FR2508641A1 - IMPROVED QUARTZ DIFFERENTIAL PRESSURE TRANSDUCER - Google Patents
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Abstract
CE TRANSDUCTEUR COMPORTE UN ORGANE CENTRAL 22 PERCE D'UN TROU ET DEUX MEMBRANES ELASTIQUES ISOLANTES 30, 32 DISPOSEES DE PART ET D'AUTRE DE L'ORGANE CENTRAL ET COLLEES SUR LEUR PERIPHERIE AUX COTES DE L'ORGANE CENTRAL PAR DES JOINTS EN VERRE 34, 36 DANS UNE DISPOSITION ESPACEE DE FACON A FORMER UNE CAVITE SCELLEE 40. UNE COLONNETTE 50 MONTEE COULISSANTE DANS LE TROU EST FIXEE AUX MEMBRANES POUR QUE LE DEPLACEMENT DE CHAQUE MEMBRANE SOIT DEPENDANT DE CELUI DE L'AUTRE. DES ELECTRODES 60A, 60B SONT APPLIQUEES SUR LES FACES INTERIEURES DES MEMBRANES ET DES ELECTRODES COOPERANTES 80 SONT DISPOSEES SUR LES DEUX FACES DE L'ORGANE CENTRAL POUR FORMER DEUX CONDENSATEURS QUI VARIENT, EN FONCTION DE LA PRESSION DIFFERENTIELLE APPLIQUEE AUX MEMBRANES, DE VALEURS EGALES ET OPPOSEES.THIS TRANSDUCER INCLUDES A CENTRAL BODY 22 BORED WITH ONE HOLE AND TWO ELASTIC INSULATING MEMBRANES 30, 32 ARRANGED ON EACH OTHER OF THE CENTRAL BODY AND GLUED ON THEIR PERIPHERY TO THE SIDES OF THE CENTRAL BODY BY GLASS JOINTS 34 , 36 IN A SPACED ARRANGEMENT TO FORM A SEALED CAVITY 40. A COLUMN 50 SLIDING FITTED IN THE HOLE IS FIXED TO THE MEMBRANES SO THAT THE MOVEMENT OF EACH MEMBRANE IS DEPENDENT ON THAT OF THE OTHER. ELECTRODES 60A, 60B ARE APPLIED ON THE INNER FACES OF THE MEMBRANES AND COOPERATING ELECTRODES 80 ARE ARRANGED ON BOTH FACES OF THE CENTRAL ORGAN TO FORM TWO CAPACITORS WHICH VARY, ACCORDING TO THE DIFFERENTIAL PRESSURE APPLIED TO THE MEMBRANES AND EGG, OPPOSED.
Description
TRANSDUCTEUR DE PRESSION DIFFERENTIEL ENDIFFERENTIAL PRESSURE TRANSDUCER IN
QUARTZ PERFECTIONNEPERFECTED QUARTZ
La présente invention se rapporte à des transducteurs de pression différentiels et, en particulier, à des transducteurs The present invention relates to differential pressure transducers and, in particular, to transducers
de pression capacitifs.capacitive pressure.
Les capteurs de pression comprennent souvent au moins une membrane souple qui porte une partie métallisée ou élec- Pressure sensors often include at least one flexible membrane that carries a metallized or electric part
trode qui coopère avec une plaque de base d'une autre mem- trode which cooperates with a base plate of another member
brane ayant une partie métallisée semblable pour former un condensateur sensible à la pression Ces transducteurs de pression présentent un inconvénient inhérent, à savoir, le brane having a similar metallized part to form a pressure-sensitive capacitor These pressure transducers have an inherent drawback, namely, the
fait que la variation de la capacité en fonction de la pres- that the variation in capacity depending on the pressure
sion n'est pas linéaire Les transducteurs et/ou appareils de mesure de pression capacitifs de la technique antérieure -ont utilisé diverses techniques pour rendre cette variation is not linear Prior art capacitive transducers and / or pressure measurement devices have used various techniques to render this variation
de la capacité en fonction de la pression plus linéaire. of capacity as a function of more linear pressure.
Parmi ces techniques,on peut mentionner celle qui consiste Among these techniques, one can mention that which consists
à retirer des parties des électrodes pour créer une configu- remove parts of the electrodes to create a configuration
ration d'électrodes compliquée et celle qui consiste à uti- complicated electrode ration and that of using
liser des circuits électroniques pour apparier des non-linéa- read electronic circuits to match non-linear
rités électroniques à la fonction non linéaire inhérente du capteur de pression de telle sorte que le signal de sortie electronic rites to the inherent non-linear function of the pressure sensor so that the output signal
global est plus linéaire Lorsqu'on incorpore des configura- global is more linear When incorporating configurations
tions d'électrode élaborées et des circuits électroniques compliqués, la complexité du capteur est accrue, le capteur elaborate electrode and complicated electronic circuits, the complexity of the sensor is increased, the sensor
est plus onéreux et sa fiabilité est réduite. is more expensive and its reliability is reduced.
