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Allgemeiner
Stand der Technik
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Diese
Erfindung betrifft Drucksensoren zum Erfassen des Drucks eines Fluids
(Flüssigkeit
oder Gas) mit einem variablen Kondensator.
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Eine
bekannte Drucksensorart verwendet einen variablen Kondensator, um
den Druck eines aufgenommenen Fluids (Flüssigkeit oder Gas) zu erfassen.
Solche Sensoren, wie ein BARATRON® Absolute
Pressure Transmitters (BARATRON ist ein eingetragenes Warenzeichen
von MKS Instruments, Inc. of Andover, Massachusetts) werden oft
bei industriellen Anwendungen, z. B. um den Druck von Fluida in
einer Halbleiterbearbeitungsanlage zu messen, verwendet.
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Eine
bekannte Konstruktion für
einen solchen Sensor hat ein Gehäuse,
das eine Innenkammer und einen Einlass zum Aufnehmen eines Fluids definiert,
dessen Druck erfasst werden soll. Eine erste leitende Elektrode
und eine zweite leitende Elektrode sind im Allgemeinen parallel
in dem Gehäuse angebracht
und sind durch einen kleinen Spalt voneinander beabstandet, um einen
parallelen Plattenkondensator zu bilden. Die erste Elektrode ist
in Bezug auf das Gehäuse
befestigt, während
die zweite Elektrode in Bezug auf die erste Elektrode in Reaktion
auf das aufgenommene Fluid beweglich ist. In einer Ausführungsform
wird die erste Elektrode mit Dickfilm-Ablagerungstechniken auf einer
keramischen Tragscheibe ausgebildet, wobei die zweite Elektrode
eine Membrane ist, die typischerweise aus einem Metall wie etwa
aus einer Legierung aus Nickel, Chrom und Eisen hergestellt wird,
die unter dem Namen INCONEL® (ein eingetragenes Warenzeichen
von Inco Alloy International of Huntington, West Virginia) verkauft
wird.
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Die
bewegliche zweite Elektrode wird typischerweise an ihrem Umfang
festgemacht und erstreckt sich über
die Breite des Sensors, um in dem Innenraum eine erste Kammer und
eine zweite Kammer zu definieren. Die erste Kammer hat einen Bezugseinlass,
durch den ein bekannter Bezugsdruck, z. B. Druck Null, hergestellt
werden kann. Die zweite Kammer hat einen Einlass zum Aufnehmen des
zu erfassenden Fluids, was bewirkt, dass sich ein Mittelabschnitt
der Membrane in Reaktion auf Änderungen beim
Druck des Fluids biegt. Diese Biegebewegung bewirkt, dass sich der
Spalt zwischen den Elektroden ändert.
Der ersten Elektrode wird ein elektrisches Signal zugeführt (die
bewegliche zweite Elektrode ist typischerweise geerdet), so dass
die Kapazitätsänderung
zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode erfasst
und auf den Druck des aufgenommenen Fluids bezogen werden kann.
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Damit
der Druck sinnvoll und auf eine Weise, die genau gelöst werden
kann, erfasst werden kann, muss die Membrane groß genug sein, dass sie sich ausreichend
biegen kann, so dass die Änderung
des Spalts und daher die Kapazitätsänderung
mit einer ausreichenden Auflösung
erfasst werden können. Während die
Membrane immer kleiner ausgeführt wird,
muss der Spalt zwischen den Elektroden kleiner ausgeführt werden.
In mathematischer Hinsicht ist es wohlbekannt, dass bei einem parallelen
Plattenkondensator C = eA/d ist, wobei C die Kapazität ist, e eine
Konstante ist, die auf dem Material zwischen den Platten (e = 1
für Vakuum)
basiert, wobei A die gemeinsame Plattenfläche ist und d der Spalt ist. Dies
bedeutet, dass die Kapazitätsänderung
in Bezug auf eine Änderung
des Spalts dC/dd = –eAd–2 ist. Wie
diese Gleichung zeigt, ist es umso schwieriger, genaue Änderungen
bei dC/dd zu erfassen, je kleiner A ist. Folglich muss es bei einer
kleinen gemeinsamen Fläche
einen sehr kleinen Spalt geben, um ein genaues Erfassen zu ermöglichen.
