bezugszeichen werden dazu verwendet, gleiche oder ähnliche Abschnitte von Fig. 6 zu bezeichnen.

Die Betriebsweise der dritten Ausführungsform wird unter Bezugnahme auf Fig. 12 erläutert. In der Figur ist eine Querschnittsdarstellung gezeigt, die im Detail einen Abschnitt des Druckdetektors zeigt, wo die Membran 10 bei Aufnahme eines übermäßigen Differenzdrucks sich verstellt und mit der leitfähigen Platte 12 an ihrem Umfangsabschnitt in Berührung gelangt. In der Zeichnung wird der mittlere Abschnitt der linken Seite der Membran 10 gegen und in Berührung mit der rechten Seite der leitfähigen Platte 12 gedrückt. Es ist anzumerken, daß anders als im Stand der Technik von Fig. 13 ein durch das Loch 25 zugeführter Druck auch auf die linke Seite der Membran 10 durch die Nut 12 a einwirkt. Da der Druck auf die linke Seite der Membran 10 einwirkt, kehrt bei Verminderung des übermäßigen Drucks die Membran 10 schnell in ihre Ausgangsposition zurück. Mit anderen Worten, das Ansprechverhalten der Membran 10 ist schnell.

Um die Rückkehr oder das Ansprechen der Membranverstellung zu begünstigen, ist es vorteilhaft, die Breite der Nut 12 a so weit wie möglich zu verbreitern. Wenn die Nut 12 a breit gemacht wird, dann wird die Oberflächengröße der leitfähigen Platte 12 proportional vermindert. Dementsprechend vermindert sich die Kapazität zwischen der leitfähigen Platte 12 und der Membran 10. Um diesem Rechnung zu tragen, muß ein Kompromiß zwischen dem Ansprechverhalten der Membran 10 bei ihrer Verstellung und der Kapazität eingegangen werden. Gleiches gilt für die leitfähige Platte 17.

Fig. 11 zeigt eine Vorderansicht der beiden leitfähigen Platten 12 und 17 einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform sind Nuten 12 a und 12 b jeweils diametral auf der Oberfläche der leitfähigen Platte ausgebildet, die einander kreuzen. Das Druckzuführungsloch 25 liegt an der Überschneidung der gekreuzten Nuten 12 a und 12 b. Die Nuten 17 a und 17 b und das Druckzuführungsloch 26 der leitfähigen Platte 17 sind in gleicher Weise ausgebildet und angeordnet. Mit diesen Teilen wird der zugeführte Druck verschiedene Stellen der Membran zugeführt, so daß die Rückführwirkung oder das Ansprechverhalten der Membran 10 besser als bei der vorangehenden Ausführungsform ist. Bei dieser Ausführungsform existiert der Kapazitätsnachteil wegen der gekreuzten Nuten. Aus praktischen Gründen wird daher ein Kompromiß zwischen dem Ansprechverhalten und der Kapazität bei der Gestaltung der Erfindung gemacht.

Eine Ausführungsform eines kapazitiven Differenzdruckdetektor gemäß einer vierten Ausführungsform wird unter Bezugsnahme auf die begleitenden Zeichnungen erläutert.

Fig. 15 zeigt eine Querschnittsdarstellung der Ausführungsform. Diese unterscheidet sich vom Stand der Technik nach Fig. 6 dahingehend, daß ein Substrat 80 mit einem Druckzuführungsloch 81 im mittleren Abschnitt am Umfangsrandbereich der linken Seite der leitfähigen Platte 14, die in der festen Elektrode 15 enthalten ist, durch einen Glasverbindungsabschnitt 42 befestigt ist, und daß anstelle der leitfähigen Schicht 31 eine leitfähige Schicht 34 an den Umfangsstirnflächen der leitfähigen Platte 14 und des Substrats 80 vorhanden ist. In Fig. 1 werden ansonsten gleiche Bezugszeichen verwendet, um gleiche oder äquivalente Teile von Fig. 3 zu zeigen.

