WO2003081194A1 - Pressure sensor, especially for the capacitive determination of absolute pressure - Google Patents

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WO2003081194A1
WO2003081194A1 PCT/EP2003/002829 EP0302829W WO03081194A1 WO 2003081194 A1 WO2003081194 A1 WO 2003081194A1 EP 0302829 W EP0302829 W EP 0302829W WO 03081194 A1 WO03081194 A1 WO 03081194A1
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base body
pressure sensor
pressure
sensor according
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PCT/EP2003/002829
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Inventor
Roland Singpiel
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Nord-Micro Ag & Co. Ohg
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0072Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance
    • G01L9/0075Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance using a ceramic diaphragm, e.g. alumina, fused quartz, glass
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0042Constructional details associated with semiconductive diaphragm sensors, e.g. etching, or constructional details of non-semiconductive diaphragms
    • G01L9/0048Details about the mounting of the diaphragm to its support or about the diaphragm edges, e.g. notches, round shapes for stress relief

Definitions

  • Pressure sensor in particular for the capacitive determination of the absolute pressure
  • the invention relates to a pressure sensor, in particular for the capacitive determination of the absolute pressure, which is provided with a base body which has at least one electrode and with a membrane.
  • the membrane is separated from the base body by a spacer and has at least one counter electrode for generating an electric field between the base body and the membrane.
  • the base body and the membrane are each made of a ceramic material.
  • the membrane is arranged on a carrier body made of a ceramic material and is connected to the carrier body by a material connection that is free of additional materials.
  • Pressure sensors are generally used to measure the pressure of media, such as liquids, gases or vapors, absolutely or relative to a reference pressure, for example the ambient pressure.
  • a reference pressure for example the ambient pressure.
  • the pressure is determined on the basis of the change in a capacitor formed by two electrodes lying opposite one another.
  • a capacitive pressure sensor is described, for example, in EP 1 039 284 A1.
  • the known pressure sensor has a base body made of a ceramic material, which is provided with an electrode. Spaced from the electrode is an elastically deformable membrane, which consists of a ceramic material and is provided with a counter electrode. A pressure medium is applied to the membrane on the side facing away from the base body, which causes the membrane to deform. Depending on the deformation of the membrane, the distance between the electrode and the counterelectrode changes and thus the capacitance of the through the electrode and counter electrode formed capacitor. An evaluation device that detects the change in capacitance delivers an electrical signal that is proportional to the pressure of the medium acting on the membrane.
  • a capacitive sensor in which the base body and the membrane are made of ceramic are also disclosed in DE 39 10 646 C2 and DE 40 23 420 A1.
  • the known pressure sensors also have in common that a measuring cell is formed by the membrane and the base body, which is used as a connected unit. It has been found to be disadvantageous here that the fastening of the measuring cell in a component causes a stress state in the membrane, which can lead to hysteresis and thus to falsifications of the measured changes in capacitance.
  • WO 99/34184 discloses a capacitive vacuum measuring cell which has a first housing body, a membrane and a second housing body.
  • the housing body and the membrane are made of aluminum oxide.
  • the membrane is arranged between the first housing body and the second housing body and is integrally connected to the latter.
  • a glass solder which also serves the membrane of the housing bodies to space, or a se by 'beispielswei- welding or diffusion-generated cohesive connection between the membrane and the housing bodies application.
  • the material connection can be free of additional materials.
  • the invention has for its object to develop a pressure sensor of the type mentioned in such a way that a comparatively accurate measurement result can be achieved with a simple, inexpensive and robust design and a largely stress-free storage of the membrane.
  • a measuring Cell which is composed of the base body, the membrane, the spacer and the support body and is arranged in a hermetic housing, wherein an evaluation device which detects capacitive changes in the measuring cell and which has a sensor which detects the temperature of the measuring cell is arranged on the base body ,
  • a pressure sensor designed in this way adopts the knowledge that by providing a support body for the membrane, a largely stress-free mounting of the membrane is achieved.
  • the main reason for this is that, due to the support body, no forces act on the membrane which, as in the prior art, cause undesirable stress on the membrane, for example due to torsion.
  • the cohesive connection of the membrane and the support body also contributes significantly to a largely stress-free mounting of the membrane.
  • the occurrence of undesirable thermal stresses in the joining zone of the membrane and carrier body is avoided by the fact that the material bond is formed without additional materials. In this way, the joining zone between the membrane and the carrier body remains free of any foreign materials which impair the measuring behavior of the pressure sensor, for example as a result of hysteresis.
  • the measuring unit formed by the membrane and base body can be easily attached to a component.
  • a robust design of the pressure sensor is thus ensured.
  • the measuring cell which is composed of the base body, the membrane, the spacer and the carrier body and is arranged in a hermetic housing, also contributes to this, the carrier body being attachable to the housing.
  • the measuring cell comprising the carrier body is protected against environmental influences by the arrangement in the housing. This encapsulation of the measuring cell results in an extremely robust pressure sensor.
  • the attachment of the measuring cell to the housing by means of the carrier body enables Free and therefore low-stress arrangement of the base body and membrane. This ensures a relatively high accuracy of the pressure measurement.
  • the direct arrangement of the evaluation device designed as an application-specific integrated circuit (ASIC) on the base body ensures an undistorted measurement of the change in capacitance of the measuring cell.
  • the evaluation device is protected from environmental influences by the hermetic housing. In this way, the electrical lines required for connecting the evaluation device can be easily laid on the surface of the base body. This guarantees a simple and inexpensive construction.
  • the evaluation device has a sensor that detects the temperature of the measuring cell. Because with the help of this temperature sensor, the temperature of the measuring cell can be recorded in order, for example, to be able to take into account the influence of the temperature when evaluating the measured change in capacitance of the measuring cell.
  • both the support body and the membrane consist of a ceramic material, they can be connected to one another by sintering or co-sintering.
  • Co-sintem in the above sense means a connection method in which components are connected to one another in a cohesive manner without changing shape in the manner of diffusion welding.
  • the Co-Sintem is characterized in that the components to be connected to one another, in the present case the membrane and the support body, experience no impairment in their shape.
  • the support body with a recess in which a pressure medium can be applied to the membrane.
  • the gaseous or liquid medium is directed specifically to the membrane.
  • the carrier body preferably has an opening for feeding the medium into the depression.
  • the housing preferably has a supply line for a pressure medium, which is connected to the opening of the carrier body.
  • a protective gas surrounding the measuring cell in the interior of the housing is provided.
  • the protective gas for example nitrogen, prevents environmental influences, such as, for example, air humidity, on the measuring behavior of the measuring cell. An accurate measuring behavior of the measuring cell is thus permanently guaranteed.
  • a preferred design of the pressure sensor according to the invention provides that the base body is provided with at least one pressure electrode and at least one reference electrode and the membrane with at least one pressure counter electrode and at least one reference counter electrode.
  • the provision of pressure and reference electrodes or counter-electrodes results in at least two capacities, the changes of which are used to measure the absolute pressure of the pressure medium acting on the membrane. A quotient of the determined changes in capacity leads to a dimensionless indicator that is proportional to the absolute pressure to be determined.
  • the pressure electrode and pressure counter electrode are expediently in the center of the base body and Diaphragm arranged, whereas the reference and reference counterelectrode are located in the edge area of the membrane and base body.
  • the different curvature of the membrane along the diameter can be taken into account due to its usually edge-side clamping. It has proven to be advantageous from a constructional point of view if the base body has two inner pressure electrodes, which are surrounded by two outer reference electrodes, and that the membrane has two inner pressure counter electrodes, which are surrounded by two outer reference counter electrodes. By doubling the number of pressure and reference electrodes or counter-electrodes, the accuracy of the determined changes in capacitance can be increased.
  • the electrodes and the counter electrodes are preferably made of platinum or gold and are preferably applied to the base body and the membrane by sputtering.
  • Sputtering in the above sense means a process for atomizing solids in a high vacuum.