In diesem Fall ist es jedoch sehr wichtig, den Spalt auf eine genaue und
wiederholbare Art zu steuern, wobei aber eine solche Steuerung bei
einem kleinen Spalt schwierig ist.
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Während es
dementsprechend wünschenswert
wäre, in
der Lage zu sein, solche Sensoren kleiner zu gestalten, um den Raum
und die Kosten zu verringern, kann es schwierig sein, den Spalt
auf eine genaue und wiederholbare Art zu steuern.
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Das
US-Patent Nr. 5.351.548 offenbart in 10 einen
kapazitiven Druckwandler einschließlich zweier Leiter und eines
Schutzrings, die auf einer ebenen dielektrischen Schicht angeordnet
sind, und einer Membrane, wobei eine Distanzscheibe zwischen der
Membrane und dem Schutzring angeordnet ist.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Gemäß der betreffenden
Erfindung wird ein Drucksensor geschaffen, umfassend: eine Elektrodenbaugruppe
einschließlich
eines ersten Leiters, eines zweiten Leiters und eines äußeren Gehäuses, wobei
eine untere Oberfläche
des ersten Leiters mit einer unteren Oberfläche des zweiten Leiters und
mit einer unteren Oberfläche
des äußeren Gehäuses im Wesentlichen
in derselben Ebene liegt; eine flexible leitende Membrane, wobei
die Membrane und der erste Leiter einen Kondensator bilden, wobei
eine Kapazität
des Kondensators von einem Abstand zwischen der Membrane und dem
ersten Leiter abhängig
ist; und eine Distanzscheibe, die zwischen der unteren Oberfläche des äußeren Gehäuses und
der Membrane angeordnet ist; dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenbaugruppe
ferner ein erstes dielektrisches Element, das den ersten Leiter
umgibt und die erste Elektrode sowie die zweite Elektrode elektrisch
voneinander isoliert hält,
und ein zweites dielektrisches Element, das die zweite Elektrode
umgibt und die zweite Elektrode sowie das äußere Gehäuse elektrisch voneinander
isoliert hält,
enthält; wobei
die zweite Elektrode das erste dielektrische Element umgibt und
das äußere Gehäuse das
zweite dielektrische Element umgibt; und wobei die Elektrodenbaugruppe
obere Oberflächen
der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode aufweist, wobei die oberen
Oberflächen
von der Elektrodenbaugruppe nach außen frei liegen.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 ist eine Schnittansicht
eines Abschnitts eines Drucksensors, der hierin als Hintergrund
beschrieben ist, um das Verstehen der Erfindung zu unterstützen;
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2 und 3 sind eine ausführlichere Schnittansicht und
eine ausführlichere
Draufsicht der Elektroden in dem Sensor aus 1;
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4 ist eine Schnittansicht
eines Drucksensors gemäß einer
Ausführungsform
der betreffenden Erfindung; und
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5 ist eine Schnittansicht,
die eine Abänderungsform
der Drucksensoren zeigt.
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Ausführliche
Beschreibung
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In 1 nimmt ein kapazitiver
Drucksensor 10 ein Fluid (Flüssigkeit oder Gas) auf, dessen
Druck erfasst wird. Der Sensor 10 weist ein Gehäuse auf, das
eine obere Abdeckung 12, eine untere Abdeckung 14 und
eine umgekehrte becherförmige
Membrane 16 zwischen den Abdeckungen 12, 14 enthält. Die
Abdeckungen 12, 14 und ein Seitenwandabschnitt 15 der
Membrane 16 sind mit Schweißstellen 18, 20 zusammengeschweißt, um ein Gehäuse zu schaffen.
Die Membrane 16 weist einen ersten, vorzugsweise runden
Abschnitt 17 auf, der sich entlang einer ersten Ebene erstreckt,
der typischerweise flach und senkrecht zu der Richtung ist, entlang
der das Fluid durch den Sensor 10 aufgenommen wird.
