DE3023218A1

DE3023218A1 - Capacitive press sensor for mass production - consists of flexible insulating layers with deposited metal layers

Info

Publication number: DE3023218A1
Application number: DE19803023218
Authority: DE
Inventors: Joachim Dr. 8672 Selb Schnell
Original assignee: Draloric Electronic 8500 Nuernberg GmbH; Draloric Electronic GmbH
Current assignee: Draloric Electronic GmbH
Priority date: 1980-06-21
Filing date: 1980-06-21
Publication date: 1982-02-25

Abstract

The sensor consists of two electrically conducting coatings (1,3) separated by an intermediate insulating layer (2). It can be produced economically using conventional manufacturing methods in large numbers and can be incorporated in oscillator circuits generating frequency analogue signals which can be directly processed by microcomputers. The electrically insulating layer is an elastic sheet or plastics foil with gas pockets, and one or both of the electrically conducting coatings (1,3) is a deposited thin metal sheet which can be applied as a series of small plates. The electrically insulating and conducting sheets can be arranged in a stack or cylindrical body enclosed in an air-tight coating permitting access for contacts to the conducting layers. The arrangement can be used alternatively as a temp. sensor.

Description

Kapazitiver Drucksensor Capacitive pressure sensor

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Drucksensor, bestehend aus zwei elektrisch leitenden Belägen und einer zwischen diesen Belägen liegenden, elektrisch isolierenden Schicht.The invention relates to a capacitive pressure sensor, consisting of two electrically conductive coverings and one between these coverings, electrically insulating layer.

Auf dem Markt haben sich Dehnungsmeßstreifen und piezoresistive Drucksensoren durchgesetzt. Bei beiden wird durch Durchbiegen einer Membran ein Widerstand druckabhängig verändert. Für die Herstellung beider Sensorenarten ist ein hohes Maß an technischem Aufwand erforderlich.Strain gauges and piezoresistive pressure sensors have become available on the market enforced. With both of them, a resistance becomes pressure-dependent by bending a membrane changes. A high level of technicality is required to manufacture both types of sensors Effort required.

Von einem Dehnungsmeßstreifen oder einem piezoresistiven Drucksensor, wie er beispielsweise aus der DE-OS 2 844 893 oder aus dem DE-GM 7 828 255 bekannt ist, erhält man ein druckabhängiges analoges Signal, das mit Hilfe eines AD-Wandlers in ein digitales Signal umgewandelt werden muß, damit es von einem Mikrocomputer weiterverarbeitet werden kann.From a strain gauge or a piezoresistive pressure sensor, as known, for example, from DE-OS 2,844,893 or from DE-GM 7,828,255 is, a pressure-dependent analog signal is obtained that is generated with the aid of an AD converter must be converted to a digital signal in order for it to be processed by a microcomputer can be further processed.

Aufgabe der Erfindung ist die Entwicklung eines kapazitiven Drucksensors, der nach einfachen bekannten Herstellungsverfahren in Großserien billig hergestellt werden kann und mit dem man Schwingkreise bauen kann, die frequenzanaloge Signale liefern, die von Mikrocomputern direkt verarbeitet werden können.The object of the invention is to develop a capacitive pressure sensor, which is manufactured cheaply in large series by simple known manufacturing processes and with which oscillating circuits can be built, the frequency-analog signals that can be processed directly by microcomputers.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die zwischen den Belägen liegende elektrisch isolierende Schicht elastisch ist und Gaseinschlüsse enthält Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.This object is achieved in that the between the electrically insulating layer lying on the coverings is elastic and gas inclusions contains Preferred developments of the invention are characterized in the subclaims.

Die zwischen den beiden Belägen gemessene Kapazität ist druckabhängig: Bei hohem Druck werden die Gaseinschlüsse komprimiert und die Kapazität ist groß, bei geringem Druck dehnen sich die Gaseinschlüsse aus und die Kapazität ist klein.The capacity measured between the two pads depends on the pressure: At high pressure, the gas inclusions are compressed and the capacity is large, at low pressure the gas inclusions expand and the capacity is small.