La présente invention se rapporte à un capteur ou trans- The present invention relates to a sensor or trans-
ducteur de pression capacitif comprenant un organe central capacitive pressure driver comprising a central member
traversé d'un trou et une paire de membranes élastiques élec- crossed by a hole and a pair of elastic elastic membranes
triquement isolantes qui sont susceptibles de se déformer en réponse à la différence de pression appliquée de part et three-fold insulation which is liable to deform in response to the difference in pressure applied on both sides and
d'autre de ces membranes et sont disposées en alignement em- other of these membranes and are arranged in em alignment
pilé l'une par rapport à l'autre de part et d'autre de l'or- pounded relative to each other on either side of the gold
gane central autour du trou Ces membranes sont collées, dans central gane around the hole These membranes are glued, in
une disposition relative espacées, aux côtés de l'organe cen- a spaced relative arrangement, alongside the central organ
tral par un joint d'étanchéité du type verre, formant ainsi tral by a glass type seal, thus forming
entre elles une cavité scellée Le transducteur comporte éga- between them a sealed cavity The transducer also includes
lement une colonnette montée coulissante dans le trou et at- a small column mounted sliding in the hole and
tachée aux faces inférieures ou intérieures des deux membranes stained on the lower or inner faces of the two membranes
pour faire en sorte que le déplacement de chacune des mem- to make sure that the displacement of each of the mem-
branes soit dépendant de celui de l'autre; une première paire de couches conductrices ou électrodes sont appliquées à chaque côté de l'organe central et une seconde paire de couches conductrices sont appliquées à la surface intérieure branes is dependent on that of the other; a first pair of conductive layers or electrodes are applied to each side of the central organ and a second pair of conductive layers are applied to the interior surface
de chaque membrane pour former un premier condensateur sen- of each membrane to form a first capacitor
sible à la pression en coopération avec les couches conduc- pressure sensitive in cooperation with the conductive layers
trices correspondantes disposées sur l'organe central de corresponding trices arranged on the central organ of
telle sorte que le changement de capacité du premier conden- so that the change in capacity of the first conden-
sateur est approximativement égal et opposé au changement de capacité du second condensateur Le transducteur comporter en sator is approximately equal and opposite to the change in capacitance of the second capacitor The transducer include
outre, des moyens générateurs de signal, fonctionnant en ré- in addition, signal generating means, operating in re-
ponse aux valeurs des premier et second condensateurs pour engendrer un signal de sortie de manière à réduire au minimum la composante non linéaire de la variation de capacité en fonction de la pression de telle sorte que le signal de sortie response to the values of the first and second capacitors to generate an output signal so as to minimize the non-linear component of the capacitance change as a function of pressure so that the output signal
engendré en réponse à la différence entre les pressions appli- generated in response to the difference between the pressures applied
quées aux faces extérieures des membranes élastiques est con- on the outside of the elastic membranes is con-
sidérablement plus linéaire que dans les transducteurs de la considerably more linear than in the transducers of the
technique antérieure.prior art.
Par conséquent, l'un des buts généraux de la présente Therefore, one of the general purposes of this
invention est de réaliser un transducteur de pression diffé- invention is to provide a different pressure transducer
rentiel qui produise un signal de sortie plus linéaire que which produces a more linear output signal than
les transducteurs connus Un autre but de la présente inven- known transducers Another object of the present invention
tion est de réaliser un transducteur de pression capacitif qui réduise considérablement les non linéarités ci-dessus mentionnées et qui ne nécessite pas l'emploi de circuits de compensation électroniques complexes Encore un autre but de tion is to provide a capacitive pressure transducer which considerably reduces the above-mentioned non-linearities and which does not require the use of complex electronic compensation circuits Yet another object of
l'invention est de réaliser un transducteur de pression capa- the invention is to produce a pressure transducer capa-
citif ayant une sensibilité accrue. citive with increased sensitivity.
Un avantage de la présente invention découle de la symé- An advantage of the present invention arises from the symmetry
trie des membranes et de leurs électrodes correspondantes. sorts membranes and their corresponding electrodes.
Cette relation permet au dispositif de la présente invention de présenter une insensibilité aux changements de température This relationship allows the device of the present invention to exhibit insensitivity to temperature changes
ainsi qu'un haut degré de rejection en mode commun. as well as a high degree of rejection in common mode.
D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront à Other characteristics of the invention will appear
la lecture de la description qui va suivre et à l'examen des reading the following description and examining
dessins annexés dans lesquels: la Fig 1 est une vue en coupe d'un transducteur de pression différentiel capacitif faisant application de la présente invention; la Fig 2 est une vue en plan d'une des membranes élastiques, cette vue montrant la configuration d'électrodes qu'elle porte; appended drawings in which: FIG. 1 is a sectional view of a capacitive differential pressure transducer applying the present invention; Fig 2 is a plan view of one of the elastic membranes, this view showing the configuration of electrodes which it carries;
la Fig 3 est une vue en plan représentant une configu- Fig 3 is a plan view showing a configuration
ration d'électrodes disposées sur l'organe central; ration of electrodes arranged on the central organ;
la Fig 4 représente une autre configuration d'élec- Fig 4 shows another configuration of elect
trodes disposée sur l'organe central; trodes arranged on the central organ;
la Fig 5 est une vue en coupe représentant le trans- Fig 5 is a sectional view showing the trans-
ducteur de pression dans une position infléchie; la Fig 6 représente un pont de mesure capacitif; la Fig 7 représente un pont de mesure à diodes; et la Fig 8 est une vue en coupe schématique à plus petite échelle du transducteur représentant une autre situation de fonctionnement. pressure conductor in a bent position; Fig 6 shows a capacitive measurement bridge; Fig 7 shows a diode measurement bridge; and Fig. 8 is a schematic sectional view on a smaller scale of the transducer showing another operating situation.