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Die
Membrane 16 definiert an den Gegenseiten der Membrane 16 zwei
Kammern in dem Gehäuse,
eine Bezugsdruckkammer 23 und eine Kammer mit unbekanntem
Druck 25, in der ein unbekannter Druck des Fluids erfasst
werden soll. Wie im Allgemeinen bekannt ist, ermöglicht ein Einlass zur Bezugskammer 23,
dass ein Bezugsdruck eingestellt wird; während ein Einlass zu der Kammer
mit unbekanntem Druck 25 zum Aufnehmen des Fluids verwendet
wird, dessen Druck erfasst werden soll.
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Der
Sensor 10 weist auch eine Elektrodenbaugruppe 22 auf,
die in Bezug auf das Gehäuse
befestigt ist und vorzugsweise geformt oder eine kreisförmige dielektrische
Scheibe ist, die vorzugsweise aus einer Keramik wie etwa aus Aluminiumoxid
hergestellt ist. Die Scheibe weist einen Abschnitt mit größerem Durchmesser 24 und
einen Abschnitt mit kleinem Durchmesser 26 auf, die zusammen
eine ringförmige
Stufe mit einem vorspringenden Rand 30 definieren. Der
Abschnitt mit größerem Durchmesser 24 weist
eine Fläche 32 auf,
die der Membrane 16 gegenüberliegt.
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Auch
anhand der 2 und 3 ist ersichtlich, dass zwei
leitende Elektroden, eine äußere Elektrode 54 und
eine innere Elektrode 56, die vorzugsweise mit Dickfilmtechniken
(wie etwa der Ablagerung durch eine Schablone oder eine Maske) gebildet
werden, auf der Oberfläche 32 ausgebildet
sind. Die Elektroden 54, 56 und der Elektrodenabschnitt 17 der Membrane 16 sind
parallel ausgerichtet, so dass sie zwei variable Kondensatoren mit
einem Nennspalt, der eine Größe d aufweist,
definieren.
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Die
Elektrodenbaugruppe 22 weist (nicht gezeigte) Öffnungen
auf, durch die sich Metallkontakte wie etwa galvanisierte Durchgangslöcher mit
Kontaktelektroden 54, 56 erstrecken, um diese
Elektroden somit zu einer (nicht gezeigten) Schaltungsanordnung
zu koppeln, die ein Signal erzeugt, das verwendet wird, um die Kapazität zu erfassen.
Eine solche Schaltungsanordnung ist im Gebiet der kapazitiven Druckerfassung
allgemein bekannt. Diese Kontakte sind mit einer leitenden Feder 36 und
dann mit einem leitenden Stift 40, die sich durch die dielektrische
Vorformung 38 erstrecken, die durch die Abdeckung 12 verläuft und
die Elektroden mit der Schaltungsanordnung koppelt, elektrisch gekoppelt.
Während
nur eine Feder 36, nur ein Stift 40 und nur eine
Vorformung 38 gezeigt sind, sind typischerweise eine Anzahl
von jedem dieser Bauteile vorhanden.
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Die
Elektrodenbaugruppe 22 wird nach unten in Richtung der
Membrane 16 mit einem ringförmigen Niederhaltering 42 und
einer Wellenscheibe 44, die sich zwischen der Abdeckung 12 und
dem Ring 42 befindet, vorgespannt. Der ringförmige Niederhaltering 42 weist
an seinem Innendurchmesser eine Stufe 46 auf, die so dimensioniert
ist, dass sie der Stufe der Elektrodenbaugruppe 22 im Allgemeinen
(mit ausreichendem Spiel) entspricht. Dieser Sensor erfordert keine
große
Klemmkraft, wobei eine Stufe in dem Gehäuse im Gegensatz zu einigen
anderen Sensoren dieser allgemeinen Art mit der Stufe in der Scheibe
nicht übereinstimmen
muss.
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Zwischen
der Membrane 16 und der Elektrodenbaugruppe 22 befindet
sich eine Distanzscheibe 50, die vorzugsweise ringförmig ist,
mit einem äußeren Durchmesser,
der dem äußeren Durchmesser der
Elektrodenbaugruppe 22 ungefähr gleich ist (es ist zu beachten,
dass die Distanzscheibe 50 in 1, die vergrößert ist, kaum sichtbar ist,
aber in 2, die nicht
vergrößert ist,
viel besser sichtbar ist). Die Distanzscheibe 50 sollte
aus einem Material hergestellt werden, das in eine Ringform oder
in irgendeine andere im Wesentlichen flache Form mit einer hoch genauen
Dicke gebracht werden kann, die hier als weniger als ±5% ihrer
gewünschten
Dicke bei einer gewünschten
Dicke von weniger als 75 Mikrometer (3 Mil bzw. 1/1000 Zoll) definiert
ist.
