DE4011734C2

DE4011734C2 - Kapazitiver Differenzdruckdetektor

Info

Publication number: DE4011734C2
Application number: DE4011734A
Authority: DE
Inventors: Mitsuru Tamai; Tadanori Yuhara; Kimihiro Nakamura; Kazuaki Kitamura; Toshiyuki Takano; Teizo Takahama; Mikihiko Matsuda; Shinichi Souma
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1989-04-14
Filing date: 1990-04-11
Publication date: 1993-12-02
Anticipated expiration: 2010-04-12
Also published as: GB2231159B; GB2231159A; KR900016743A; BR9001722A; DE4042411C2; GB9008565D0; DE4011734A1; KR940001481B1; DE4042410C2; JP2639159B2; US5056369A; JPH03175329A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen kapazitiven Differenzdruckdetektor der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art.

Fig. 5 der Zeichnungen zeigt einen Querschnitt durch den Aufbau eines üblichen aus der DE-OS 38 27 138 bekannten 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. 5 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. 6 zeigt ein Aufbaumodell der Kondensatoren, die zwischen der Membran 10 und der festen Elektrode 20 des bekannten kapazitiven Differenzdruckdetektors nach Fig. 5 ausgebildet werden. Wie man aus Fig. 6 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 Dielektrizitätskonstanten im Spalt 24 ab. Die Kapazität Csb 2 hängt von der Dielektrizitätskonstanten der isolierenden Platte 18 ab. Die Membran 10 und der Träger 22 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, Csa 1 und Csa 2 bezeichnet. Diese Kapazitäten im Drucksensor nach Fig. 5 können in äquivalenter Weise wie in Fig. 7(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. 5 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. 7(a) gezeigte Schaltung auf die in Fig. 7(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. 5 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 = E · 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. 5, 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 aufrechtzuerhalten, 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. 5 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 Membranverstellung 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. 5 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 2 - 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.

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 poliert. 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.

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. 4 durch den bekannten Detektor nach Fig. 5 ersetzt. In Fig. 4 ist die feste Elektrode, die mit keinem Bezugszeichen auf der linken Seite bezeichnet ist (entsprechend der festen Elektrode 15 in Fig. 5) 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. 4 wird nachfolgend im Detail in Verbindung mit einer Ausführungsform der 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 2e = 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 Umgebungstemperaturänderungen und die Verstellung der Membran aufgrund dieser Belastungen wird im Detail erläutert.

Im Fall gemäß Fig. 5 ist der zusammengesetzte thermische Ausdehnungskoeffizient der festen Elektroden 15 und 20 gleich:

α = 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 2 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 · Dα · DT/(1 - ν) (2d)

wobei E und ν der Youngmodul bzw. das Poisson-Verhältnis sind,
Dα = 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 σ einer hohen Empfindlichkeit der Differenzdruckmessung entgegensteht.

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 Terme höherer Ordnung. Diese Tatsache macht es schwierig, solche Terme 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 des niedrigen Drucks und niedrigen Differenzdrucks ist dieses Problem vorhanden.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Differenzdruckdetektor der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß er eine genaue Elektrodenbearbeitung im Sinne einer Linearisierung des Druckdifferenzsignals ermöglicht.

Bei einem Differenzdruckdetektor der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art ist diese Aufgabe durch das im kennzeichnenden Teil angegebenen Merkmal gelöst.

Der erfindungsgemäße Druckdetektor zeichnet sich dadurch aus, daß jede ringförmige Nut mit Hilfe einer Abstufung zur Membran hin erweitert ist. Die Abstufungen, die im äußeren Umfangsrandabschnitt der der Membran zugewandten Oberfläche der jeweils einen leitfähigen Schicht jeder Elektrode vorgesehen sind, bestimmen genau die Flächen der Membran und dieser einen leitfähigen Schicht, die einander gegenüberliegen. Auf diese Weise kann die Oberfläche dieser leitfähigen Schicht sehr genau bearbeitet werden. Wenn bei der Zuführung eines übermäßigen Druckes an den Differenzdruckdetektor die Membran mit dieser leitfähigen Schicht der Elektrode in Berührung gelangt, wird trotzdem eine Beschädigung der Membran verhindert. Abstufungen, die im inneren Umfangsrandabschnitt des Trägers nahe der Membran ausgebildet sind, bestimmen exakt den beweglichen wirksamen Durchmesser. Die Abstufungen, die im äußeren Umfangsrandabschnitt der leitfähigen Schicht der Elektrode und gemäß einer Weiterbildung im Randabschnitt der Öffnung des Druckzuführungslochs vorgesehen sein können, bestimmen exakt die Flächen der Membran und der zugeordneten leitfähigen Schicht, die der Membran zugewandt ist.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt der Ausführungsform der Erfindung;