On se référera maintenant aux Fig 1 à 4 qui repré- We will now refer to Figs 1 to 4 which represent
sentent les principaux éléments d'un transducteur de pression Le transducteur de pression 20 comporte un organe support central 22 traversé d'une ouverture 24 Dans le présent mode de réalisation, l'organe support central est constitué par feel the main elements of a pressure transducer The pressure transducer 20 comprises a central support member 22 traversed by an opening 24 In this embodiment, the central support member is constituted by
un disque circulaire conçu pour être supporté sur son bord. a circular disc designed to be supported on its edge.
Le support du bord du transducteur n'a pas été représenté sur la Fig 1 mais il a été schématiquement représenté sur la The support for the edge of the transducer has not been represented in FIG. 1 but it has been schematically represented in the
Fig 5 L'organe support central 22 est fabriqué, de préfé- Fig 5 The central support member 22 is manufactured, preferably
rence, en une matière qui a une caractéristique d'hystérésis pratiquement nulle et un faible coefficient de dilatation thermique Les matières de ce type sont, notamment, l'alumine, rence, in a material which has a practically zero hysteresis characteristic and a low coefficient of thermal expansion Materials of this type are, in particular, alumina,
le "Pyrex" et le quartz fondu Bien que, dans le mode de ré- "Pyrex" and molten quartz Although, in the re-
alisation préféré de l'invention, on utilise un organe support preferred embodiment of the invention, a support member is used
central 22 circulaire, d'autres formes géométriques sont éga- central 22 circular, other geometric shapes are also
lement utilisables Le transducteur comprend, en outre, deux disques plus petits qui constituent les membranes flexibles et 32 qui sont, de préférence, disposées coaxialement par rapport au centre de l'organe central 22 Les membranes flexibles 30 et 32 sont, de préférence, fabriquées dans la même matière que l'organe support central 22 Les membranes Lely usable The transducer further comprises two smaller disks which constitute the flexible membranes and 32 which are preferably arranged coaxially with respect to the center of the central member 22 The flexible membranes 30 and 32 are preferably manufactured in the same material as the central support member 22 The membranes
sont maintenues dans une disposition relative parallèle, es- are maintained in a parallel relative arrangement, es-
pacées l'une de l'autre et de l'organe support central 22 par une paire de joints d'étanchéité annulaires d'un type connu, tels que les joints d'étanchéité annulaires en fritte de verre 34 et 36 Les joints d'étanchéité annulaires 34 et 36 peuvent être déposés sur l'organe support central d'une manière connue, par exemple par sérigraphie, dépôt sous vide paced from each other and from the central support member 22 by a pair of annular seals of a known type, such as annular seals made of glass frit 34 and 36 The seals annular sealing 34 and 36 can be deposited on the central support member in a known manner, for example by screen printing, vacuum deposition
et/ou pulvérisation cathodique.and / or sputtering.
Pour empêcher l'organe support central 22 de se cintrer lorsqu'une pression est appliquée aux surfaces extérieures To prevent the central support member 22 from bending when pressure is applied to the exterior surfaces
des membranes 30 et 32,il est préférable de fabriquer cet or- membranes 30 and 32, it is preferable to manufacture this or-
gane support central 22 de façon qu'il soit plus rigide que chacune des membranes 30 et 32 En outre, pour réduire les gane central support 22 so that it is more rigid than each of the membranes 30 and 32 In addition, to reduce the
effets thermiques,il est souhaitable de fabriquer les mem- thermal effects, it is desirable to manufacture the mem-
branes et l'organe support central dans la même matière En branes and the central support member in the same material
outre, également, pour réduire les contraintes mécaniques en- in addition, also, to reduce the mechanical stresses
gendrées dans le capteur, il est souhaitable que les caracté- in the sensor, it is desirable that the characteristics
ristiques mécaniques de la matière utilisée pour les joints 34 et 36 soient semblables aux caractéristiques des membranes mechanical characteristics of the material used for seals 34 and 36 are similar to the characteristics of the membranes
et de l'organe support central Une matière d'étanchéité ty- and the central support member A ty-
pique est un verre de quartz fondu, tel que la bande de trans- pique is a molten quartz glass, such as the trans-
fert de verre G 1015 fabriquée par la société Vitta Corpora- glass fiber G 1015 manufactured by Vitta Corpora-
tion Damberry, Connecticut, EUA Les membranes 30 et 32, les joints d'étanchéité 34 et 36 et l'organe support central 22 tion Damberry, Connecticut, EUA The membranes 30 and 32, the seals 34 and 36 and the central support member 22
coopèrent pour délimiter entre eux une chambre 40 hermétique- cooperate to delimit between them a sealed chamber 40-
ment scellée.mentally sealed.