  • electrodes with a thin layer thickness can be provided on the base body and membrane consisting of a ceramic material.
  • the spacer be a solder made of metal or glass, which integrally connects the base body and the membrane to one another.
  • the membrane and the base body can be positioned precisely on top of one another. Precise positioning is crucial with regard to the changes in capacity to be determined.
  • the membrane consists of sapphire. Because sapphire, a ceramic material that has a single-crystalline structure, does not generate any hysteresis in mechanical and thermal terms, so that there is a relatively high reproducibility and measuring accuracy. In addition, sapphire has a relatively high dimensional stability at high temperatures, which contributes, for example, to that of Co-sintem of membrane and carrier body no undesirable change in the shape of the membrane occurs. The single-crystal structure of sapphire has no grain boundary, so that the membrane can be made almost as thin as desired. In contrast, the thickness of a membrane made of a conventional ceramic material is limited by the grain size and the statistical distribution of the grains.
  • membranes made of conventional ceramic materials have a minimum thickness of a few grain layers, which both limit the measuring range of the pressure sensor and also prevent miniaturization of the measuring cell.
  • Membranes made of conventional ceramic materials also have the disadvantage, compared to a membrane made of sapphire, that they tend to crack in very thin configurations, which, for example, occur during grinding and can lead to an undesirable long-term deviation of the pressure sensor.
  • Fig. 1 is an exploded view of the measuring cell of the pressure sensor according to the invention.
  • FIG. 2 shows an illustration of the measuring cell according to FIG. 1 arranged inside a housing.
  • the measuring cell 50 shown in FIG. 1 essentially consists of a base body 10, a membrane 20, a spacer 30 arranged between the base body 10 and the membrane 20 and a support body 40 arranged on the side of the membrane 20 opposite the spacer 30 together.
  • the base body 10, the membrane 20 and the carrier body 40 consist of an oxide ceramic, for example based on aluminum oxide.
  • the membrane 20 can also consist of sapphire, a single-crystalline ceramic material, which has a relatively high shape. constant and has no mechanical or thermal hysteresis.
  • the annular spacer 30, on the other hand, is a solder that consists of metal or glass and integrally connects the base body 10 and the membrane 20 in a manner known per se.
  • the membrane 20 and the carrier body 40 are also integrally connected to one another.
  • the base body 10 has two essentially semicircular reference electrodes 11a, 11b, which enclose two essentially sickle-shaped pressure electrodes 12a, 12b.
  • the membrane 20 is provided with reference counter electrodes 21a, 21b corresponding to the reference electrodes 11a, 11b and with pressure counter electrodes 22a, 22b which are congruent with the pressure electrodes 12a, 12b.
  • the reference electrodes 11a, 11b and the reference counter electrodes 21a, 21b on the one hand and the printing electrodes 12a, 12b and the printing counter electrodes 22a, 22b on the other hand form capacitors, the capacitance of which depends on the respective distance between the electrodes 11a-12b and the counter electrode 21a-22b.
  • the electrodes 11a-12b and the counter electrodes 21a-22b are formed as a few micrometers thick layer of gold or platinum on the base body 10 'and the membrane 20th To achieve this, the electrodes 11a-12b and the counter electrodes 21a-22b are applied to the base body 10 and the membrane 20 by means of sputtering, the respective shape of the electrodes 11a-12b and the counter electrodes 21a-22b being provided by appropriate masks for cathode sputtering is caused.
  • the carrier body 40 has a depression 41 below the membrane 20, which is connected to an opening 42.
  • An edge 43 of the carrier body 40 which surrounds the recess 41 in a circular manner serves for the integral connection with the membrane 20.
  • the membrane 20 in the recess 41 can be pressurized with a pressure medium, such as air or a liquid.
  • the measuring cell 50 is arranged inside a housing 60.
  • the carrier body 40 is fastened to a flange 61 on the side facing away from the membrane 20.
  • the flange 61 has a feed line 62 which opens into the opening 42 of the carrier body 40. The pressure medium acting on the membrane can thus flow through the feed line 62 into the recess 41.
  • an evaluation device 70 is arranged on the base body 10, which includes capacitive changes in the measuring cell 50 and forwards them as digital signals via an electrical line 71 for further processing.
  • the evaluation device 70 is also provided with a sensor which detects the temperature of the measuring cell 50 and which likewise transmits the measured temperature as a digital signal via the electrical line 71.
  • the electrical line 71 is led through an opening 63 of the housing 60, which is hermetically sealed.
  • the measuring cell 50 is also hermetically sealed on the flange 61. In this way, it is possible to provide a protective gas 64 in the interior of the housing 60, which protects the evaluation device 70 against harmful environmental influences, such as moisture.
  • the change in the capacitance between the electrodes 11a-12b and the counter electrodes 21a-22b is measured by the measuring cell 50 due to a bending of the membrane 20, a vacuum prevailing between the membrane 20 and the base body 10.
  • the averaged capacitance changes between the pressure electrodes 12a, 12b and the pressure counter-electrodes 22a, 22b are compared to the averaged capacitance changes between the outer reference electrodes 11a, 11b and the reference counter-electrodes 21a, 21b in order to obtain a dimensionless index that is proportional to the change of absolute pressure.
  • the evaluation device 70 converts the measured capacitance change directly into a digital signal, for which a so-called sigma / delta modulator can be used, for example.
  • the pressure sensor described above is used to measure the absolute pressure of a gaseous or liquid pressure medium.
  • the pressure sensor is characterized by a compact and robust design. This is helped by the fact that the measuring cell 50 is protected by the housing 60 and the protective gas 64 present in it from environmental influences which impair the measuring result. Furthermore, a comparatively high accuracy of the pressure sensor is achieved in that the measuring cell 50 is largely mechanically decoupled from the housing 60. This is made possible by the fact that only the carrier body 40 is fastened to the housing 60, whereas the base body 10 and the membrane 20 are arranged inside the housing 60 largely without tension. The fact that the membrane 20 and the carrier body 40 are integrally connected to one another by co-sintering essentially contributes to the largely stress-free arrangement of the membrane 20.
  • the carrier body 40 prevents the membrane 20 from being subjected to torsion.
  • the carrier body 40 is arranged centrally on the flange 61 of the housing 60, as can be seen in FIG. 2.
  • the base body 10 which is separated from the membrane 20 by the spacer 30, serves primarily to generate the electric field between the electrodes 11a-12b and the counter electrodes 21a-22b. Thus, almost no stresses occur in the base body 10. The same applies to the joining zone between the base body 10 and the membrane 20 formed by the spacer 30, which likewise does not impair the measurement result.
  • the base body 10 also enables the evaluation device 70 directly in a simple manner to be arranged on the measuring cell 50. Measurement errors due to a longer signal transmission are therefore excluded.
  • the temperature of the measuring cell 50 which is determined by the sensor of the evaluation device 70, to correct the measured absolute pressure. Due to the high thermal conductivity of the measuring cell 50, which mainly consists of an oxide ceramic, and the direct arrangement of the evaluation device 70 and thus of the temperature sensor on the measuring cell 50, the temperature can be detected exactly. Last but not least, the encapsulation of the measuring cell 50 and the evaluation device 70 through the housing 60 and the protective gas 64 present in the latter take into account electromagnetic compatibility (EMC).
  • EMC electromagnetic compatibility
  • Base body a reference electrode b reference electrode a printing electrode b printing electrode

Abstract

The invention relates to a pressure sensor which is especially used for the capacitive determination of absolute pressure and is provided with a base body (10) comprising at least one electrode (11a, 11b; 12a, 12b), and a membrane (20). Said membrane (20) is separated from the base body (10) by means of a spacer (30) and comprises at least one counter-electrode (21a, 21b; 22a, 22b) for generating an electrical field between the base body (10) and the membrane (20). Both the base body and the membrane (20) consist of a ceramic material. The membrane (20) is arranged on a carrier body consisting of a ceramic material and is connected to said carrier body (40) by means of a material connection which is free of filler materials. The inventive pressure sensor is characterised by a measuring cell (50) consisting of the base body (10), the membrane (20), the spacer (30) and the carrier body (40), and is arranged in a hermetic housing (60). An evaluation device (70) used to detect capacitive changes of the measuring cell (50) is arranged on the base body (10) and comprises a sensor for detecting the temperature of the measuring cell (50).