Das Substrat 80 kann entweder aus isolierendem Material oder leitfähigem Material bestehen. In diesem Fall wird das gleiche leitfähige Material, wie beispielsweise Silicium, wie das der leitfähigen Platte 14 verwendet, weil es einfach zu erarbeiten ist, und um den Einfluß von Temperaturänderungen zu unterdrücken. Der Glasverbindungsabschnitt 42 kann beispielsweise aus einem Aluminium-Silicium-Eutecticum bestehen. Die Verwendung der leitfähigen Schicht 34 bringt das Substrat 80 und die leitfähige Platte 14 auf gleiches Potential.

Fig. 16 zeigt eine Querschnittsdarstellung einer Differenzdruckdetektorvorrichtung, bei der die obige Ausführungsform eingesetzt ist. In der Zeichnung unterscheidet sich die Differenzdruckdetektorvorrichtung von der nach Fig. 5 dahingehend, daß ein tubusförmiges Element 71 mit einem Boden anstelle des tubusförmigen Elementes 51 mit einem Boden verwendet wird und eine Kammer 72 die isolierende Kammer 52 ersetzt und ein Durchgangsloch 73 das Durchgangsloch 60 ersetzt. Der Unterschied entstammt der Tatsache, daß die Horizontalabmessung des kapazitiven Differenzdruckdetektors 82 länger ist als der Detektor 50, und zwar um die Länge des Substrats 80.

Die Betriebsweise der Vorrichtung wird nun unter Bezugnahme hauptsächlich auf Fig. 15 und ergänzend auf Fig. 16 erläutert.

In Fig. 15 sei angenommen, daß ein Druck P 2, der von der rechten Seite zugeführt wird, sehr viel höher als ein Druck P 1 von der linken Seite ist. Der Druck P 2 wirkt auch auf die Umfangsaußenfläche am Detektor 82, wie in Fig. 16 gezeigt. Dementsprechend wirkt der Druck P 2 auf die linke Seite des Substrats 80, während der Druck P 1 auf die rechte Seite einwirkt. Eine Differenz zwischen den zugeführten Drücken (P 2 - P 1) biegt das Substrat 80 nach rechts durch. Andererseits werden die festen Elektroden 15 und 20 nicht durchgebogen oder versetzt, weil die Drücke P 1 und P 2 auf beiden Seiten auf die festen Elektroden 15 und 20 einwirken.

Als Folge davon variieren die Kapazitäten, die von der Membran 10 und den festen Elektroden 15 und 20 gebildet werden, exakt in differentieller Weise. Dementsprechend variiert ein Differenzdrucksignal, das von dem Detektor 82 abgegeben wird, exakt proportional zur Änderung des Differenzdrucks in Überstimmung mit der Gleichung (15).

Eine fünfte Ausführungsform wird nun unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen erläutert. Fig. 17 zeigt eine Querschnittsdarstellung dieser Ausführungsform. Isolierende Platten 83 und 88, die in den festen Elektroden 85 und 86 enthalten sind, sind aus zwei Arten von Keramiken unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten hergestellt, die miteinander vermischt und gebrannt sind. Der resultierende thermische Ausdehnungskoeffizient ist annähernd gleich dem von Silicium. Andere Elemente sind im wesentlichen die gleichen wie die bereits beschriebenen, und daher werden entsprechende Bezugszeichen verwendet, um sie zu bezeichnen. Ein Mischungsverhältnis von Cordierit und Mullit wurde in verschiedener Weise geändert. Für diese verschiedenen Mischungsverhältnisse wurden Differenzwerte zwischen den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Mischkeramiken und der von Silicium gesammelt und als Kurve in Fig. 19 aufgetragen. In der Zeichnung repräsentiert die Abszisse einen Prozentsatz C von Mullit (%), und die Ordnate repräsentiert die Differenz β zwischen den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Mischkeramik und dem von Silicium. Wie man aus Fig. 19 entnehmen kann, liegt die Differenz β unter ±10^-6/°C, wenn der Prozentsatz C von Mullit 50% überschreitet.