Als isolierende elastische Schicht eignen sich Kunststoffolien, die so hergestellt werden, daß sie geschlossene gas- bzw. luftgefüllte Blasen enthalten.As an insulating elastic layer, plastic films are suitable that be made so that they contain closed gas or air-filled bubbles.

Dazu sind viele Verfahren bekannt; z.B. Schäumen durch chemische Verfahren, Versetzen mit Druckgas oder Druckluft oder auch Recken während der Folienherstellung. Als Beläge eignen sich Metalliolien und Bleche, aber auch metallische dünne Schichten aus Aluminium, Zinn, Zink, Nickel, Gold und anderen Metallen oder Metallegierungen, die nach bekannten Verfahren, wie sie beispielsweise bei der Herstellung von metallisierten Folienkondensatoren angewandt werden, im Vakuum aufgedampft werden.Many methods are known for this; e.g. foaming by chemical processes, Adding compressed gas or compressed air or stretching during film production. Metallic sheets and sheets, but also thin metallic layers, are suitable as coverings made of aluminum, tin, zinc, nickel, gold and other metals or metal alloys, by known methods, such as those used in the manufacture of metallized Foil capacitors are applied, are evaporated in a vacuum.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen im einfachen Aufbau und in der einfachen Herstellbarkeit des Drucksensors, sowie in der unmittelbaren Anwendbarkeit bei Mikrocomputern.The advantages achieved with the invention consist in the simple structure and in the ease of manufacture of the pressure sensor, as well as in the immediate Applicability to microcomputers.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen Fig. l einen plättchenförmigen, kapazitiven Drucksensor, Fig. 2 einen Schnitt entlang der Schnittlinie A-B aus Fig. 1, Fig. 3 einen mehrschichtig aufgebauten Drucksensor, Fig. 4 einen zylinderförmigen Drucksensor und Fig. 5 einen plättchenförmigen Drucksensor im Schnitt.Embodiments of the invention are shown in the drawing. FIG. 1 shows a platelet-shaped, capacitive pressure sensor, and FIG. 2 shows one Section along the section line A-B from FIG. 1, FIG. 3 shows a multilayer structure Pressure sensor, FIG. 4 a cylindrical pressure sensor and FIG. 5 a plate-shaped one Pressure sensor in section.

In den Figuren 1 und 2 ist ein plättchenförmiger Drucksensor schematisch dargestellt. Eine Metallfolie l, die den einen leitenden Belag bildet, wird mit einer isolierenden elastischen, Gaseinschlüsse enthaltenden Schicht 2 versehen. Das kann z.B. durch Aufbringen eines zunächst flüssigen Kunststoffs,durch bekannte Kaschierverfahren oder durch Aufkleben oder einfaches Auflegen von entsprechenden Kunststoffolien erfolgen, wobei die Bildung zusätzlicher undefinierter Luftblasen vermieden werden muß. Auf die isolierende Schicht ? aus einer gerecken Polypropylenfolie wird eine zweite leitende Schicht 3 aufgebracht, z.B. durch Aufdampfen einer Metallschicht oder durch Aufkleben oder Auflegen einer zweiten Metallfolie. Erstaunlicherweise schadet die Vakuumbedampfung der elastischen, Gaseinschlüsse enthaltenden Schicht 2 nicht oder nur vernachlässigbar wenig, wenn die Evakuierung nicht zu abrupt erfolgt. Die beiden leitenden Beläge 1 und 3 werden mit Drahtanschlüssen 4 und 5 versehen, zwischen denen die druckabhängige Kapazität gemessen wird. Zur genauen Einstellung der Soll-Kapazität kann die Größe der leitenden Schicht 3 durch Schleifen,- Abfunken oder durch Wegbrennen definiert verringert werden. Der Sensor ist mit einer elastischen, luftundurchlässigen Schutzschicht 6 umhüllt.In Figures 1 and 2, a platelet-shaped pressure sensor is schematically shown. A metal foil l, which forms the conductive coating, is with an insulating elastic layer 2 containing gas inclusions. This can be done, for example, by applying an initially liquid plastic, using known Laminating process or by gluing or simply laying on the appropriate Plastic films take place, with the formation of additional undefined air bubbles must be avoided. On the insulating layer? from a stretched polypropylene film a second conductive layer 3 is applied, for example by vapor deposition of a metal layer or by gluing or laying on a second metal foil. Amazingly the vacuum deposition of the elastic layer containing gas inclusions damages 2 not or only negligibly little if the evacuation is not too abrupt. The two conductive coverings 1 and 3 come with wire connectors 4 and 5, between which the pressure-dependent capacitance is measured. To the The size of the conductive layer 3 can be adjusted precisely to the target capacitance Grinding, sparking or burning away can be reduced in a defined manner. The sensor is covered with an elastic, air-impermeable protective layer 6.