Description

Drucksensor, insbesondere zur kapazitiven Bestimmung des Absolutdrucks Pressure sensor, in particular for the capacitive determination of the absolute pressure
Die Erfindung betrifft einen Drucksensor, insbesondere zur kapazitiven Bestimmung des Absolutdrucks, der mit einem Grundkörper, der wenigstens eine Elektrode aufweist, und mit einer Membran versehen ist. Die Membran ist durch einen Abstandhalter von dem Grundkörper getrennt und weist zum Erzeugen eines elektrischen Felds zwischen Grundkörper und Membran wenigstens eine Gegenelektrode auf. Der Grundkörper und die Membran sind jeweils aus einem keramischen Werkstoff gefertigt. Die Membran ist an einem aus einem keramischen Werkstoff gefertigten Trägerkörper angeordnet und durch einen Stoffschluß, der frei von Zusatzwerkstoffen ist, mit dem Trägerkörper verbunden.The invention relates to a pressure sensor, in particular for the capacitive determination of the absolute pressure, which is provided with a base body which has at least one electrode and with a membrane. The membrane is separated from the base body by a spacer and has at least one counter electrode for generating an electric field between the base body and the membrane. The base body and the membrane are each made of a ceramic material. The membrane is arranged on a carrier body made of a ceramic material and is connected to the carrier body by a material connection that is free of additional materials.
Drucksensoren dienen im allgemeinen dazu, den Druck von Medien, etwa Flüssigkeiten, Gase oder Dämpfe, absolut oder relativ zu einem Referenzdruck, beispielsweise dem Umgebungsdruck, zu messen. Bei einem kapazitiven Drucksensor wird der Druck an Hand der Veränderung eines durch zwei einander gegenüberliegende Elektroden gebildeten Kondensators bestimmt. Ein ka- pazitiver Drucksensor wird beispielsweise in der EP 1 039 284 A1 beschrieben.Pressure sensors are generally used to measure the pressure of media, such as liquids, gases or vapors, absolutely or relative to a reference pressure, for example the ambient pressure. In the case of a capacitive pressure sensor, the pressure is determined on the basis of the change in a capacitor formed by two electrodes lying opposite one another. A capacitive pressure sensor is described, for example, in EP 1 039 284 A1.
Der bekannte Drucksensor weist einen aus einem keramischen Werkstoff gefertigten Grundkörper auf, der mit einer Elektrode versehen ist. Beabstandet zu der Elektrode ist eine elastisch verformbare Membran angeordnet, die aus einem keramischen Werkstoff besteht und mit einer Gegenelektrode versehen ist. Die Membran wird auf der dem Grundkörper abgewandten Seite mit einem Druckmedium beaufschlagt, das eine Verformung der Membran hervorruft. In Abhängigkeit von der Verformung der Membran ändert sich der Abstand zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode und damit die Kapazität des durch die Elektrode und Gegenelektrode gebildeten Kondensators. Ein die Änderung der Kapazität erfassende Auswerteeinrichtung liefert ein elektrisches Signal, das proportional zu dem Druck des die Membran beaufschlagenden Mediums ist.The known pressure sensor has a base body made of a ceramic material, which is provided with an electrode. Spaced from the electrode is an elastically deformable membrane, which consists of a ceramic material and is provided with a counter electrode. A pressure medium is applied to the membrane on the side facing away from the base body, which causes the membrane to deform. Depending on the deformation of the membrane, the distance between the electrode and the counterelectrode changes and thus the capacitance of the through the electrode and counter electrode formed capacitor. An evaluation device that detects the change in capacitance delivers an electrical signal that is proportional to the pressure of the medium acting on the membrane.
Ein kapazitiver Sensor, bei dem der Grundkörper und die Membran aus Keramik gefertigt sind, offenbaren auch die DE 39 10 646 C2 und DE 40 23 420 A1. Den bekannten Drucksensoren ist zudem gemeinsam, daß durch die Membran und den Grundkörper eine Meßzelle ausgebildet wird, die als verbundene Einheit Anwendung findet. Hierbei hat sich als nachteilig erwiesen, daß durch die Befestigung der Meßzelle in einem Bauteil ein Spannungszustand in der Membran hervorgerufen wird, der zu Hystereseerscheinungen und damit zu Verfälschungen der gemessenen Kapazitätsänderungen führen kann.A capacitive sensor in which the base body and the membrane are made of ceramic are also disclosed in DE 39 10 646 C2 and DE 40 23 420 A1. The known pressure sensors also have in common that a measuring cell is formed by the membrane and the base body, which is used as a connected unit. It has been found to be disadvantageous here that the fastening of the measuring cell in a component causes a stress state in the membrane, which can lead to hysteresis and thus to falsifications of the measured changes in capacitance.
Demgegenüber offenbart die WO 99/34184 eine kapazitive Vakuummeßzelle, die einen ersten Gehäusekörper, eine Membran und einen zweiten Gehäuse- körper aufweist. Die Gehäusekörper und die Membran sind aus Aluminiumoxid gefertigt. Die Membran ist zwischen dem ersten Gehäusekörper und dem zweiten Gehäusekörper angeordnet und mit diesen stoffschlüssig verbunden. Zu diesem Zweck findet entweder ein Glaslot, das zugleich dazu dient, die Membran von den Gehäusekörpern zu beabstanden, oder eine durch' beispielswei- se Verschweißen oder diffusiv erzeugte stoffschlüssige Verbindung zwischen der Membran und den Gehäusekörpern Anwendung. Der Stoffschluß kann dabei frei von Zusatzwerkstoffen sein.In contrast, WO 99/34184 discloses a capacitive vacuum measuring cell which has a first housing body, a membrane and a second housing body. The housing body and the membrane are made of aluminum oxide. The membrane is arranged between the first housing body and the second housing body and is integrally connected to the latter. For this purpose, either finds a glass solder, which also serves the membrane of the housing bodies to space, or a se by 'beispielswei- welding or diffusion-generated cohesive connection between the membrane and the housing bodies application. The material connection can be free of additional materials.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drucksensor der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß sich bei einer einfachen, ko- stengünstigen und robusten Ausgestaltung sowie einer weitgehend spannungsfreien Lagerung der Membran ein vergleichsweise genaues Meßergebnis erzielen läßt.The invention has for its object to develop a pressure sensor of the type mentioned in such a way that a comparatively accurate measurement result can be achieved with a simple, inexpensive and robust design and a largely stress-free storage of the membrane.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist in Übereinstimmung mit Anspruch 1 bei einem Drucksensor mit den oben genannten Merkmalen erfindungsgemäß eine Meß- zelle vorgesehen, die aus dem Grundkörper, der Membran, dem Abstandhalter und dem Trägerkörper zusammengesetzt und in einem hermetischen Gehäuse angeordnet ist, wobei an dem Grundkörper eine kapazitive Änderungen der Meßzelle erfassende Auswerteeinrichtung angeordnet ist, die einen die Tempe- ratur der Meßzelle erfassenden Sensor aufweist.To achieve this object, in accordance with claim 1, a measuring Cell is provided, which is composed of the base body, the membrane, the spacer and the support body and is arranged in a hermetic housing, wherein an evaluation device which detects capacitive changes in the measuring cell and which has a sensor which detects the temperature of the measuring cell is arranged on the base body ,
Ein solchermaßen ausgestalteter Drucksensor macht sich die Erkenntnis zu eigen, daß durch das Vorsehen eines Trägerkörpers für die Membran eine weitgehend spannungsfreie Lagerung der Membran erreicht wird. Grund hierfür ist in erster Linie, daß auf Grund des Trägerkörpers keine Kräfte an der Mem- bran angreifen, die, wie im Stand der Technik, eine unerwünschte Beanspruchung der Membran, beispielsweise auf Torsion, hervorrufen. Zu einer weitgehend spannungsfreien Lagerung der Membran trägt zudem die stoffschlüssige Verbindung von Membran und Trägerkörper maßgeblich bei. So wird etwa das Auftreten von unerwünschten thermischen Spannungen in der Fügezone von Membran und Trägerkörper dadurch vermieden, daß der Stoffschluß ohne Zusatzwerkstoffe gebildet wird. Auf diese Weise bleibt die Fügezone zwischen Membran und Trägerkörper frei von jeglichen fremden Werkstoffen, die das Meßverhalten des Drucksensors, etwa durch auftretende Hystereseerscheinungen, beeinträchtigten.A pressure sensor designed in this way adopts the knowledge that by providing a support body for the membrane, a largely stress-free mounting of the membrane is achieved. The main reason for this is that, due to the support body, no forces act on the membrane which, as in the prior art, cause undesirable stress on the membrane, for example due to torsion. The cohesive connection of the membrane and the support body also contributes significantly to a largely stress-free mounting of the membrane. For example, the occurrence of undesirable thermal stresses in the joining zone of the membrane and carrier body is avoided by the fact that the material bond is formed without additional materials. In this way, the joining zone between the membrane and the carrier body remains free of any foreign materials which impair the measuring behavior of the pressure sensor, for example as a result of hysteresis.