Durch Verwendung der Gleichung (1d), wird α = 2,71 × 10^-6/°C herausgearbeitet. Unter Verwendung der Gleichung (2d) wird σ = 0,43 kg/cm^-2 herausgearbeitet. Durch Verwendung dieser Zahlen und der Gleichung (3) wird W/G herausgearbeitet. Bei 0,1 m WS Druck zum Messen einer kleinen Druckdifferenz war es 47% gegen 120°C. Diese Zahl ist etwa halb so groß wie die 82% des bekannten Detektors. Wenn in Fig. 19 der Prozentsatz C von Mullit 80% beträgt, dann ist der thermische Ausdehnungskoeffizient β nahezu Null. Der Einfluß durch Temperaturschwankungen ist weiter unterdrückt im Vergleich zum vorangehenden Fall. Das Temperaturverhalten ist dementsprechend verbessert.

Die Fig. 20 und 21 zeigen ein Membranchip, das bei einer sechsten Ausführungsform verwendet wird. Fig. 20 zeigt einen Querschnitt durch den Chip und Fig. 21 zeigt eine Draufsicht. In Fig. 20 bezeichnet das Bezugszeichen 91 ein Membranchip aus Silicium, und das Bezugszeichen 92 bezeichnet ringförmige Nuten, die in beiden Seiten des Chip ausgebildet und symmetrisch angeordnet sind. Andere Abschnitte als die Nuten 92 bezeichnen einen ringförmigen, flexiblen Abschnitt. Das Bezugszeichen 93 bezeichnet einen Verstellabschnitt, der mit der festen Elektrode zusammen einen Kondensator bildet. Dieser Abschnitt versetzt sich bei Einwirkung eines Drucks in translatorischer Weise. Das Bezugszeichen 94 bezeichnet einen Verbindungsabschnitt, der mit dem Träger (nicht dargestellt) durch Glasverbindung zu verbinden ist. Der Chip 91 hat die Größe 9 mm × 9 mm und ein Originalchip wird verwendet, der aus solchen Chips von 0,2 mm bis 3 mm Dicke in Übereinstimmung mit dem verwendeten Bereich ausgewählt ist. Die Abmessungen der Nut 92 sind wie folgt: Innendurchmesser 4,2 mm, Außendurchmesser 7,0 mm, und die Dicke liegt zwischen 30 µm bis 1,5 mm in Übereinstimmung mit dem verwendeten Bereich.

Eine Folge von Bearbeitungsschritten zur Herstellung der Membran wird nun kurz unter Bezugsnahme auf die Fig. 22(a) bis 22(g) erläutert. Ein Siliciumplättchen 101 einer notwendigen Dicke und ein Folienwiderstand werden zunächst vorbereitet (Fig. 22(a)). Schutzfilm 111 und 112, die beim Ätzvorgang verwendet werden, werden auf beiden Seiten des Siliciumplättchens durch Vakuumniederschlag oder durch Beschichtung aufgebracht (Fig. 22(b)). Die Abschnitte der Schutzfilme, in denen Nuten auszubilden sind, werden durch den Photoätzvorgang oder durch spanabhebende Bearbeitung entfernt (Fig. 22(c)). Im Falle, daß spanabhebende Bearbeitung verwendet wird, wird der Aufbau bis zu einer notwendigen Tiefe abgetragen (Fig. 22(d)). Sodann wird der Aufbau geätzt, bis er eine notwendige Dicke hat, indem naß- oder trockengeätzt wird (Fig. 22(e)). Sodann werden die Schutzfilme entfernt (Fig. 22(f)), und der Aufbau wird dann zerschnitten, um das Membranchip 91 fertigzustellen (Fig. 22(g)).

Fig. 23 zeigt eine Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform eines kapazitiven Differenzdruckdetektors, der eine so hergestellte Membran verwendet. In der Zeichnung bezeichnet das Bezugszeichen 100 eine Membran. Die übrigen Abschnitte sind die gleiche, wie in Fig. 25.

Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der Innendurchmesser der Nut 92 gleich 4,2 mm und der Außendurchmesser beträgt 7,0 mm, und das Verhältnis von Dicke der Membran 100 zu Dicke der Membran bei jeder Nut 92 beträgt 3, eine Maximalbelastung am inneren Umfangsrand der Glasverbindungsabschnitte 4 A und 5 A liegt bei etwa etwa ¹/₉ von der Belastung, die in jeder Nut 92 erzeugt wird. Ein vom Erfinder durchgeführter Versuch hat erwiesen, daß eine maximale Bruchfestigkeit von Silicium am Endabschnitt eines jeden Glasverbindungsabschnitts 4 A und 5 A etwa 10 kgf/mm² betrug, und die minimale Bruchfestigkeit der Nut 92 bei 100 kgf/mm² lag. 100 kgf/mm² ist etwa gleich der speziellen Zahl von Silicium. Dementsprechend erkennt man, daß die Bruchfestigkeit eines jeden Glasverbindungsabschnitts 4 A und 5 A auf etwa 10% der speziellen Bruchfestigkeit von Silicium reduziert ist. Man kann in Betracht ziehen, daß die Verminderung der Bruchfestigkeit auf einer Beschädigung der Siliciumplättchenfläche im vorangehenden Bearbeitungsschritt oder durch Belastungskonzentration bei der Anbringung der Glasverbindung resultiert.

Wenn, wie oben beschrieben, das Dickenverhältnis gleich 3 ist, dann ist das Verhältnis der maximalen Belastung des Endabschnitts eines jeden Glasverbindungsabschnitts 4 A und 5 A und jeder Nut 92 und die Bruchfestigkeit derselben gut ausbalanciert. Die mechanische Festigkeit von Silicium kann daher wirkungsvoll eingesetzt werden. Wenn das Dickenverhältnis weiter gesteigert wird, dann werden die Glasverbindungsabschnitte 4 A und 5 A niemals mechanisch zerstört. Es ist daher in diesem Falle lediglich notwendig, daß der Festigkeit der Nuten 92 Aufmerksamkeit geschenkt wird.

Wenn die Breite der Nuten 92 1,4 mm beträgt und das Dickenverhältnis bei dieser Ausführungsform gleich 3 ist, ist die Bewegung des mittleren Abschnitts oder des Versetzungsabschnitts der Membran 100, der den festen Elektroden 2 A und 3 A gegenübersteht, um mit diesen die Kondensatoren auszubilden, im wesentlichen translatorisch. Genauer gesagt, wenn sich die Membran 100 bei Aufnahme von Druck versetzt, dann ist die Krümmung des sich versetzenden Abschnitts 10% oder weniger als die Verstellung der Nut 92 aufgrund der Verstellung der Membran 100. Dementsprechend entspricht die Bewegung des sich versetzenden Abschnitts einer translatorischen Bewegung. Je breiter die Breite der Nut 92 ist, und je größer das Dickenverhältnis ist, umso größer ist dieser Effekt.

Der sich versetzende Abschnitt ist durch die Nut 92 begrenzt. Wenn die Nut 92 nach einem präzisen Verfahren hergestellt ist, wie beispielsweise durch Ätzen, dann kann die Fläche des sich versetzenden Abschnitts genau gestaltet werden. Dementsprechend sind die Kondensatoren, die auf der Grundlage der genau definierten, sich versetzenden Abschnitte gebildet werden, in ihren Kapazitätswerten gleichförmig, was die Genauigkeit des Differenzdruckdetektors verbessert.

Da ein genaues Verfahren, wie beispielsweise ein Photoätzverfahren, zum Ausbilden der Nuten 92 herangezogen werden kann, haben diese eine hervorragende Gestalt, Größe, axiale Ausrichtung und Symmetrie zu beiden Seiten der Membran und dgl. Dementsprechend ist die Positionsgenauigkeit der Membranträger, die bei der planaren Membran unvermeidbar gering war, und dies trägt zur Verbesserung der Meßgenauigkeit des Detektors bei.