La capsule manométrique 20 comporte, en outre, une pièce d'espacement centrale, organe d'accouplement ou colonnette qui traverse librement l'ouverture 24 et est lié aux faces inférieures des membranes 30 et 32 La colonnette 50 est jointe aux membranes par des joints du type verre 52 et 54 La longueur de la colonnette 50 et l'épaisseur des joints 52 et 54 sont établies d'une manière connue de telle sorte The manometric capsule 20 further comprises a central spacer, coupling member or baluster which freely crosses the opening 24 and is connected to the undersides of the membranes 30 and 32 The balancer 50 is joined to the membranes by seals of glass type 52 and 54 The length of the baluster 50 and the thickness of the joints 52 and 54 are established in a known manner so that
qu'au repos, c'est-à-dire lorsqu'aucune pression n'est ap- only at rest, i.e. when no pressure is applied
pliquée aux membranes, les membranes sont maintenues dans une disposition relative parallèle et sont essentiellement exemptes de contraintes Le transducteur 20 comporte, en outre, plusieurs électrodes qui sont collées ou fixées d'une folded to the membranes, the membranes are kept in a relative parallel arrangement and are essentially free of stresses. The transducer 20 further comprises several electrodes which are glued or fixed in a
autre manière aux surfaces de l'organe central 22 et aux mem- otherwise to the surfaces of the central member 22 and to the mem-
branes 30 et 32 Ces électrodes forment au moins deux con- branes 30 and 32 These electrodes form at least two con-
densateurs sensibles à la pression La configuration spéci- pressure sensitive densifiers The specific configuration
fique des électrodes qui forment ces condensateurs détecteurs electrodes that form these detector capacitors
de pression peut varier Aux fins de l'illustration, on a re- pressure may vary For the purpose of illustration,
présenté deux telles configurations d'électrodes On compren- presented two such electrode configurations.
dra, cependant, que les configurations des électrodes situées dra, however, that the configurations of the electrodes located
entre la membrane 30 et l'organe support 22 et entre la mem- between the membrane 30 and the support member 22 and between the mem-
brane 32 et l'organe support central 22 sont sensiblement brane 32 and the central support member 22 are substantially
identiques pour une configuration spécifique quelconque. identical for any specific configuration.
On se référera maintenant à la Fig 2 qui représente une We will now refer to Fig 2 which represents a
vue en plan d'une électrode typique 60 a disposée sur la sur- plan view of a typical electrode 60 a disposed on the surface
face intérieure 56 de la membrane 30 Une électrode identique b, qui a été représentée sur la Fig 1, est disposée sur la surface intérieure 58 de la membrane 32 Plus précisément, inner face 56 of the membrane 30 An identical electrode b, which has been shown in FIG. 1, is disposed on the inner surface 58 of the membrane 32 More precisely,
la Fig 2 représente une vue en plan de dessous de la mem- Fig 2 shows a bottom plan view of the mem-
brane 30 La membrane 30 comporte une électrode annulaire 60 a disposée concentriquement à l'intérieur du joint d'étanchéité 34 L'électrode 60 a comporte des conducteurs 62 a et 64 a Les brane 30 The membrane 30 comprises an annular electrode 60 a disposed concentrically inside the seal 34 The electrode 60 a comprises conductors 62 a and 64 a
conducteurs 62 a et 64 a s'étendent à partir de l'électrode an- conductors 62 a and 64 a extend from the electrode an-
nulaire 60 a jusqu'au-9 bords de la membrane 30 La Fig 2 montre également la disposition relative du joint 52 et de ring 60 has up to 9 edges of the membrane 30 Fig 2 also shows the relative arrangement of the seal 52 and
l'électrode 60 a.the electrode 60 a.