Fig. 3 zeigt schematisch eine Anzahl elektrisch isolierender Schichten 2, die aufeinandergestapelt sind und zwischen denen selbsttragende oder auf die elektrisch isolierenden Schichten 2 aufgebrachte Metallschichten 1, 3 alternierend auf zwei gegenüberliegende Stirnflächen herausragen und mit den Metallschichten 7, 8 verbunden sind. Mit dieser Ausführungsform und der in Fig. 4 gezeigten sind größere Kapazitätswerte erzielbar, die für die Signalerfassung und Weiterverarbeitung wünschenswert sind. Eine Gaseinschlüsse enthaltende Kunststoffolie 2 wird auf beiden Seiten mit Metallstreifen z.B. aus Aluminium oder Zinn bedampft und so in Streifen geschnitten, daß der erste Belag 1 nur den einen Folienrand und der zweite Belag 3 nur den anderen Folienrand ereicht. Je zwei dieser Folien werden dann in bekannter Weise zu einem Wickelkondensator gewickelt, an den Stirnseiten z.B.Fig. 3 shows schematically a number of electrically insulating layers 2, which are stacked on top of each other and between which self-supporting or on the electrically insulating layers 2 applied metal layers 1, 3 alternately protrude on two opposite end faces and with the metal layers 7, 8 are connected. With this embodiment and that shown in Fig. 4 are larger capacitance values can be achieved for signal acquisition and further processing are desirable. A plastic film 2 containing gas inclusions is on both Sides coated with metal strips, e.g. made of aluminum or tin, and so in strips cut that the first covering 1 only the one edge of the film and the second covering 3 only reaches the other edge of the film. Two of these foils are then known in each case Way wound into a wound capacitor, on the front sides e.g.

durch Schoopieren mit einer Metallschicht aus Zinn, Zink und/oder anderen Metallen versehen und mit Anschlußdrähten verbunden und schließlich mit einer elastischen luftdichten Schutzschicht umhüllt Es ist zweckmäßig, die Kondensatoren nach dem Wickeln sorgfältig mit Imprägnierflüssigkeiten wie Wachs, Mineralöl oder Silikonöl zu tränken, um störende Luftschichten zwischen den Folien zu vermeiden. Die gewick elten Drucksensoren können in runder oder flacher Bauform hergestellt werden; in einem Volumen von 0,5 cm3 läßt sich eine Kapazität von etwa l0 nF unterbringen. Zur Einstellung einer definierten Anfangskapazität erfindungsgemäßer, gewickelter Drucksensoren kann man Wickelmaschinen verwenden, die auf Kapazität wickeln, also nach Erreichen einer Soll-Kapazität die Folien trennen. Mit derartigen Maschinen kann man eine Kapazitätsstreuung von l % mit guter Fertigungsausbeute erreichen. Noch engere Toleranzen erreicht man durch Ausmessen und Koppeln von großen mit ausgesuchten kleinen Kapazitäten. Anstelle der aufgedampften Metallschichten l, 3 können auch Metallfolien verwendet werden, die jeweils an einer Stirnseite des Wickels vorstehen und dort mit Anschlußelementen verbunden sind.by shooping with a metal layer made of tin, zinc and / or provided with other metals and connected with connecting wires and finally with An elastic, airtight protective layer wrapped around it. It is advisable to cover the capacitors after wrapping carefully with impregnating liquids such as wax, mineral oil or To soak silicone oil in order to avoid disturbing layers of air between the foils. The wound pressure sensors can be manufactured in a round or flat design will; in a volume of 0.5 cm3 a Capacity of accommodate about 10 nF. To set a defined initial capacity according to the invention, With wound pressure sensors one can use winding machines that are based on capacitance wrap, i.e. separate the foils after reaching a target capacity. With such Machines can have a capacity spread of 1% with a good production yield reach. Even closer tolerances can be achieved by measuring and coupling large ones with selected small capacities. Instead of the vapor-deposited metal layers 1, 3 metal foils can also be used, each on one end face of the coil protrude and are connected there with connection elements.