Auf Grund des Trägerkörpers läßt sich die durch Membran und Grundkörper gebildete Meßeinheit ohne weiteres an einem Bauteil befestigen. Eine robuste Ausgestaltung des Drucksensors ist somit sichergestellt. Hierzu trägt auch die Meßzelle bei, die aus dem Grundkörper, der Membran, dem Abstandhalter und dem Trägerkörper zusammengesetzt und in einem hermetischen Gehäuse an- geordnet ist, wobei der Trägerkörper an dem Gehäuse befestigbar ist. Die den Trägerkörper umfassende Meßzelle erfährt durch die Anordnung in dem Gehäuse einen Schutz gegenüber Umgebungseinflüssen. Auf Grund dieser Kapselung der Meßzelle ergibt sich ein überaus robuster Drucksensor. Die Befestigung der Meßzelle mittels des Trägerkörpers an dem Gehäuse ermöglicht eine freie und damit spannungsarme Anordnung von Grundkörper und Membran. Dies gewährleistet eine verhältnismäßig hohe Genauigkeit der Druckmessung.Because of the support body, the measuring unit formed by the membrane and base body can be easily attached to a component. A robust design of the pressure sensor is thus ensured. The measuring cell, which is composed of the base body, the membrane, the spacer and the carrier body and is arranged in a hermetic housing, also contributes to this, the carrier body being attachable to the housing. The measuring cell comprising the carrier body is protected against environmental influences by the arrangement in the housing. This encapsulation of the measuring cell results in an extremely robust pressure sensor. The attachment of the measuring cell to the housing by means of the carrier body enables Free and therefore low-stress arrangement of the base body and membrane. This ensures a relatively high accuracy of the pressure measurement.
Darüber hinaus ist durch die unmittelbare Anordnung der etwa als anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) ausgestalteten Auswerteeinrich- tung an dem Grundkörper eine unverfälschte Messung der Kapazitätsänderung der Meßzelle sichergestellt. Die Auswerteeinrichtung wird dabei durch das hermetische Gehäuse vor Umgebungseinflüssen geschützt. Auf diese Weise lassen sich die zum Anschluß der Auswerteeinrichtung erforderlichen elektrischen Leitungen ohne weiteres auf der Oberfläche des Grundkörpers verlegen. Eine einfache und kostengünstige Bauweise ist damit gewährleistet.In addition, the direct arrangement of the evaluation device designed as an application-specific integrated circuit (ASIC) on the base body ensures an undistorted measurement of the change in capacitance of the measuring cell. The evaluation device is protected from environmental influences by the hermetic housing. In this way, the electrical lines required for connecting the evaluation device can be easily laid on the surface of the base body. This guarantees a simple and inexpensive construction.
Von besonderem Vorteil ist zudem, daß die Auswerteeinrichtung einen die Temperatur der Meßzelle erfassenden Sensor aufweist. Denn mit Hilfe dieses Temperatursensors läßt sich die Temperatur der Meßzelle erfassen, um beispielsweise bei der Auswertung der gemessenen Kapazitätsänderung der Meß- zelle den Einfluß der Temperatur berücksichtigen zu können.It is also particularly advantageous that the evaluation device has a sensor that detects the temperature of the measuring cell. Because with the help of this temperature sensor, the temperature of the measuring cell can be recorded in order, for example, to be able to take into account the influence of the temperature when evaluating the measured change in capacitance of the measuring cell.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Drucksensors stellen die Gegenstände der Ansprüche 2 bis 13 dar.Advantageous embodiments of the pressure sensor according to the invention are the subject matter of claims 2 to 13.
So ist es in Hinsicht auf eine vergleichsweise einfache und kostengünstige Fertigung von Vorteil, die Membran und den Trägerkörper vorzufertigen und durch Sintern, vorzugsweise Co-Sintem, miteinander zu verbinden. Die getrennte Bereitstellung von Membran und Trägerkörper ermöglicht eine individuellen Anforderungen entsprechende modulare Bauweise. Indem sowohl der Trägerkörper als auch die Membran aus einem keramischen Werkstoff bestehen, lassen sie sich durch Sintern oder Co-Sintem stoffschlüssig miteinander verbinden. Unter Co-Sintem im vorstehenden Sinne wird ein Verbindungsverfahren verstanden, bei dem Bauteile ohne Formänderung in Art von Diffusionschweißen stoffschlüssig miteinander verbunden werden. Im Unterschied zu dem herkömmlichen Sintern, bei dem der Stoffschluß durch Verdichten pulverförmiger oder feinkörniger Stoffe mittels Druck und Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts erzeugt wird, was unweigerlich mit einer Änderung der Form einhergeht, zeichnet sich das Co-Sintem dadurch aus, daß die miteinander zu verbindenden Bauteile, im vorliegenden Fall die Membran und der Trägerkörper, keine Beeinträchtigung in ihrer Form erfahren.With regard to a comparatively simple and inexpensive production, it is therefore advantageous to prefabricate the membrane and the support body and to connect them to one another by sintering, preferably co-sintering. The separate provision of membrane and support body enables a modular design that meets individual requirements. Since both the support body and the membrane consist of a ceramic material, they can be connected to one another by sintering or co-sintering. Co-sintem in the above sense means a connection method in which components are connected to one another in a cohesive manner without changing shape in the manner of diffusion welding. In contrast to the conventional sintering, in which the material closure by compressing powdery or fine-grained substances by means of pressure and temperature below the melting point is produced, which is inevitably associated with a change in shape, the Co-Sintem is characterized in that the components to be connected to one another, in the present case the membrane and the support body, experience no impairment in their shape.
Von Vorteil ist außerdem, den Trägerkörper mit einer Vertiefung zu versehen, in der die Membran mit einem Druckmedium beaufschlagbar ist. Das etwa gasförmige oder flüssige Medium, dessen Druck zu messen ist, wird auf diese Weise gezielt an die Membran geleitet. Zu diesem Zweck weist der Trägerkörper bevorzugt eine Öffnung für die Zuführung des Mediums in die Vertiefung auf.It is also advantageous to provide the support body with a recess in which a pressure medium can be applied to the membrane. In this way, the gaseous or liquid medium, the pressure of which is to be measured, is directed specifically to the membrane. For this purpose, the carrier body preferably has an opening for feeding the medium into the depression.