Dans un premier mode de réalisation de l'invention, la configuration des électrodes disposées sur l'organe support central et sur les membranes forme un premier condensateur détecteur de pression C set un second condensateur détecteur In a first embodiment of the invention, the configuration of the electrodes arranged on the central support member and on the membranes forms a first pressure sensing capacitor C and a second sensing capacitor
de pression Cs 2 Dans un autre mode de réalisation, la confi- pressure Cs 2 In another embodiment, the confi-
guration d'électrodes forme des premier et second condensa- guration of electrodes forms first and second condensa-
teurs de référence Crl' Cr 2 en combinaison avec des premier et second condensateurs détecteurs de pression Cs 1 et Cs 2 * On se référera maintenant à la Fig 4 qui représente une reference sensors Crl 'Cr 2 in combination with first and second pressure sensing capacitors Cs 1 and Cs 2 * We will now refer to Fig 4 which represents a
configuration d'électrodes qui peut être utilisée sur l'or- electrode configuration that can be used on the
gane central pour former deux condensateurs détecteurs de pression c 51 et C en combinaison avec les électrodes 60 a sl S 2 et 60 b Cette configuration peut être utilisée avec l'un ou l'autre des circuits en pont représentés sur les Fig 6 et 7 Dans cette configuration, l'organe support central 22 central gane to form two pressure sensing capacitors c 51 and C in combination with the electrodes 60 a sl S 2 and 60 b This configuration can be used with either of the bridged circuits shown in Figs 6 and 7 In this configuration, the central support member 22
-5 porte sur chacune de ses faces une électrode annulaire 80 dis- -5 carries on each of its faces an annular electrode 80 dis-
posée centralement connectée à un conducteur 82 s'étendant radialement L'électrode 80 est située à l'intérieur du joint d'étanchéité annulaire 34 ou, respectivement, 36 et entoure laid centrally connected to a conductor 82 extending radially The electrode 80 is located inside the annular seal 34 or, respectively, 36 and surrounds
le trou 24.hole 24.
La Fig 3 représente une autre configuration d'électrodes Fig 3 shows another configuration of electrodes
qui permet de former deux condensateurs détecteurs de pres- which allows to form two pressure sensing capacitors
sion Cs 1 et Cs 2 et deux condensateurs de référence Cri et Cr 2. sion Cs 1 and Cs 2 and two reference capacitors Cri and Cr 2.
Plus précisément, chaque face de l'organe support central porte une électrode annulaire 90 disposé centralement et qui entoure l'ouverture 24 Un conducteur 92 s'étend radialement à partir de l'électrode 90 jusqu'au bord de l'organe support More specifically, each face of the central support member carries an annular electrode 90 disposed centrally and which surrounds the opening 24 A conductor 92 extends radially from the electrode 90 to the edge of the support member
22 L'organe support 22 comporte, en outre, une seconde élec- 22 The support member 22 further comprises a second elect
trode 94 en formede C presque complètement fermé qui entoure trode 94 in C shape almost completely closed which surrounds
une partie de l'électrode annulaire 90 L'électrode 94 com- part of the annular electrode 90 The electrode 94 comprises
porte un autre conducteur 96 s'étendant radialement On peut démontrer que la déformation entre les électrodes 60 a, 60 b et est plus grande que la déformation entre les électrodes a, 60 b et 94 Par conséquent, les condensateurs formés entre les électrodes 60 a, 94 et, respectivement, 60 b, 94 sont carries another conductor 96 extending radially It can be demonstrated that the deformation between the electrodes 60 a, 60 b and is greater than the deformation between the electrodes a, 60 b and 94 Consequently, the capacitors formed between the electrodes 60 a , 94 and, respectively, 60 b, 94 are
appelés condensateurs de référence Cr étant donné que leur ca- called reference capacitors Cr since their ca-
pacité ne change pas de manière appréciable tandis que les capacity does not change appreciably while the
condensateurs formés entre les électrodes 60 a, 90 et, respec- capacitors formed between the electrodes 60 a, 90 and, respec-
tivement, 60 b, 90 qui sontdisposées centralement dans la ré- 60 b, 90 which are arranged centrally in the re-
gion sensible à la pression des membranes 30 et, respective- pressure sensitive region of membranes 30 and, respectively-
ment, 32 sont appelés condensateurs sensibles à la pression Cs Au cours de la fabrication du transducteur de pression 20, ment, 32 are called pressure sensitive capacitors Cs During the manufacture of the pressure transducer 20,
il est préférable d'orienter les conducteurs 82 et, respecti- it is preferable to orient the conductors 82 and, respectively
vement, 92, 94 de l'une et l'autre configurations d'électrodes de façon qu'ils soient également espacés des conducteurs 62 a, vement, 92, 94 of both configurations of electrodes so that they are also spaced from the conductors 62 a,
64 a, 62 b, 64 b, qui sont respectivement situés sur la face in- 64 a, 62 b, 64 b, which are respectively located on the underside
térieure de la membrane 30 et sur la face intérieure de la membrane 30 and on the inside of the
membrane 32.membrane 32.
On se référera maintenant aux Fig 6 et 7 qui représentent We will now refer to Figs 6 and 7 which represent
deux ponts de mesure qui peuvent être connectés d'une ma- two measuring bridges which can be connected in one way
nière connue aux électrodes formant les condensateurs du transducteur 20 Le pont demesure 100 représenté sur la Fig. 6 comprend quatre condensateurs C 1-C 4 Le circuit du pont de mesure représenté sur la Fig 6 peut être utilisé avec l'une known method to the electrodes forming the capacitors of the transducer 20 The measurement bridge 100 shown in FIG. 6 includes four capacitors C 1-C 4 The circuit of the measurement bridge shown in Fig 6 can be used with one
ou l'autre des deux configurations d'électrodes capacitives. either of the two capacitive electrode configurations.