In Fig. 5 ist ein Drucksensor skizziert, der in seiner isolierenden elastischen Schicht 2 ein großes zusammenhängendes Luftvolumen enthält. Zwei Metallfolien 1 und 3 werden sehr dünn mit Kleber beschichtet und miteinander verklebt, wobei pulverförmige elastische Abstandsstücke mit definierter Korngröße (10 bis l00 Mikrometer) dafür sorgen, daß ein konstanter Abstand zwischen den beiden Metallfolien eingehalten wird. Die Abstandsstücke können z.B. aus Gummi bestehen, der bei tiefen Temperaturen gemahlen wurde.In Fig. 5, a pressure sensor is sketched in its insulating elastic layer 2 contains a large contiguous volume of air. Two metal foils 1 and 3 are very thinly coated with glue and glued together, whereby powdery elastic spacers with a defined grain size (10 to 100 micrometers) ensure that a constant distance between the two metal foils is maintained will. The spacers can be made of rubber, for example, which can be used at low temperatures was ground.

Der Drucksensor ist mit Anschlußdrähten 4 und 5 und mit einer elastischen Schutzhülle 6 versehen.The pressure sensor has connecting wires 4 and 5 and an elastic one Protective cover 6 provided.

Die En,psindlichkeit erfindungsgemäßer kapazitiver Drucksensoren, also das Verhältnis von Kapazitätsänderung zu Druckänderung, ist am größten bei dem Druck, bei dem sie hergestellt wurden und hängt in komplizierter Weise von Form und Größe der Gaseinschlüsse und den elastischen und dielektrischen Eigenschaften der isolierenden Schicht ab. Es ist zweckmäßig, die kapazitiven Drucksensoren bei dem Druck herzustellen, bei dem sie im Mittel eingesetzt werden wollen. Bei dünnen Kunststoffolien reicht es meist aus, sie 24 Stunden bei dem vorgesehenen Druck zu lagern und bei diesem Druck zu verarbeiten.The sensitivity of capacitive pressure sensors according to the invention, so the ratio of change in capacity to change in pressure is greatest at the pressure at which they were made and depends in a complicated way on the shape and size of the gas inclusions and the elastic and dielectric properties the insulating layer. It is useful to use the capacitive pressure sensors the pressure at which they are used on average want. In the case of thin plastic films, it is usually sufficient to keep them on for 24 hours To store pressure and to process at this pressure.

Die Empfindlichkeit ist umso größer, je größer der Gasanteil am Gesamtvolumen der isolierenden Schicht und je größer die Dielektrizitätskonstante des elastischen Schichtmaterials ist. Der zulässige Meßbereich verringert sich mit wachsendem Gasanteil.The greater the proportion of gas in the total volume, the greater the sensitivity the insulating layer and the greater the dielectric constant of the elastic Layer material is. The permissible measuring range decreases as the proportion of gas increases.

Hohe elastische Dehnungsfähigkeit der isolierenden Schicht führt zu einem großen Meßbereich Erfindungsgemäße kapazitive Drucksensoren sind geeignet zum Messen von Absolutdruckwerten. Sowohl Dehnungsmeßstreifen als auch piezoresistive Drucksensoren messen im Prinzip nur einen Differenzdruck.High elastic extensibility of the insulating layer leads to Capacitive pressure sensors according to the invention are suitable for a large measuring range for measuring absolute pressure values. Both strain gauges and piezoresistive In principle, pressure sensors only measure a differential pressure.