Es sei ein Fall betrachtet, daß ein quadratischer Chip von 9 mm Kantenlänge für den Detektor in der obigen Ausführungsform verwendet wird. Bei einem niedrigen Druck oder einem Differenzdruckbereich von 4,0 m WS oder weniger ist die Dicke der Membran, wenn sie planar ist, 100 µm oder weniger. Eine Membran solcher Dicke ist schwierig zu bearbeiten und auch schwierig zu handhaben. Wenn andererseits die Membran nach der vorliegenden Ausführungsform verwendet wird, beträgt ihre Dicke wenigstens 200 µm, was sehr viel einfacher zu handhaben ist. Dieses Merkmal trägt wesentlich zur Größenverringerung des Detektors bei.

Bei der obigen Ausführungsform ist die Bodenfläche jener Nut 92 planar. Es ist jedoch augenscheinlich, daß jede andere Gestalt ebenfalls in Betracht gezogen werden kann, sofern dieser Abschnitt wenigstens teilweise dünn ist.

Fig. 24 zeigt eine Querschnittsdarstellung einer weiteren Ausführungsform eines kapazitiven Differenzdruckdetektors, der eine solche Membran verwendet. Diese Ausführungsform verbessert die Linearität des Detektorsignals. Eine Schlüsselposition der Struktur dieser Ausführungsform wird nun erläutert. Eine Membran 100 ein Paar fester Elektroden 15 und 20 werden, wie bei der vorangehenden Ausführungsform, verwendet. Eine Seite der Membran 100 steht einer leitfähigen Platte 12 der festen Elektrode 15 unter Ausbildung eines Spaltes 29 gegenüber. Die andere Seite der Membran 100 steht einer leitfähigen Platte 17 der festen Elektrode 20 unter Ausbildung eines Spaltes 3 gegenüber. Ein Träger 21, der mit einer isolierenden Platte 13 verbunden ist und die leitfähige Platte 12 umgibt, ist an einer Seite der Membran 100 befestigt. Ein Träger 22, der an einer isolierenden Platte 18 befestigt ist und die leitfähige Platte 17 umgibt, ist an der anderen Seite der Membran 100 befestigt. Die Bezugszeichen 25 und 26 bezeichnen Löcher zum Zuführen von Drücken P 1 und P 2 zur Membran. Die Innenflächen der Druckzuführungslöcher sind mit leitfähigen Filmen 17 und 28 bedeckt. Diese leitfähigen Filme verbinden die leitfähigen Platten 12 und 17 mit den leitfähigen Platten 14 bzw. 19.

Diese Ausführungsform, die diese Membran 100 verwendet, ist dahingehend vorteilhaft, daß die Träger 21 und 22 von den festen Elektroden 15 und 20 isoliert sind und die Kapazitäten Csa und Csb in der Äquivalentschaltung nach Fig. 26 bemerkenswert vermindert sind, was die Meßgenauigkeit erheblich steigert. Die übrigen Teile der Ausführungsform sind mit denen der vorangehenden Ausführungsform vergleichbar.

Die ersten und zweiten Ausführungsformen sind gegenüber dem Stand der Technik in folgenden Punkten besser:

• (1) Die Linearität des Detektorsignals ist gut. Die Reproduzierbarkeit der Meßgenauigkeit ist exzellent. Mit anderen Worten, die Meßwerte sind gleichförmig.
• (2) Wenn ein übermäßiger Druck zugeführt wird und die Membran mit den festen Elektroden in Berührung gelangt, wird sie davon nicht beschädigt.
• (3) In Verbindung mit Punkt (1) ist die Herstellungsausbeute des Detektors hoch und daher ist eine entsprechende Liefergarantie möglich.

Wenn bei der dritten Ausführungsform eine Seite der Membran teilweise gegen die Oberfläche der festen Elektrode durch übermäßige Druckdifferenz gedrückt wird, dann wirkt ein in die Elektrode zugeführter Druck durch die Nuten, die das Druckzuführungsloch schneiden, auf die Membranfläche. Diese Druckwirkung auf die Membranfläche begünstigt deren Rückkehr in die Ruhelage bzw. das Ansprechverhalten, wenn der Druck abgebaut wird. Die hierfür zu treffenden Maßnahmen sind einfach und können daher technisch schnell realisiert werden.