In Hinsicht auf eine kompakte Bauweise des Drucksensors weist das Gehäuse bevorzugt eine Zufuhrleitung für ein Druckmedium auf, die mit der Öffnung des Trägerkörpers verbunden ist.With regard to a compact design of the pressure sensor, the housing preferably has a supply line for a pressure medium, which is connected to the opening of the carrier body.
Weiterhin ist in vorteilhafter Weiterbildung des erfindungsgemäßen Drucksensors ein die Meßzelle im Inneren des Gehäuses umgebendes Schutzgas vor- gesehen. Durch das Schutzgas, beispielsweise Stickstoff, werden Einflüsse der Umgebung, wie beispielsweise Luftfeuchtigkeit, auf das Meßverhalten der Meßzelle ausgeschlossen. Ein genaues Meßverhalten der Meßzelle ist somit dauerhaft gewährleistet.Furthermore, in an advantageous development of the pressure sensor according to the invention, a protective gas surrounding the measuring cell in the interior of the housing is provided. The protective gas, for example nitrogen, prevents environmental influences, such as, for example, air humidity, on the measuring behavior of the measuring cell. An accurate measuring behavior of the measuring cell is thus permanently guaranteed.
Eine bevorzugte konstruktive Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Druck- sensors sieht vor, daß der Grundkörper mit wenigstens einer Druckelektrode und wenigstens einer Referenzelektrode und die Membran mit wenigstens einer Druckgegenelektrode und wenigstens einer Referenzgegenelektrode versehen sind. Durch das Vorsehen von Druck- und Referenzelektroden beziehungsweise -gegenelektroden ergeben sich wenigstens zwei Kapazitäten, deren Ände- rungen zur Messung des Absolutdrucks des die Membran beaufschlagenden Druckmediums herangezogen werden. Eine Quotientenbildung der ermittelten Kapazitätsänderungen führt zu einer dimensionslosen Kennzahl, die proportional zu dem zu bestimmenden Absolutdruck ist. Zweckmäßigerweise werden die Druckelektrode und Druckgegenelektrode im Zentrum von Grundkörper und Membran angeordnet, wohingegen sich die Referenz- und Referenzgegenelektrode im Randbereich von Membran und Grundkörper befinden. Auf diese Weise läßt sich der unterschiedlichen Biegung der Membran entlang des Durchmessers auf Grund ihrer gewöhnlich randseitigen Einspannung Rechnung tra- gen. Als in konstruktiver Hinsicht vorteilhaft hat sich erwiesen, wenn der Grundkörper zwei innere Druckelektroden aufweist, die von zwei äußeren Referenzelektroden umgeben sind, und daß die Membran zwei innere Druckgegenelektroden aufweist, die von zwei äußeren Referenzgegenelektroden umgeben sind. Durch die Verdoppelung der Anzahl an Druck- und Referenzelektroden beziehungsweise -gegenelektroden läßt sich die Genauigkeit der ermittelten Kapazitätsänderungen steigern.A preferred design of the pressure sensor according to the invention provides that the base body is provided with at least one pressure electrode and at least one reference electrode and the membrane with at least one pressure counter electrode and at least one reference counter electrode. The provision of pressure and reference electrodes or counter-electrodes results in at least two capacities, the changes of which are used to measure the absolute pressure of the pressure medium acting on the membrane. A quotient of the determined changes in capacity leads to a dimensionless indicator that is proportional to the absolute pressure to be determined. The pressure electrode and pressure counter electrode are expediently in the center of the base body and Diaphragm arranged, whereas the reference and reference counterelectrode are located in the edge area of the membrane and base body. In this way, the different curvature of the membrane along the diameter can be taken into account due to its usually edge-side clamping. It has proven to be advantageous from a constructional point of view if the base body has two inner pressure electrodes, which are surrounded by two outer reference electrodes, and that the membrane has two inner pressure counter electrodes, which are surrounded by two outer reference counter electrodes. By doubling the number of pressure and reference electrodes or counter-electrodes, the accuracy of the determined changes in capacitance can be increased.
Um eine einfache und in wirtschaftlicher Hinsicht kostengünstige Fertigung sicherzustellen, bestehen die Elektroden und die Gegenelektroden bevorzugt aus Platin oder Gold und sind vorzugsweise durch Sputtering auf den Grundkörper und die Membran aufgebracht. Unter Sputtering im vorstehenden Sinne wird ein Verfahren zur Zerstäubung von Festkörpern im Hochvakuum verstanden. Auf diese Weise lassen sich Elektroden geringer Schichtdicke auf den aus einem keramischen Werkstoff bestehenden Grundkörper und Membran vorsehen.In order to ensure simple and economical manufacture, the electrodes and the counter electrodes are preferably made of platinum or gold and are preferably applied to the base body and the membrane by sputtering. Sputtering in the above sense means a process for atomizing solids in a high vacuum. In this way, electrodes with a thin layer thickness can be provided on the base body and membrane consisting of a ceramic material.
Weiterhin wird in Weiterbildung des erfindungsgemäßen Drucksensors vorge- schlagen, daß der Abstandhalter ein aus Metall oder Glas bestehendes Lot ist, das den Grundkörper und die Membran stoffschlüssig miteinander verbindet. Mittels des Lots lassen sich die Membran und der Grundkörper lagegenau aufeinander positionieren. Eine lagegenaue Positionierung ist in Hinsicht auf die zu ermittelnden Kapazitätsänderungen von entscheidender Bedeutung.Furthermore, in a development of the pressure sensor according to the invention, it is proposed that the spacer be a solder made of metal or glass, which integrally connects the base body and the membrane to one another. Using the plumb bob, the membrane and the base body can be positioned precisely on top of one another. Precise positioning is crucial with regard to the changes in capacity to be determined.
Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die Membran aus Saphir besteht. Denn Saphir, ein keramischer Werkstoff, der über eine einkristalline Struktur verfügt, erzeugt in mechanischer und thermischer Hinsicht keine Hysterese, so daß sich eine verhältnismäßig hohe Reproduzierbarkeit und Meßgenauigkeit ergibt. Darüber hinaus weist Saphir bei hohen Temperaturen eine re- lativ hohe Formbeständigkeit auf, die dazu beiträgt, daß beispielsweise beim Co-Sintem von Membran und Trägerkörper keine unerwünschte Veränderung der Form der Membran auftritt. Die einkristalline Struktur von Saphir besitzt keine Korngrenze, so daß sich die Membran nahezu beliebig dünn herstellen läßt. Demgegenüber wird die Dicke einer aus einem herkömmlichen keramischen Werkstoff bestehenden Membran durch die Korngröße und die statistische Verteilung der Körner begrenzt. Dies hat zur Folge, daß Membrane aus herkömmlichen keramischen Werkstoffen eine Mindestdicke von einigen Kornlagen aufweisen, die sowohl den Meßbereich des Drucksensors beschränken als auch einer Miniaturisierung der Meßzelle entgegenstehen. Membrane aus herkömm- liehen keramischen Werkstoffen haben gegenüber einer aus Saphir bestehenden Membran zudem den Nachteil, daß sie bei sehr dünnen Ausgestaltungen zu Rissen neigen, die beispielsweise beim Schleifen auftreten und zu einer unerwünschten Langzeitabweichung des Drucksensors führen können.It has proven to be particularly advantageous if the membrane consists of sapphire. Because sapphire, a ceramic material that has a single-crystalline structure, does not generate any hysteresis in mechanical and thermal terms, so that there is a relatively high reproducibility and measuring accuracy. In addition, sapphire has a relatively high dimensional stability at high temperatures, which contributes, for example, to that of Co-sintem of membrane and carrier body no undesirable change in the shape of the membrane occurs. The single-crystal structure of sapphire has no grain boundary, so that the membrane can be made almost as thin as desired. In contrast, the thickness of a membrane made of a conventional ceramic material is limited by the grain size and the statistical distribution of the grains. The consequence of this is that membranes made of conventional ceramic materials have a minimum thickness of a few grain layers, which both limit the measuring range of the pressure sensor and also prevent miniaturization of the measuring cell. Membranes made of conventional ceramic materials also have the disadvantage, compared to a membrane made of sapphire, that they tend to crack in very thin configurations, which, for example, occur during grinding and can lead to an undesirable long-term deviation of the pressure sensor.