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

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

Fig. 4 einen Querschnitt eines Druckdetektorgerätes, das die Ausführungsform der Erfindung enthält;

Fig. 5 einen Querschnitt durch den bekannten bereits abgehandelten Differenzdruckdetektor;

Fig. 6 eine Modelldarstellung des Aufbaus, der die Kondensatoren bei der bekannten Anordnung bildet;

Fig. 7 eine Äquivalenzschaltung der Kondensatoren in der bekannten Anordnung, wobei die Fig. 7(a) eine Äquivalenzschaltung vor der Anordnung und Fig. 7(b) eine Äquivalenzschaltung nach der Anordnung zeigt.

Wie in Fig. 1 gezeigt, sind leitfähige Schichten oder 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 121a gegebener Breite und Tiefe, der im Umfangsrand derjenigen Oberfläche der leitfähigen Platte 121 ausgebildete ist, die näher der Membran 10 ist. Ein abgeschrägter Abschnitt 121b ist im Randbereich eines Druckzuführungslochs der festen Elektrode 151 ausgebildet. In gleicher Weise hat die leitfähige Platte 171 einen abgestuften Abschnitt 171a, und das Druckzuführungsloch hat einen abgeschrägten Abschnitt 171b, entsprechend dem abgestuften Abschnitt 121a und dem abgeschrägten Abschnitt 121b 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 211a 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 221a gegebener Breite und Tiefe, der in dem inneren Umfangsrand ausgebildet ist, der der Membran 10 und der leitfähigen Platte 171 gegenübersteht.

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 Herstellung 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 spanabhebende 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 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 das gezeigte Ausführungsbeispiel dem bekannten Detektor mit der Ausnahme, daß die als Cbb bezeichenbare Kapazität, die von der Membran 10 und der leitfähigen Platte 171 ausgebildet wird, entsprechend dem Kondensator Cb in Fig. 6, aus einer Kapazität Cb 1 zwischen dem abgestuften Abschnitt 171a (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 171b und der Membran 10 ausgebildet wird.

Gleiches gilt für die als Caa bezeichenbare Kapazität, 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 171a des Umfangsrands der leitfähigen Platte 171 die Größe Sb 1 hat und die Tiefe Tb 1 beträgt, die Fläche des abgeschrägten Abschnitts 171b 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 und 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.

Claims

1. Kapazitiver Differenzdruckdetektor mit einer Membran (10), die mittels eines ringförmigen Trägers (211) zwischen zwei plattenartigen Elektroden (151, 200) derart eingespannt ist, daß eine Seite der einen Elektrode (151) und eine Seite der Membran (10) einen ersten Raum und eine Seite der anderen Elektrode (200) und die andere Seite der Membran einen zweiten Raum festlegen und jeder Raum über je ein zentrisches Druckzuführungsloch (25, 26) in der zugehörigen Elektrode (151, 200) mit einem den Differenzdruck definierenden Druck beaufschlagbar ist, so daß die Membran (10) unter Einwirkung dieses Differenzdrucks gegenüber den Elektroden (151, 200) auslenkbar ist und gemeinsam mit diesem differenzdruckabhängige Kapazitäten bildet, wobei jede Elektrode (151, 200) zwei leitfähige Schichten (121, 171, 14, 19), zwischen denen eine Isolierschicht (13) angeordnet ist, und auf der der Membran (10) zugekehrten Seite eine konzentrisch zum Druckzuführungsloch (25, 26) verlaufende, ringförmige Nut (23), die bis zur Isolierschicht (13) reicht und deren radial äußerer Teil den radial inneren Teil des Trägers (211) bildet, aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß jede ringförmige Nut (23; 24) auf ihrer der Membran (10) zugewandten Seite eine Abstufung (211a, 212a) derart aufweist, daß sich die Nut zur Membran hin erweitert.

2. Differenzdruckdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähigen Schichten (121, 171, 14, 19) und die Isolierschicht (13, 18) im wesentlichen übereinstimmende thermische Ausdehnungskoeffizienten haben.

3. Differenzdruckdetektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die der Membran (10) zugekehrte leitfähige Schicht (121, 171) wenigstens eine weitere, sich radial erstreckende Nut (121b, 171b) aufweist, die den inneren Endrand des Druckzuführungsloches (25, 26) schneidet.

4. Differenzdruckdetektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede ringförmige Nut (23, 24) auf ihrer der Membran (10) zugekehrten Seite im radialen Abstand von der Abstufung (211a, 221a) eine weitere Abstufung (121a, 171a) aufweist.