Bei der vierten Ausführungsform wird das Substrat in Übereinstimmung mit einer beiden Seiten des Substrats zugeführten Druckdifferenz verstellt. Die den beiden Seiten zugeführten Drücke sind daher jeweils gleich. Die festen Elektroden werden daher nicht aufgrund einer Dr 01954 00070 552 001000280000000200012000285910184300040 0002004011734 00004 01835uckdifferenz versetzt. Bei eine solchen Anordnung ändern sich die Kapazitäten der Kondensatoren, die von der Membran und den festen Elektroden gebildet werden, exakt in differentieller Weise. Der Druckdetektor der dritten Ausführungsform der Erfindung kann einfach hergestellt werden.

Gemäß der vierten Ausführungsform der Erfindung ist die Linearität des Detektorsignals gegenüber dem Differenzdruck gut, selbst wenn die Druckdifferenz groß ist. Weiterhin ist der Aufbau einfach. Er kann billig und leicht hergestellt werden.

Bei der fünften Ausführungsform bestehen die Membran, die ersten und zweiten leitfähigen Platten der festen Elektroden, die zu beiden Seiten der Membran angeordnet sind, und die zwischen ihnen befindlichen isolierenden Platten aus Materialien gleicher oder nahezu gleicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten. Dementsprechend entwickeln sich keine radialen Belastungen in der Membran, wenn die Umgebungstemperatur schwankt. Dementsprechend tritt keine Verstellung aufgrund solcher Belastungen auf. Die Meßbereichscharakteristik und die Linearität des Signals bleiben daher gut.

Gemäß der fünften Ausführungsform ist der Einfluß der Umgebungstemperatur auf die Meßbereichscharakteristik und die Linearität minimiert. Das Temperaturverhalten des Detektors ist daher verbessert.

Die sechste Ausführungsform ist dahingehend gegenüber dem Stand der Technik vorteilhaft, daß:

• (1) die in der Membran erzeugten Belastungen herabgesetzt sind, was die Möglichkeit einer mechanischen Beschädigung vermindert,
• (2) genaue und gleichförmige Meßwerte erhalten werden,
• (3) die Handhabung und der Zusammenbau der Membran einfach sind, und
• (4) die Größe und das Gewicht des Detektors vermindert sind.

Claims (17)

1. Kapazitiver Differenzdruckdetektor, enthaltend:
eine Membran mit entgegengesetzten, sich radial erstreckenden Flächen; und
ein Paar fester Elektroden, jeweils enthaltend:
wenigstens eine Platte mit einer sich radial erstreckenden Oberfläche, die der sich radial erstreckenden Oberfläche der Membran gegenübersteht, wobei jede der genannten Platten ein zentral angeordnetes Druckzuführungsloch hat, das mit dem inneren Stirnrand der Membran in Verbindung ist,
einen ringförmigen Träger, der zwischen den sich radial erstreckenden Oberflächen der Platte und der Membran benachbart dem äußeren Umfangsabschnitt der Platte angeordnet ist und Platte und Membran verbindet,
wobei eine der sich gegenüberstehenden, radial erstreckenden Flächen einen darin ausgebildeten, zurückgesetzten Abschnitt ausgewählter Breite und Gestalt aufweist.

2. Druckdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der festen Elektroden enthält:
eine weitere Platte mit einer sich radial erstreckenden Oberfläche und einer äußeren Umfangsfläche;
eine isolierende Platte mit einer sich radial erstreckenden Oberfläche der genannten wenigstens einen Platte und der genannten anderen Platte angeordnet ist und mit diesen verbunden ist.

3. Druckdetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Platten aus elektrisch leitfähigem Material bestehen.

4. Druckdetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Platten und die isolierende Platte im wesentlichen übereinstimmende thermische Ausdehnungskoeffizienten haben.

5. Druckdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zurückgesetzte Abschnitt auf der gegenüberliegenden, sich radial erstreckenden Oberfläche der genannten wenigstens einen Platte ausgebildet ist und wenigstens eine sich radial erstreckende Nut aufweist, die den inneren Stirnrand des Druckzuführungsloches schneidet.

6. Druckdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Nuten vorhanden sind, die den genannten Rand des Druckzuführungslochs und einander schneiden.

7. Druckdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Platte und der ringförmige Träger aus einem isolierenden Material bestehen, das die Platte von der Membran elektrisch isoliert, und daß der zurückgesetzte Abschnitt eine ringförmige Vertiefung in der gegenüberliegenden Fläche der genannten wenigstens einen Platte aufweist, die den inneren Rand des Druckzuführungslochs umgibt, und weiterhin eine ringförmige Nut enthält, die in der gegenüberliegenden Fläche der genannten wenigstens einen Platte in radialem Abstand zu der ringförmigen Vertiefung ausgebildet ist, wobei die ringförmige Nut und die Vertiefung einen ringförmigen Mittenabschnitt der genannten wenigstens einen Platte ausbilden und wobei die feste Elektrode weiterhin einen leitfähigen Film aufweist, der auf dem ringförmigen Mittenabschnitt der genannten wenigstens einen Platte ausgebildet ist.

8. Druckdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zurückgesetzte Abschnitt eine ringförmige Nut gegenüber den sich radial erstreckenden Oberflächen der Membran aufweist, wobei die Nut einen zentralen flexiblen Abschnitt definiert.

9. Kapazitiver Differenzdruckdetektor, enthaltend:
eine Membran mit entgegengesetzten Seitenflächen;
feste Elektroden, die benachbart jeder der entgegengesetzten Seitenflächen der Membran angeordnet sind und die jeweils enthalten:
eine erste Platte benachbart einem zentralen Abschnitt einer der entgegengesetzten Seitenflächen der Membran;
einen ringförmigen Träger, der an einem Umfangsrandabschnitt der Membran befestigt ist und der getrennt von und um eine Umfangsstirnfläche der ersten Platte angeordnet ist;
eine isolierende Platte, die über einer Oberfläche des ringförmigen Trägers und einer Oberfläche der ersten Platte gegenüber einer Oberfläche, die der Membran gegenübersteht, angebracht ist;
eine zweite Platte, die auf der isolierenden Platte auf einer Oberfläche gegenüber der ersten Platte angebracht ist und die elektrisch mit der ersten Platte verbunden ist; und
wobei ein Druckzuführungsloch durch die mittleren Abschnitte der ersten und zweiten Platten und der isolierenden Platte verläuft, und
ein Randabschnitt der Öffnung des Druckzuführungsloches nahe der Membran, ein äußerer Umfangsrandabschnitt der ersten Platte, der näher an der Membran liegt, und ein innerer Umfangsrandabschnitt des Trägers, der näher an der Membran liegt, sämtlich so ausgebildet sind, daß sie abgestufte Abschnitte sind.

10. Druckdetektor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Platten leitfähig sind.

11. Kapazitiver Differenzdruckdetektor, enthaltend:
eine Membran mit entgegengesetzten Seitenflächen;
feste Elektroden, die benachbart jeder der Seitenflächen der Membran angeordnet sind und die jeweils enthalten:
ein Druckzuführungsloch, das durch den mittleren Abschnitt derselben verläuft;
einen abgestuften Abschnitt, der in einem Randabschnitt einer Öffnung des Druckzuführungsloches, der näher an der Membran liegt, ausgebildet ist;
einen ringförmigen, mittleren planaren Abschnitt, der aus einem isolierenden Material besteht und radial außerhalb und anschließend an den abgestuften Abschnitt angeordnet ist und parallel zu und dicht zur Fläche der Membran verläuft;
eine ringförmige Nut radial außerhalb des mittleren planaren Abschnitts und an diesen anschließend;
einen leitfähigen Film, der wenigstens auf dem mittleren planaren Abschnitt ausgebildet ist und als Kondensatoranschluß dient; und
einen ringförmigen Träger aus einem isolierenden Material, der an der Membran elektrisch isoliert an einem Umfangsabschnitt radial außerhalb der ringförmigen Nut befestigt ist.