Einzelheiten und weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Drucksensors erge- ben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels. In der das Ausführungsbeispiel schematisch darstellenden Zeichnung veranschaulichen im einzelnen:Details and further advantages of the pressure sensor according to the invention result from the following description of a preferred exemplary embodiment. In the drawing schematically illustrating the exemplary embodiment, the following are illustrated in detail:
Fig. 1 eine Explosionsdarstellung der Meßzelle des erfindungsgemäßen Drucksensors undFig. 1 is an exploded view of the measuring cell of the pressure sensor according to the invention and
Fig. 2 eine Abbildung der im Inneren eines Gehäuses angeordneten Meßzelle gemäß Fig. 1.FIG. 2 shows an illustration of the measuring cell according to FIG. 1 arranged inside a housing.
Die in Fig. 1 dargestellte Meßzelle 50 setzt sich im wesentlichen aus einem Grundkörper 10, einer Membran 20, einem zwischen dem Grundkörper 10 und der Membran 20 angeordneten Abstandhalter 30 und einem auf der dem Ab- standhalter 30 gegenüberliegenden Seite der Membran 20 angeordneten Trägerkörper 40 zusammen. Der Grundkörper 10, die Membran 20 und der Trägerkörper 40 bestehen aus einer Oxid-Keramik, beispielsweise auf Basis von Aluminiumoxid. Alternativ kann die Membran 20 auch aus Saphir, einem einkristallinen keramischen Werkstoff, bestehen, der über eine relativ hohe Formbe- ständigkeit verfügt und in mechanischer und thermischer Hinsicht keine Hysterese erzeugt. Der ringförmige Abstandhalter 30 dagegen ist ein Lot, das aus Metall oder Glas besteht und den Grundkörper 10 und die Membran 20 in an sich bekannter Weise stoffschlüssig miteinander verbindet. Die Membran 20 und der Trägerkörper 40 sind gleichfalls stoffschlüssig miteinander verbunden.The measuring cell 50 shown in FIG. 1 essentially consists of a base body 10, a membrane 20, a spacer 30 arranged between the base body 10 and the membrane 20 and a support body 40 arranged on the side of the membrane 20 opposite the spacer 30 together. The base body 10, the membrane 20 and the carrier body 40 consist of an oxide ceramic, for example based on aluminum oxide. Alternatively, the membrane 20 can also consist of sapphire, a single-crystalline ceramic material, which has a relatively high shape. constant and has no mechanical or thermal hysteresis. The annular spacer 30, on the other hand, is a solder that consists of metal or glass and integrally connects the base body 10 and the membrane 20 in a manner known per se. The membrane 20 and the carrier body 40 are also integrally connected to one another.
Hierbei findet allerdings Co-Sintern Anwendung, das einen Stoffschluß erzeugt, der frei von Zusatzwerkstoffen ist.Here, however, co-sintering is used, which produces a material bond that is free of additional materials.
Wie in Fig. 1 ferner zu erkennen, weist der Grundkörper 10 zwei im wesentlichen halbkreisförmige Referenzelektroden 11a, 11 b auf, die zwei im wesentli- chen sichelförmige Druckelektroden 12a, 12b umschließen. Die Membran 20 ist mit den Referenzelektroden 11a, 11b entsprechenden Referenzgegenelektroden 21a, 21b und mit Druckgegenelektroden 22a, 22b, die deckungsgleich zu den Druckelektroden 12a, 12b sind, versehen. Auf diese Weise bilden die Referenzelektroden 11a, 11 b und die Referenzgegenelektroden 21a, 21b einerseits sowie die Druckelektroden 12a, 12b und die Druckgegenelektroden 22a, 22b andererseits Kondensatoren, deren Kapazität von dem jeweiligen Abstand zwischen Elektrode 11a-12b und Gegenelektrode 21a-22b abhängt. Die Elektroden 11a-12b und die Gegenelektroden 21a-22b sind als eine nur wenige Mikrometer starke Schicht aus Gold oder Platin auf dem Grundkörper '10 und der Membran 20 ausgebildet. Um dies zu erreichen, werden die Elektroden 11a-12b und die Gegenelektroden 21a-22b mittels Sputtering auf den Grundkörper 10 und die Membran 20 aufgebracht, wobei die jeweilige Form der Elektroden 11a-12b und der Gegenelektroden 21a-22b durch entsprechende Masken für eine Kathodenzerstäubung hervorgerufen wird.As can also be seen in FIG. 1, the base body 10 has two essentially semicircular reference electrodes 11a, 11b, which enclose two essentially sickle-shaped pressure electrodes 12a, 12b. The membrane 20 is provided with reference counter electrodes 21a, 21b corresponding to the reference electrodes 11a, 11b and with pressure counter electrodes 22a, 22b which are congruent with the pressure electrodes 12a, 12b. In this way, the reference electrodes 11a, 11b and the reference counter electrodes 21a, 21b on the one hand and the printing electrodes 12a, 12b and the printing counter electrodes 22a, 22b on the other hand form capacitors, the capacitance of which depends on the respective distance between the electrodes 11a-12b and the counter electrode 21a-22b. The electrodes 11a-12b and the counter electrodes 21a-22b are formed as a few micrometers thick layer of gold or platinum on the base body 10 'and the membrane 20th To achieve this, the electrodes 11a-12b and the counter electrodes 21a-22b are applied to the base body 10 and the membrane 20 by means of sputtering, the respective shape of the electrodes 11a-12b and the counter electrodes 21a-22b being provided by appropriate masks for cathode sputtering is caused.
Der Trägerkörper 40 weist unterhalb der Membran 20 eine Vertiefung 41 auf, die mit einer Öffnung 42 verbunden ist. Ein die Vertiefung 41 kreisförmig einfassender Rand 43 des Trägerkörpers 40 dient zur stoffschlüssigen Verbindung mit der Membran 20. Auf diese Weise kann die Membran 20 in der Vertiefung 41 mit einem Druckmedium, wie beispielsweise Luft oder eine Flüssigkeit, be- aufschlagt werden. Wie insbesondere Fig. 2 erkennen läßt, ist die Meßzelle 50 im Inneren eines Gehäuses 60 angeordnet. Dabei ist der Trägerkörper 40 auf der der Membran 20 abgewandten Seite an einem Flansch 61 befestigt. Der Flansch 61 weist eine Zufuhrleitung 62 auf, die in der Öffnung 42 des Trägerkörpers 40 mündet. Das die Membran beaufschlagende Druckmedium kann somit durch die Zufuhrleitung 62 in die Vertiefung 41 strömen.The carrier body 40 has a depression 41 below the membrane 20, which is connected to an opening 42. An edge 43 of the carrier body 40 which surrounds the recess 41 in a circular manner serves for the integral connection with the membrane 20. In this way, the membrane 20 in the recess 41 can be pressurized with a pressure medium, such as air or a liquid. As can be seen in particular in FIG. 2, the measuring cell 50 is arranged inside a housing 60. The carrier body 40 is fastened to a flange 61 on the side facing away from the membrane 20. The flange 61 has a feed line 62 which opens into the opening 42 of the carrier body 40. The pressure medium acting on the membrane can thus flow through the feed line 62 into the recess 41.
Weiterhin ist in Fig. 2 zu erkennen, daß auf dem Grundkörper 10 eine Auswerteeinrichtung 70 angeordnet ist, welche kapazitive Änderungen der Meßzelle 50 umfaßt und als digitale Signale über eine elektrische Leitung 71 für eine Weiter- Verarbeitung weiterleitet. Die Auswerteeinrichtung 70 ist zudem mit einem die Temperatur der Meßzelle 50 erfassenden Sensor versehen, der die gemessene Temperatur gleichfalls als digitales Signal über die elektrische Leitung 71 weitergibt.Furthermore, it can be seen in FIG. 2 that an evaluation device 70 is arranged on the base body 10, which includes capacitive changes in the measuring cell 50 and forwards them as digital signals via an electrical line 71 for further processing. The evaluation device 70 is also provided with a sensor which detects the temperature of the measuring cell 50 and which likewise transmits the measured temperature as a digital signal via the electrical line 71.