Comme représenté sur la Fig 6, les condensateurs C 1 et C 2 correspondent aux condensateurs détecteurs de pression C 1 As shown in Fig 6, the capacitors C 1 and C 2 correspond to the pressure sensing capacitors C 1
et C 52 Les condensateurs C 3 et C 4 correspondent aux conden- and C 52 The capacitors C 3 and C 4 correspond to the conden-
sateurs de référence qui peuvent être des condensateurs de reference sators which can be capacitors of
référence situés à l'intérieur du transducteur 20 ou des con- reference located inside the transducer 20 or the con-
densateurs externes au transducteur On peut démontrer que densifiers external to the transducer We can demonstrate that
la tension de sortie du pont 100 est proportionnelle aux va- the output voltage of bridge 100 is proportional to the values
leurs de ses capacités -Cette relation est donnée par l'é- their of its capabilities -This relationship is given by the-
quation ( 1) ci-dessous: EL F 1/c C 1 ( 1/C 1 + 1/C 2) 1/c 3/< 1 c C 3 + 1/C 4 > ( 1) La Fig 7 représente un autre pont de mesure 110 qui equation (1) below: EL F 1 / c C 1 (1 / C 1 + 1 / C 2) 1 / c 3 / <1 c C 3 + 1 / C 4> (1) Fig 7 represents a other measuring bridge 110 which
comprend, entre autres, des diodes D 1 à D 4 qui sont connec- includes, among others, diodes D 1 to D 4 which are connected
tées aux condensateurs détecteurs de pression C 1 et C 2 La tension de sortie de ce pont est,de même, proportionnelle aux pressure sensor capacitors C 1 and C 2 The output voltage of this bridge is likewise proportional to the
valeurs de ses capacités et est donnée par l'équation ( 2) ci- values of its capacities and is given by equation (2) above
dessous: E - i( 2) o C 1 C 2below: E - i (2) o C 1 C 2
Les ponts de mesure des Fig 6 et 7 peuvent être utili- The measuring bridges of Fig 6 and 7 can be used
sés pour mesurer les variations de capacité d'un transducteur to measure variations in capacitance of a transducer
de pression ayant un unique condensateur détecteur de pres- pressure sensor with a single pressure sensing capacitor
sion de même que les condensateurs multiples détecteurs de pression de-la présente invention Dans le cas du détecteur de pression de la technique antérieure qui comporte un unique as well as the multiple pressure sensor capacitors of the present invention In the case of the pressure sensor of the prior art which has a single
condensateur de pression, la tension de sortie du pont de ca- pressure capacitor, the output voltage of the bridge
pacités de la Fig 6 est donnée par l'équation ( 1) En outre, pacities of Fig 6 is given by equation (1) Furthermore,
étant donné que le terme de droite de l'équation ( 1) ne va- since the right term of equation (1) does not
rie pas, une constante H est combinée à la tension de sortie pour fournir une tension de sortie modifiée E'0 L'équation not laugh, a constant H is combined with the output voltage to provide a modified output voltage E'0 The equation
( 3) montre la relation résultante de la tension de sortie. (3) shows the resulting relationship of the output voltage.
E' t' 1/C 1/( 1/c 1 + 1/C 2) = C + C( 3 o il 2 C 1 + 2 E 't' 1 / C 1 / (1 / c 1 + 1 / C 2) = C + C (3 o il 2 C 1 + 2
On rappelera que la capacité variable C 1 peut être ex- It will be recalled that the variable capacitance C 1 can be ex-
primée par: c 1 A ( 4) C 1 d 1 +Z Sd 1 dans laquelle A est une constante de proportionnalité et \d 1 est le changement de l'espacement nominal d 1 entre les awarded by: c 1 A (4) C 1 d 1 + Z Sd 1 in which A is a constant of proportionality and \ d 1 is the change of the nominal spacing d 1 between the
plaques formant le condensateur C 1. plates forming the capacitor C 1.
En substituant l'équation ( 4) dans l'équation ( 3) et en introduisant le terme: X = A (d+A dl) ( 5) C 2 on peut récrire l'équation ( 3) sous la forme: E ii( 6) 1 + A/C 2 (d 1 + d 1) 1 + X By substituting equation (4) in equation (3) and by introducing the term: X = A (d + A dl) (5) C 2 we can rewrite equation (3) in the form: E ii (6) 1 + A / C 2 (d 1 + d 1) 1 + X
En développant l'équation ( 6),en utilisant le développe- By developing equation (6), using the develop-
ment binominal,on obtient l'équation ( 7) qui montre claire- binominal, we obtain equation (7) which shows clearly-
ment que la tension de sortie E' engendrée par le détecteur de pression de la technique antérieurevarie de manière non ment that the output voltage E 'generated by the pressure detector of the prior art varies so
linéaire en fonction du déplacement. linear as a function of displacement.