12. Kapazitiver Differenzdruckdetektor, enthaltend:
eine Membran mit entgegengesetzten Seitenflächen;
feste Elektroden, die benachbart jeder der Seitenflächen der Membran angeordnet sind und die jeweils enthalten:
ein Druckzuführungsloch, das durch den mittleren Abschnitt derselben verläuft;
wobei jede der festen Elektroden wenigstens eine Nut aufweist, die auf einer Oberfläche ausgebildet ist, die näher an der Membran liegt, welche Nut das Druckzuführungsloch schneidet.

13. Druckdetektor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Nuten auf einer Oberfläche einer jeden der festen Elektroden ausgebildet ist, die näher an der Membran liegt, wobei jede der Nuten das Druckzuführungsloch schneidet.

14. Kapazitiver Differenzdruckdetektor zum Messen eines Drucks auf der Basis von Kapazitäten von Kondensatoren, die zwischen einer Membran, die in Abhängigkeit von dem Druck verstellt wird, und jeder von ersten und zweiten festen Elektroden ausgebildet werden, wobei Druckzuführungslöcher zu beiden Seiten der Membran vorgesehen sind, enthaltend ein Substrat mit einem Druckzuführungsloch in einem vorbestimmten Abstand von der genannten ersten festen Elektrode, das jedoch an dem Umfangsrandabschnitt mit der Außenfläche der genannten ersten festen Elektrode verbunden ist, wodurch ein Druck, der von der zweiten festen Elektrode zugeführt ist, auch auf eine Oberfläche des Substrats einwirkt, die der ersten festen Elektrode entgegengesetzt ist.

15. Kapazitiver Differenzdruckdetektor zum Messen eines Drucks auf der Grundlage von Kapazitäten, enthaltend:
eine Membran mit entgegengesetzten Seitenflächen;
feste Elektroden, die benachbart jeder der Seitenflächen der Membran angeordnet sind und die jeweils enthalten:
eine erste Platte benachbart einem mittleren Abschnitt einer der Seitenflächen der Membran, welche erste Platte einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der im wesentlichen gleich dem der Membran ist;
einen ringförmigen Träger, der an einem Umfangsrandabschnitt der Membran befestigt und getrennt von und um eine Umfangsstirnfläche der ersten Platte angeordnet ist;
eine isolierende Platte, die über einer Oberfläche des ringförmigen Trägers und über einer Oberfläche der ersten Platte gegenüber einer Fläche, die der Membran gegenübersteht, befestigt ist, welche isolierende Platte einen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, der im wesentlichen gleich dem der ersten leitfähigen Platte ist; und
eine zweite Platte, die auf der isolierenden Platte auf einer Oberfläche entgegengesetzt zur ersten Platte befestigt ist und die elektrisch mit der ersten Platte verbunden ist.

16. Kapazitiver Differenzdruckdetektor zum Messen eines Drucks auf der Grundlage von Kapazitäten von Kondensatoren, die zwischen einer in Abhängigkeit von dem Druck verstellten Membran und jeder von ersten und zweiten festen Elektroden ausgebildet werden, wobei Druckzuführungslöcher zu beiden Seiten der Membran angeordnet sind, wobei die Membran einen Teil enthält, der im mittleren Abschnitt derselben angeordnet ist, welcher Teil sich hauptsächlich in Abhängigkeit von dem Druck verstellt, wobei ein Verbindungsteil im Umfangsrandabschnitt desselben angeordnet ist und der Verbindungsteil an jeder der festen Elektroden elektrisch isoliert befestigt ist und einen ringförmigen flexiblen Teil, dessen Breite zwischen ½ und ¹/₅ des Durchmessers des sich verstellenden Teils ist und dessen Dicke ½ oder weniger von der des sich verstellenden Teils ist, welches flexible Teil den sich verstellenden Teil mit dem Verbindungsteil koppelt.

17. Druckdetektor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß er weiterhin ringförmige Nuten aufweist, die in jeder der festen Elektroden ausgebildet sind und die in Korrespondenz mit dem flexiblen Teil ausgebildet sind.