Die elektrische Leitung 71 wird durch eine Öffnung 63 des Gehäuses 60 ge- führt, die hermetisch abgedichtet ist. Auch die Meßzelle 50 ist hermetisch dichtend auf dem Flansch 61 angeordnet. Auf diese Weise ist es möglich, im Inneren des Gehäuses 60 ein Schutzgas 64 vorzusehen, das die Auswerteeinrichtung 70 vor schädlichen Umgebungseinflüssen, wie beispielsweise Feuchtigkeit, schützt.The electrical line 71 is led through an opening 63 of the housing 60, which is hermetically sealed. The measuring cell 50 is also hermetically sealed on the flange 61. In this way, it is possible to provide a protective gas 64 in the interior of the housing 60, which protects the evaluation device 70 against harmful environmental influences, such as moisture.
Zur Ermittlung des Absolutdrucks des Druckmediums wird durch die Meßzelle 50 die Änderung der Kapazität zwischen den Elektroden 11a-12b und den Gegenelektroden 21a-22b auf Grund einer Biegung der Membran 20 gemessen, wobei zwischen der Membran 20 und dem Grundkörper 10 ein Vakuum herrscht. Die gemittelten Kapazitätsänderungen zwischen den Druckelektroden 12a, 12b und den Druckgegenelektroden 22a, 22b wird dabei ins Verhältnis gesetzt zu den gemittelten Kapazitätsänderungen zwischen den äußeren Referenzelektroden 11a, 11b und den Referenzgegenelektroden 21a, 21b, um eine dimensionslose Kennzahl zu erhalten, die proportional zu der Änderung des Absolutdrucks ist. Die Auswerteeinrichtung 70 wandelt die gemessene Kapazi- tätsänderung unmittelbar in ein digitales Signal um, wozu beispielsweise ein sogenannter Sigma/Delta-Modulator Anwendung finden kann.To determine the absolute pressure of the pressure medium, the change in the capacitance between the electrodes 11a-12b and the counter electrodes 21a-22b is measured by the measuring cell 50 due to a bending of the membrane 20, a vacuum prevailing between the membrane 20 and the base body 10. The averaged capacitance changes between the pressure electrodes 12a, 12b and the pressure counter-electrodes 22a, 22b are compared to the averaged capacitance changes between the outer reference electrodes 11a, 11b and the reference counter-electrodes 21a, 21b in order to obtain a dimensionless index that is proportional to the change of absolute pressure. The evaluation device 70 converts the measured capacitance change directly into a digital signal, for which a so-called sigma / delta modulator can be used, for example.
Der zuvor beschriebene Drucksensor dient zur Messung des Absolutdrucks eines gasförmigen oder flüssigen Druckmediums. Der Drucksensor zeichnet sich durch eine kompakte und robuste Bauweise aus. Hierzu trägt bei, daß die Meßzelle 50 durch das Gehäuse 60 und das in diesem vorhandene Schutzgas 64 vor das Meßergebnis beeinträchtigenden Umgebungseinflüssen geschützt wird. Weiterhin wird eine vergleichsweise hohe Genauigkeit des Drucksensors erreicht, indem die Meßzelle 50 von dem Gehäuse 60 weitgehend mechanisch entkoppelt ist. Dies wird dadurch ermöglicht, daß ausschließlich der Trägerkörper 40 an dem Gehäuse 60 befestigt ist, wohingegen der Grundkörper 10 und die Membran 20 weitgehend spannungsfrei im Inneren des Gehäuses 60 angeordnet sind. Zu der weitgehend spannungsfreien Anordnung der Membran 20 trägt im wesentlichen bei, daß die Membran 20 und der Trägerkörper 40 durch Co-Sintern stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Fremde Zusatzwerkstoffe, die in der Fügezone zwischen Membran 20 und Trägerkörper 40 unweigerlich thermische Spannungen hervorriefen, werden auf diese Weise vermieden. Darüber hinaus verhindert der Trägerkörper 40, daß die Membran 20 auf Torsion beansprucht wird. In diesem Zusammenhang ist förderlich, daß der Träger- körper 40 mittig an dem Flansch 61 des Gehäuses 60 angeordnet ist, wie in Fig. 2 zu erkennen ist.The pressure sensor described above is used to measure the absolute pressure of a gaseous or liquid pressure medium. The pressure sensor is characterized by a compact and robust design. This is helped by the fact that the measuring cell 50 is protected by the housing 60 and the protective gas 64 present in it from environmental influences which impair the measuring result. Furthermore, a comparatively high accuracy of the pressure sensor is achieved in that the measuring cell 50 is largely mechanically decoupled from the housing 60. This is made possible by the fact that only the carrier body 40 is fastened to the housing 60, whereas the base body 10 and the membrane 20 are arranged inside the housing 60 largely without tension. The fact that the membrane 20 and the carrier body 40 are integrally connected to one another by co-sintering essentially contributes to the largely stress-free arrangement of the membrane 20. Foreign filler materials, which inevitably cause thermal stresses in the joining zone between membrane 20 and carrier body 40, are avoided in this way. In addition, the carrier body 40 prevents the membrane 20 from being subjected to torsion. In this context, it is beneficial that the carrier body 40 is arranged centrally on the flange 61 of the housing 60, as can be seen in FIG. 2.
Auf Grund der weitgehend spannungsfreien Lagerung der Membran 20 werden Hystereseerscheinungen, die das Meßergebnis verfälschten, vermieden. Der durch den Abstandhalter 30 von der Membran 20 getrennte Grundkörper 10 dient vornehmlich zur Erzeugung des elektrischen Felds zwischen den Elektroden 11a-12b und den Gegenelektroden 21a-22b. In dem Grundkörper 10 treten somit nahezu keine Spannungen auf. Das Gleiche gilt für die durch den Abstandhalter 30 gebildete Fügezone zwischen Grundkörper 10 und Membran 20, die damit das Meßergebnis gleichfalls nicht beeinträchtigt. Der Grundkörper 10 ermöglicht zudem auf einfache Weise die Auswerteeinrichtung 70 unmittelbar an der Meßzelle 50 anzuordnen. Meßverfälschungen auf Grund einer längeren Signalübertragung werden mithin ausgeschlossen. In Hinsicht auf ein genaues Meßergebnis ist es überdies möglich, die Temperatur der Meßzelle 50, die durch den Sensor der Auswerteeinrichtung 70 ermittelt wird, zur Korrektur des gemessenen Absolutdrucks heranzuziehen. Auf Grund der hohen thermischen Leitfähigkeit der hauptsächlich aus einer Oxid-Keramik bestehenden Meßzelle 50 und der unmittelbaren Anordnung der Auswerteeinrichtung 70 und damit des die Temperatur erfassenden Sensors an der Meßzelle 50 läßt sich die Temperatur exakt erfassen. Nicht zuletzt trägt der kapazitive Drucksensor durch die Kapselung der Meßzelle 50 und der Auswerteeinrichtung 70 durch das Gehäuse 60 und das in diesem vorhandene Schutzgas 64 einer elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) Rechnung. Due to the largely tension-free mounting of the membrane 20, hysteresis phenomena that falsify the measurement result are avoided. The base body 10, which is separated from the membrane 20 by the spacer 30, serves primarily to generate the electric field between the electrodes 11a-12b and the counter electrodes 21a-22b. Thus, almost no stresses occur in the base body 10. The same applies to the joining zone between the base body 10 and the membrane 20 formed by the spacer 30, which likewise does not impair the measurement result. The base body 10 also enables the evaluation device 70 directly in a simple manner to be arranged on the measuring cell 50. Measurement errors due to a longer signal transmission are therefore excluded. With regard to an accurate measurement result, it is also possible to use the temperature of the measuring cell 50, which is determined by the sensor of the evaluation device 70, to correct the measured absolute pressure. Due to the high thermal conductivity of the measuring cell 50, which mainly consists of an oxide ceramic, and the direct arrangement of the evaluation device 70 and thus of the temperature sensor on the measuring cell 50, the temperature can be detected exactly. Last but not least, the encapsulation of the measuring cell 50 and the evaluation device 70 through the housing 60 and the protective gas 64 present in the latter take into account electromagnetic compatibility (EMC).