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Insbesondere
mit Bezug auf 2, weisen beide
Elektroden 54, 56 typischerweise eine Dicke von
etwa 12,5 Mikrometer (0,5 Mil bzw. 1/1000 Zoll) auf, während die
Distanzscheibe 50 typischerweise etwa 75 Mikrometer (3
Mil bzw. 1/1000 Zoll) oder weniger dick ist und vorzugsweise aus
einer Legierung mit niedriger Wärmeausdehnung
wie etwa Invar oder irgendeiner anderen Nickel-Eisen-Legierung hergestellt
wird. Die Distanzscheibe 50 könnte aus anderen Metallen wie
etwa aus rostfreiem Stahl hergestellt werden, oder sie könnte ein
Nichtmetall oder ein dielektrisches Material wie etwa Glas oder
Keramik sein. Aus welchem Material auch immer, die Distanzscheibe
sollte aus einem Material hergestellt werden, das mit den kleinen
Dicken, wie oben angemerkt worden ist, mit einer hoch genauen Dicke
hergestellt werden kann.
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Um
ferner sicherzustellen, dass der Spalt d zwischen den Elektroden 54, 56 und
der Membrane 16 eine voraussagbare Dicke aufweist, ist
ein Distanzring 60 an dem äußeren Umfang der Elektrodenbaugruppe 22 ausgebildet,
und wird, beispielsweise durch das Verwenden derselben Produktionstechniken
und derselben Materialien mit Hilfe einer Maske oder einer Schablone
mit Öffnungen
sowohl für
den Distanzring als auch für
die Elektroden, vorzugsweise gleichzeitig mit den Elektroden 54, 56 ausgebildet. Bei
Dickfilmtechniken kann es zu Änderungen
der Dicke der Elektroden von einer Vorrichtung zur nächsten Vorrichtung
kommen, obwohl praktisch keine Abweichung der Dicke zwischen den
Elektroden und dem Distanzring vorkommt, wenn sie gleichzeitig ausgebildet
werden. Eine weitere Verbesserung der Ebenheit kann bei den Elektroden 54, 56 und
dem Distanzring 60 durch verschiedene Abtragtechniken wie
etwa Läppen
erreicht werden. Diese Abtragtechniken helfen auch, sicherzustellen,
dass die unteren Oberflächen
der Elektroden 54, 56 und des Distanzrings 60 eben
und flach sind.
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Diese
gleiche Dicke der Elektroden und des Distanzrings bedeutet, dass
dieser Nennspalt d zwischen der Membrane 16 und den Elektroden 54, 56 praktisch
vollständig
von der Dicke der Distanzscheibe 50 abhängt und im Wesentlichen überhaupt
nicht von der Dicke der Elektroden 54, 56 von
einer Vorrichtung zur nächsten
Vorrichtung abhängt,
wobei er vorzugsweise nicht von irgendeiner Form, Größe oder
einer anderen Geometrie der Elektroden 54, 56 oder
der Membrane abhängt.
Der Distanzring 60 und die Elektroden 54, 56 sind
typischerweise mit einem Luftspalt voneinander elektrisch isoliert,
um einen Kurzschluss von den Elektroden 54, 56 zur
Membrane zu verhindern, wenn die Distanzscheibe auch leitend ist.
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Mit
einer Konstruktion wie dieser kann ein genauer Drucksensor mit einer
Membrane hergestellt werden, der kleiner ist, als jene, die typischerweise
bei vergleichbaren Anwendungen verwendet werden, weil der Nennspalt
zwischen den Elektroden klein ausgeführt werden kann und dennoch
sorgfältig gesteuert
werden kann. Tatsächlich
können
der Durchmesser des Sensors kleiner als 1 Zoll (2,5 cm) und die
Länge kleiner
als 3 Zoll (7,5 cm) ausgeführt werden,
wobei der Durchmesser die Abmessung in der Ebene ist, die parallel
zu den Elektroden liegt, die den Kondensator bilden, und wobei die
Länge die
Dimension ist, die rechtwinklig zu dieser Ebene liegt. Bei anderen ähnlichen
bekannten Vorrichtungen beträgt
der Minimaldurchmesser etwa 1,5 Zoll (3,8 cm.)