E On + x 2 + ( 7) On peut démontrer que la séparation entre les plaques du condensateur est proportionnelle à la pression appliquée; par conséquent, l'équation ( 7) montre également que la tension de sortie varie d'une manière non linéaire en fonction de la pression. Par contraste, la tension de sortie engendrée par le E On + x 2 + (7) It can be shown that the separation between the plates of the condenser is proportional to the pressure applied; therefore, equation (7) also shows that the output voltage varies in a non-linear fashion as a function of pressure. In contrast, the output voltage generated by the
transducteur 20 en combinaison avec l'un ou l'autre des cir- transducer 20 in combination with either of the circuits
cuits en pont des Fig 6 et 7 varie de manière beaucoup plus cooked in the bridge of Figs 6 and 7 varies much more
linéaire en fonction du changement de la distance de sépara- linear as a function of the change in separation distance
tion des plaques des condensateurs.tion of the capacitor plates.
A titre d'exemple, si le transducteur 20 est connecté dans le circuit en pont de la Fig 6 et si l'on admet que les condensateurs C 1 et C 2 sont respectivement constitués par le By way of example, if the transducer 20 is connected in the bridge circuit of FIG. 6 and if it is assumed that the capacitors C 1 and C 2 are respectively constituted by the
condensateur C 1 et par le condensateur Cs 2,la tension de sor- capacitor C 1 and through capacitor Cs 2, the output voltage
tie est E' donnée par l'équation ( 8) ci-après: Cs 1 A 1/(d 1 +L d 1 ET + c 2 A 1/(d 1 d) A(d +d) ( 8) Cs Cs 2 ( 1 22 2 On rappelera que les valeurs initiales des condensateurs C tie is E 'given by equation (8) below: Cs 1 A 1 / (d 1 + L d 1 ET + c 2 A 1 / (d 1 d) A (d + d) (8) Cs Cs 2 (1 22 2 It will be recalled that the initial values of the capacitors C
et Cs 2 sont égales Cette relation implique que les cons- and Cs 2 are equal This relation implies that the cons-
tantes de proportionnalité A 1 et A 2 sont également égales de même que les espacements initiaux d 1 et d 2 En outre, on peut également démontrer que les déplacements L\d 1 et âd 2 sont aunts of proportionality A 1 and A 2 are also equal as are the initial spacings d 1 and d 2 In addition, we can also demonstrate that the displacements L \ d 1 and âd 2 are
égaux et opposés.equal and opposite.
La tension de sortie E'0, telle qu'exprimée dans l'é- The output voltage E'0, as expressed in the e-
quation ( 8) peut ainsi être exprimée sous la forme: d + a d equation (8) can thus be expressed in the form: d + a d
E', 2 2 ( 9)E ', 2 2 (9)
o 2 d 2 L'équation ( 9) montre que la tension de sortie El' est linéairement proportionnelle au changement de l'espacement entre les plaques de chaque condensateur Cs 1, Cs 2 De même, on peut voir que la tension de sortie est proportionnelle à la différence de pression appliquée Une relation semblable o 2 d 2 Equation (9) shows that the output voltage El 'is linearly proportional to the change in the spacing between the plates of each capacitor Cs 1, Cs 2 Similarly, we can see that the output voltage is proportional to the pressure difference applied A similar relationship
montrant l'amélioration de la linéarité de la tension de sor- showing the improvement in the linearity of the output voltage
tie peut être calculée pour le circuit de diodes en-pont de tie can be calculated for the in-bridge diode circuit of
la Fig 7.Fig 7.
En outre, une caractéristique très avantageuse de la In addition, a very advantageous feature of the
présente invention réside en ce qu'elle produit un degré éle- present invention resides in that it produces a high degree
vé de réjection en mode commun, c'est-à-dire que la capsule manométrique et ses circuits électroniques ne répondent qu'aux rejection mode in common mode, that is to say that the manometric capsule and its electronic circuits only respond
différences de pression et non au niveau de la pression abso- pressure differences and not at the level of the absolute pressure
lue appliquée Cette caractéristique résulte de la symétrie des membranes 30 et 32 et de leurs électrodes qui produit une élimination du premier ordre de la déformation des membranes read applied This characteristic results from the symmetry of the membranes 30 and 32 and their electrodes which produces a first order elimination of the deformation of the membranes
par rapport au support 22 Dans de nombreuses situations d'em- compared to the support 22 In many employment situations
ploi, la capsule est soumise à une forte pression de base et fold, the capsule is subjected to a strong basic pressure and
doit mesurer les écarts par rapport à cette pression de base. must measure deviations from this base pressure.
Cette situation de fonctionnement a été représentée sur la Fig 8 qui montre le cas o les pressions de base appliquées This operating situation has been shown in Fig 8 which shows the case where the basic pressures applied
P et P sont pratiquement identiques En réponse à ces pres- P and P are practically identical In response to these pres-
sions, les membranes se déforment comme représenté Etant don- sions, the membranes deform as shown Being
né que les condensateurs détecteurs de pression Csi et Cs 2 changent de la même manière, les circuits en pont 100 et 110 born that the pressure sensing capacitors Csi and Cs 2 change in the same way, the bridge circuits 100 and 110
restent équilibrés et il n'est pas produit de signal de sor- remain balanced and no output signal is produced
tie tant que les pressions appliquées n'ont pas changé légè- tie until the applied pressures have changed slightly
rement pour produire une différence de pression. rement to produce a pressure difference.