Zum Messen von Absolutwerten müssen sie auf einer Seite mit einem Druckbehälter von definiertem Druck versehen sein oder vom Luftdruck (Barometerstand) als Vergleichswert ausgehen.To measure absolute values you have to have a Pressure vessels of a defined pressure or of the air pressure (barometer level) as a comparison value.

Erfindunsgemäße Drucksensoren können ohne weitere Maßnahmen direkt den Luftdruck (Barometerstand) messen.Pressure sensors according to the invention can be used directly without further measures measure the air pressure (barometer level).

Bei erfindungsgemäßen Drucksensoren ist nicht nur die Kapazität, sondern auch der Verlustfaktor vom Druck abhängig. Benutzt man als isolierende elastische, Gaseinschlüsse enthaltende Schicht 2 Kunststoffe mit relativ guter Leitfähigkeit, so ist der Verlustfaktor groß und zweckmäßigerweise in die Messung miteinzubeziehen, z.B. durch eine Scheinwiderstandsmessung.In pressure sensors according to the invention, it is not just the capacity, but the loss factor also depends on the pressure. If used as an insulating elastic, Layer containing gas inclusions 2 plastics with relatively good conductivity, so the loss factor is large and expediently included in the measurement, e.g. through an impedance measurement.

Prinzipiell kann man erfindungsgemäße Drucksensoren auch so herstellen, daß der Ohmsche Anteil größer als der kapazitive Anteil ist.In principle, pressure sensors according to the invention can also be produced in such a way that that the ohmic part is greater than the capacitive part.

Erfindungsgemäße kapazitive Drucksensoren haben eine Temperaturabhängigkeit, die bei der Druckmessung berücksichtigt, bzw. kompensiert werden muß. Unter Ausnutzung dieser Temperaturabhängigkeit ist'es jedoch auch möglich, diesen Drucksensor als kapazitiven Temperatursensor zu verwenden. Der Vorteil gegenüber bekannten Temperatursensoren wie Thermoelementen oder Widerstandsfühlern aus PTC-, oder NTC-Material oder aus Platinmetall liegt darin, daß ein derartiger erfindungsgemäßer kapazitiver Temperatursensor in einem Schwingkreis ein frequenzanaloges, Mikrocomputer-kompatibles Signal liefert.Capacitive pressure sensors according to the invention have a temperature dependency, which must be taken into account or compensated for in the pressure measurement. Taking advantage However, this temperature dependency is also possible to use this pressure sensor as a to use capacitive temperature sensor. The advantage over known temperature sensors such as thermocouples or resistance sensors made of PTC or NTC material or made of Platinum metal lies in the fact that such a capacitive temperature sensor according to the invention supplies a frequency-analog, microcomputer-compatible signal in an oscillating circuit.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Capacitive pressure sensor, consisting of two electrical conductive coverings and an electrically insulating layer between these coverings Layer that is not shown that the between the coverings (1, 3) lying electrically insulating layer (2) is elastic and gas inclusions contains.

2. Pressure sensor according to claim 1, characterized in that the electrically insulating layer (2) is a plastic film with gas inclusions.

3. Pressure sensor according to one of claims 1 or 2, characterized in that that at least one of the electrically conductive coverings (1, 3) consists of a vapor-deposited, thin metal layer.

4. Pressure sensor according to one of claims 1 to 3, characterized in that that the electrically insulating layer (2) is plate-shaped.

5. Pressure sensor according to one of claims 1 to 3, characterized in that that electrically insulating layers (2) and alternating electrically conductive metal layers (1, 3) are stacked together in multiple layers.

6. Pressure sensor according to one of claims 1 to 3, characterized in that that the electrically insulating layer (2) with the two offset against each other arranged linings (1, 3) is wound together to form a cylindrical body0

7. Pressure sensor according to claim 6, characterized in that the two end faces of the cylindrical body each have a Schoopmetallschicht that electrically conductive coverings (1, 3) is contacted.

8. Pressure sensor according to one of claims 1 to 7, characterized in that that the two linings (1, 3) are connected to connecting elements (4, 5), and one elastic, air-impermeable protective layer (6) completely or partially covers the sensor covered.

9. Pressure sensor according to one of the preceding claims for use as a capacitive temperature sensor.