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Eine
Ausführungsform
der betreffenden Erfindung ist in 4 gezeigt.
In einem Sensor 70 sind die Scheibe, die Elektroden auf
der Oberfläche
der Scheibe, die obere Abdeckung, der Niederhaltering, die Wellenscheibe
und die Kontaktfeder, die in 1 gezeigt
sind, alle durch eine einteilige und anschlussfertige Elektrodenbaugruppe 72 ersetzt.
Die Elektrodenbaugruppe 72 ist hier als eine Zylinderkonstruktion
gezeigt, die eine erste leitende Elektrode 74 mit einem
umgekehrten T-förmigen
Querschnitt und einen dielektrischen Ring 76 um den oberen
Teil der ersten Elektrode 74 aufweist (der dadurch einen
Abschnitt des Säulenabschnitts
der T-förmigen
ersten Elektrode umgibt), sowie eine zweite leitende Elektrode 78, die
den ersten dielektrischen Ring 76 umgibt, einen zweiten
dielektrischen Ring 80, der die zweite Elektrode 78 umgibt,
und einen äußeren Ring 82 aufweist,
der als ein Gehäuseelement
dient.
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Die
erste Elektrode 74, eine zweite Elektrode 78 und
der äußere Ring 82 weisen
jeweilige untere Oberflächen 84, 86 und 88 auf,
die in derselben Ebene liegen. Die oberen Oberflächen dieser Bauteile können, müssen jedoch
nicht in derselben Ebene liegen; wobei die unteren Oberflächen der
dielektrischen Ringe 76, 80 in derselben Ebene
wie die Flächen 84, 86 und 88 liegen
könnten.
Die in derselben Ebene liegenden Oberflächen 84, 86 und 88 sind nahe
einer Membrane 90 positioniert. Ein Abstandsring 92 ist
um einen äußeren Umfang
der Membrane 90 eingebaut, so dass er den äußeren Ring 82 berührt. Wie
bei dem Sensor aus 1,
sollte der Abstandsring 92 aus einem Material hergestellt
sein, das mit einer kleinen Dicke und in Bezug auf seine Dicke hoch
genau ausgebildet werden kann. Der äußere Ring 82, der
Abstandsring 92 und die Membrane 90 sind geschweißt oder
anderweitig miteinander verbunden, um die variable Kondensatorkonstruktion zu
erzielen. Wie bei dem Sensor aus 1,
kann ein Nennspalt zwischen den Elektroden 74, 78 und
der Membrane 90 ausschließlich durch die Dicke des Abstandsrings 92 bestimmt
werden und kann somit genau und mehrmals bestimmt werden.
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Jeder
der Sensoren aus den 1 und 4 könnte mit einer unterschiedlichen
Kondensatorkonstruktion ausgebildet sein. 5 zeigt eine Vorrichtung 100,
die der Vorrichtung aus 1 ähnlich ist,
in der sich eine Membrane 102 jedoch zwischen zwei dielektrischen
Scheiben 104, 106 mit leitenden Elektroden 108, 110, 112 und 114 befindet,
die darauf ausgebildet sind und der Membrane 102 gegenüberliegen.
Die Vorrichtung 100 weist zwei Distanzringe 116, 118 und
zwei Distanzscheiben 120, 122 auf.
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Nachdem
eine Ausführungsform
der betreffenden Erfindung beschrieben wurde, sollte es offensichtlich
sein, dass Änderungen
vorgenommen werden können,
ohne vom Umfang der Erfindung, wie sie durch die beigefügten Ansprüche definiert
ist, abzuweichen. Während
zwei Elektroden bevorzugt werden, könnte beispielsweise eine andere
Anzahl von Elektroden verwendet werden. Die Elektrodenbaugruppe
in 4 ist als zylindrisch
beschrieben, sie kann jedoch eine andere Form annehmen. Während die
Distanzscheibe als ein Ring beschrieben ist, muss der Sensor keinen
kreisförmigen
Querschnitt aufweisen.