Cette situation est en nette opposition avec le fonc- This situation is in clear opposition to the function
tionnement d'un dispositif de la technique antérieure du type operation of a device of the prior art of the type
constitué par un transducteur ayant un unique condensateur dé- consisting of a transducer having a single capacitor
tecteur de pression disposé entre une membrane, telle que la membrane 30 ou 32,et un support tel que le support 22 Dans pressure sensor disposed between a membrane, such as membrane 30 or 32, and a support such as support 22 Dans
la situation de mode commun, c'est-à-dire lorsque les pres- the common mode situation, i.e. when the pres-
sions appliquées Pl et P 2 sont égales,le transducteur engendre applied sions Pl and P 2 are equal, the transducer generates
un signal de sortie du fait du changement de la valeur de l'u- an output signal due to the change in the value of the
nique condensateur détecteur de pression. pressure sensor capacitor.
En utilisant en combinaison avec le pont une capsule ma- By using in combination with the bridge a capsule
nométrique 20 dans laquelle une configuration d'électrodes telle que représentée sur les Fig 2 et 3 est disposée sur les membranes 30 et 32 et sur le support 22 et dans le cas o les valeurs nominales des condensateurs de référence Cs 1 et C 2 et celles des condensateurs sensibles à la pression C et C 52 sont égales, tous les condensateurs changent de la même valeur et dans le même sens en réponse aux variations de nominal 20 in which an electrode configuration as shown in FIGS. 2 and 3 is arranged on the membranes 30 and 32 and on the support 22 and in the case where the nominal values of the reference capacitors Cs 1 and C 2 and those pressure sensitive capacitors C and C 52 are equal, all capacitors change by the same value and in the same direction in response to variations in
la température, maintenant ainsi le pont 100 dans une condi- temperature, thus keeping bridge 100 in a condi-
tion équilibrée Le pont 110 assure le même effet de compensa- balanced balance Bridge 110 provides the same compensating effect
tion de la température.tion of the temperature.
En fonctionnement, la capsule de pression 20 est placée dans un boîtier qui réalise un serrage du bord périphérique In operation, the pressure capsule 20 is placed in a housing which clamps the peripheral edge
de l'organe support 22 et forme ainsi deux chambres récep- of the support member 22 and thus forms two receiving chambers
trices de pression séparées par l'organe support 22 de telle pressure trices separated by the support member 22 such
sorte qu'une première pression est appliquée à la surface ré- so that a first pressure is applied to the surface
ceptrice de pression de la membrane 30 et qu'une seconde pres- membrane pressure sensor 30 and that a second press
sion est appliquée à la surface réceptrice de pression de la membrane 32 Lorsqu'aucune pression ne leur est appliquée ou que des pressions égales leur sont appliquées, les membranes sont maintenues à des distances égales d 1 et d 2 de l'organe ion is applied to the pressure receiving surface of the membrane 32 When no pressure is applied to them or when equal pressures are applied to them, the membranes are kept at equal distances d 1 and d 2 from the organ
support 22 S'il existe une différence de pression, les mem- support 22 If there is a pressure difference, the mem-
branes se déforment, comme représenté sur la Fig 5 A titre d'exemple, si la pression Pl est plus grande que la pression P 2, l'espacement entre la membrane 30 et l'organe support central 22 diminue tandis que l'espacement entre la membrane 32 et l'organe support central 22 s'accroit Une tension de sortie est engendrée conformément aux équations ci-dessus qui produit une relation nettement plus linéaire que dans le passé entre le changement de capacité et la pression diffé- branes deform, as shown in Fig 5 As an example, if the pressure Pl is greater than the pressure P 2, the spacing between the membrane 30 and the central support member 22 decreases while the spacing between the membrane 32 and the central support member 22 increases An output voltage is generated in accordance with the above equations which produces a much more linear relationship than in the past between the change in capacity and the different pressure
rentielle appliquée.applied.
De nombreux changements et modifications peuvent être Many changes and modifications can be
apportés aux modes de réalisation ci-dessus décrits de l'in- brought to the embodiments described above of the
vention sans sortir pour cela de son cadre Par conséquent, vention without going beyond its framework Therefore,
la portée de l'invention ne doit être considérée comme limi- the scope of the invention should not be considered limited
tée que dansla mesure définie par les revendications that to the extent defined by the claims
annexées.attached.
Claims (9)
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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US27880981A | 1981-06-29 | 1981-06-29 |
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Publication Number | Publication Date |
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FR2508641A1 true FR2508641A1 (en) | 1982-12-31 |
Family
ID=23066457
Family Applications (1)
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DK0674164T3 (en) * | 1994-03-18 | 1998-02-23 | Envec Mess Und Regeltechn Gmbh | Capacitive pressure sensor or differential pressure sensor |
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- 1982-06-29 JP JP11088682A patent/JPS5844324A/en active Pending
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Also Published As
Publication number | Publication date |
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DE3223248A1 (en) | 1983-01-13 |
JPS5844324A (en) | 1983-03-15 |
GB2101331A (en) | 1983-01-12 |
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