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
Grundkörper a Referenzelektrode b Referenzelektrode a Druckelektrode b DruckelektrodeBase body a reference electrode b reference electrode a printing electrode b printing electrode
Membran a Referenzgegenelektrode b Referenzgegenelektrode a Druckgegenelektrode b DruckgegenelektrodeMembrane a reference counter electrode b reference counter electrode a pressure counter electrode b pressure counter electrode
Abstandhalterspacer
Trägerkörpersupport body
Vertiefungdeepening
Öffnungopening
Randedge
Meßzellemeasuring cell
Gehäusecasing
Flanschflange
Zufuhrleitung hermetisch abgedichtete ÖffnungSupply line hermetically sealed opening
Schutzgasprotective gas
Auswerteeinrichtung elektrische Leitung Evaluation device electrical line

Claims

Patentansprüche claims
1. Drucksensor, insbesondere zur kapazitiven Bestimmung des Absolutdrucks, mit einem Grundkörper (10), der wenigstens eine Elektrode (11a, 11b; 12a, 12b) aufweist, und mit einer Membran (20), die durch einen Abstandhalter (30) von dem Grundkörper (10) getrennt ist und zum Erzeugen eines elektrischen Felds zwischen Grundkörper (10) und Membran (20) wenigstens eine Gegenelektrode (21a, 21b; 22a, 22b) aufweist, wobei der Grundkörper (10) und die Membran (20) jeweils aus einem keramischen Werkstoff gefertigt sind und wobei die Membran (20) an einem aus einem keramischen Werkstoff gefertigten Trägerkörper (40) angeordnet und durch einen Stoffschluß, der frei von Zusatzwerkstoffen ist, mit dem Trägerkörper (40) verbunden ist, gekennzeichnet durch eine Meßzelle (50), die aus dem Grundkörper (10), der Membran (20), dem Abstandhalter (30) und dem Trägerkörper (40) zusammengesetzt und in einem hermetischen Gehäuse (60) angeordnet ist, wobei an dem Grundkörper (10) eine kapazitive Änderungen der Meßzelle (50) erfassende Auswerteeinrichtung (70) angeordnet ist, die einen die Temperatur der Meßzelle (50) erfassenden Sensor aufweist.1. Pressure sensor, in particular for the capacitive determination of the absolute pressure, with a base body (10) which has at least one electrode (11a, 11b; 12a, 12b), and with a membrane (20) through a spacer (30) from the The base body (10) is separated and has at least one counter electrode (21a, 21b; 22a, 22b) for generating an electric field between the base body (10) and the membrane (20), the base body (10) and the membrane (20) each consisting of are made of a ceramic material and the membrane (20) is arranged on a carrier body (40) made of a ceramic material and is connected to the carrier body (40) by a material connection that is free of additional materials, characterized by a measuring cell (50 ), which is composed of the base body (10), the membrane (20), the spacer (30) and the support body (40) and is arranged in a hermetic housing (60), with a capacitive on the base body (10) An evaluation device (70) detecting changes in the measuring cell (50) is arranged, which has a sensor that detects the temperature of the measuring cell (50).
2. Drucksensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (20) und der Trägerkörper (30) vorgefertigt und durch Sintern, vorzugsweise Co-Sintern, miteinander verbunden sind.2. Pressure sensor according to claim 1, characterized in that the membrane (20) and the carrier body (30) are prefabricated and are interconnected by sintering, preferably co-sintering.
3. Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper (40) mit einer Vertiefung (41) versehen ist, in der die Membran (20) mit einem Druckmedium beaufschlagbar ist. 3. Pressure sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the carrier body (40) is provided with a recess (41) in which the membrane (20) can be acted upon with a pressure medium.
4. Drucksensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper (40) eine Öffnung (42) für die Zuführung eines Druckmediums in die Vertiefung (41) aufweist. 4. Pressure sensor according to claim 3, characterized in that the carrier body (40) has an opening (42) for the supply of a pressure medium in the recess (41).
5. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper (40) annähernd mittig an einem Flansch (61) des Gehäuses (60) befestigt ist.5. Pressure sensor according to one of claims 1 to 4, characterized in that the carrier body (40) is attached approximately centrally to a flange (61) of the housing (60).
6. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn- zeichnet, daß das Gehäuse (60) eine Zufuhrleitung (62) für ein6. Pressure sensor according to one of claims 1 to 5, characterized in that the housing (60) has a supply line (62) for one
Druckmedium aufweist, die mit der Öffnung (42) des Trägerkörpers (40) verbunden ist.Has pressure medium which is connected to the opening (42) of the carrier body (40).
7. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch ein die Meßzelle (50) im Inneren des Gehäuses (60) umgeben- des Schutzgas.7. Pressure sensor according to one of claims 1 to 6, characterized by a protective gas surrounding the measuring cell (50) inside the housing (60).
8. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung (70) digitale Signale bereitstellt.8. Pressure sensor according to one of claims 1 to 7, characterized in that the evaluation device (70) provides digital signals.
9. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn- zeichnet, daß der Grundkörper (10) mit wenigstens einer Druckelektrode (12a, 12b) und wenigstens einer Referenzelektrode (11a, 11 b) und die Membran (20) mit wenigstens einer Druckgegenelektrode (22a, 22b) und wenigstens einer Referenzgegenelektrode (21a, 21 b) versehen sind.9. Pressure sensor according to one of claims 1 to 8, characterized in that the base body (10) with at least one pressure electrode (12a, 12b) and at least one reference electrode (11a, 11b) and the membrane (20) with at least one Pressure counter electrode (22a, 22b) and at least one reference counter electrode (21a, 21 b) are provided.
10. Drucksensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (10) zwei innere Druckelektroden (12a, 12b) aufweist, die von zwei äußeren Referenzelektroden (11a, 11b) umschlossen sind, und daß die Membran (20) zwei innere Druckgegenelektroden (12a, 12b) aufweist, die von zwei äußeren Referenzgegenelektroden (11a, 11b) umschlossen sind.10. Pressure sensor according to claim 9, characterized in that the base body (10) has two inner pressure electrodes (12a, 12b) which are surrounded by two outer reference electrodes (11a, 11b), and that the membrane (20) has two inner pressure counter-electrodes ( 12a, 12b), which are enclosed by two outer reference counter electrodes (11a, 11b).
11. Drucksensor nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (11a, 11b; 12a, 12b) und die Gegenelektroden (21a, 21b; 22a, 22b) aus Platin oder Gold bestehen und vorzugsweise durch Sputtering auf den Grundkörper (10) und die Membran (20) aufgebracht sind.11. Pressure sensor according to claim 9 or 10, characterized in that the electrodes (11a, 11b; 12a, 12b) and the counter electrodes (21a, 21b; 22a, 22b) consist of platinum or gold and preferably are applied by sputtering to the base body (10) and the membrane (20).
12. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, daß der Abstandhalter (30) ein aus Metall oder Glas bestehendes Lot ist, das den Grundkörper (10) und die Membran (20) stoffschlüssig miteinander verbindet.12. Pressure sensor according to one of claims 1 to 11, characterized in that the spacer (30) is a metal or glass solder which connects the base body (10) and the membrane (20) integrally.
13. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (20) aus Saphir besteht. 13. Pressure sensor according to one of claims 1 to 12, characterized in that the membrane (20) consists of sapphire.
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