DE3404262A1 - Capacitive sensor - Google Patents
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Abstract
Description
Kapazitiver MeßfühlerCapacitive sensor
Die Erfindung bezieht sich auf einen kapazitiven Meßfühler mit einem Tragkörper, auf dem eine erste und eine zweite flächenhafte Elektrode mit übereinstimmender Größe aufgebracht sind, und mit einer dritten flächenhaften Elektrode eines Membrankörpers, der der ersten und der zweiten Elektrode gegenüberliegend angeordnet und mit einem Druck oder einer Druckdifferenz beaufschlagbar ist.The invention relates to a capacitive sensor having a Support body on which a first and a second planar electrode with matching Size are applied, and with a third planar electrode of a membrane body, that of the first and the second electrode arranged opposite and with a Pressure or a pressure difference can be applied.
Ein bekannter Meßfühler dieser Art ist in Figur 1 sowie den Figuren 1a und 1b dargestellt. Der bekannte Meßfühler weist (vgl. Figur 1, in der ein Schnitt durch ihn dargestellt ist) ein Gehäuse 1 sowie flächenhafte Elektroden 2 und 3 auf. Außerdem besitzt der bekannte Meßfühler einen Membrankörper 4 als Meßmembran sowie einen Tragkörper 5. Darüberhinaus ist der bekannte Meßfühler mit Verbindungsbohrungen 6 und 9 in Anschlußrohren 7 und 8 versehen, an die elektrische Anschlüsse 11 und -12 geführt sind; ein weiterer elektrischer Anschluß 10 ist mit dem Membrankörper 4 verbunden.A known sensor of this type is shown in FIG. 1 as well as the figures 1a and 1b shown. The known sensor has (see FIG. 1, in which a section is represented by it) a housing 1 and planar electrodes 2 and 3. In addition, the known sensor has a membrane body 4 as a measuring membrane as well a support body 5. In addition, the known sensor is with connecting bores 6 and 9 provided in connecting pipes 7 and 8, to the electrical connections 11 and -12 are led; Another electrical connection 10 is with the membrane body 4 connected.
Wie Figur 1 ferner im einzelnen erkennen läßt, sind auf dem Tragkörper 5 aus Isoliermaterial die Elektroden 2 und 3 angeordnet. Der Tragkörper 5 ist mit dem aus Metall bestehenden Gehäuse 1 beispielsweise durch Metallisierung oder auf andere Weise verbunden. Mit dem Gehäuse 1 ist auch der Membrankörper 4 verbunden, der aus einer metallenen Meßmembran 4 besteht, die mittels Elektronenstrahlschweißens oder mittels anderer Schweißvorgänge an dem Gehäuse 1 befestigt ist. Wie Figur 1a zeigt, sind die Elektroden 2 und'3 konzentrisch zueinander angeordnet und haben Flächen S1 und S2, die miteinander größenmäßig übereinstimmen und somit jeweils eine Fläche S besitzen.As Figure 1 also shows in detail, are on the support body 5 made of insulating material, the electrodes 2 and 3 arranged. The support body 5 is with the housing 1 made of metal, for example by metallization or on other way connected. The membrane body 4 is also connected to the housing 1, which consists of a metal measuring membrane 4, which by means of electron beam welding or is attached to the housing 1 by means of other welding processes. Like Figure 1a shows the electrodes 2 and 3 are concentric with each other arranged and have areas S1 and S2 which are coincident in size with each other and thus each have an area S.
Die erste (zentrale) Elektrode 3 des bekannten Meßfühlers ist mit dem Anschlußrohr 7 verbunden, in dem eine Verbindungsbohrung 6 verläuft. Diese Verbindungsbohrung 6 verbindet den Innenraum des Meßfühlers mit der Außenseite, so daß über dieses Verbindungsrohr ein Druck zum Membrankörper 4 übertragen werden kann. Auch die zweite (kreisringförmige) Elektrode 2 ist mit einem Anschlußrohr 8 verbunden, das ebenfalls eine Verbindungsbohrung 9 aufweist. Die erste Elektrode 3 und der Membrankörper 4 bilden einen Kondensator mit einer Kapazität C1, während die zweite Elektrode 2 und der Membrankörper 4 gemeinsam einen weiteren Kondensator mit der Kapazität C2 darstellen. Wenn ein Druck über die Verbindungsbohrung 6 zugeführt wird, dann wird der Membrankörper 4 ausgelenkt. Diese Auslenkung wird in bekannter Weise aufgrund folgender Gleichungen unter der Annahme erfaßt, daß die Auslenkung groß ist im mittleren Bereich des Membrankörpers 4, während der äußere Teil des Membrankörpers 4 kaum ausgelenkt wird. Dabei wird unterstellt, daß die Kapazität C2 unverändert bleibt, wie dies in dem Ersatzschaltbild der Figur Ib veranschaulicht ist.The first (central) electrode 3 of the known sensor is with connected to the connecting pipe 7, in which a connecting bore 6 extends. This connecting hole 6 connects the interior of the sensor with the outside, so that over this Connection pipe a pressure to the membrane body 4 can be transmitted. The second too (Annular) electrode 2 is connected to a connecting pipe 8, which is also has a connecting bore 9. The first electrode 3 and the membrane body 4 form a capacitor with a capacitance C1, while the second electrode 2 and the membrane body 4 together have a further capacitor with the capacitance Represent C2. If a pressure is supplied through the connecting hole 6, then the membrane body 4 is deflected. This deflection is due in a known manner The following equations are determined on the assumption that the deflection is large in the mean Area of the membrane body 4, while the outer part of the membrane body 4 hardly is deflected. It is assumed that the capacitance C2 remains unchanged, as illustrated in the equivalent circuit diagram of Figure Ib.
Es ergeben sich dann folgende Beziehungen: Aus den Gleichungen (1) und (2) läßt sich folgende Beziehung ermitteln: In diesen Gleichungen bezeichnet £o die Elektrizitätskonstante des Mediums zwischen den Elektroden des Meßfühlers und S die Fläche der Elektroden 2 bzw. 3; dg gibt den Abstand zwischen den Elektroden 2 und 3 auf der einen Seite und dem Membrankörper 4 auf der anderen Seite wieder, während Ad die Hauptauslenkung des Membrankörpers 4 bezeichnet.The following relationships then result: The following relationship can be determined from equations (1) and (2): In these equations, £ o denotes the constant of electricity of the medium between the electrodes of the sensor and S denotes the area of electrodes 2 and 3, respectively; dg represents the distance between the electrodes 2 and 3 on the one hand and the membrane body 4 on the other side, while Ad denotes the main deflection of the membrane body 4.
In der Praxis ergibt sich aber auch am Rande des eingespannten Bereiches des Membrankörpers eine Auslenkung, wodurch die Kapazität C2 ihren Wert ändert. Dies führt zu einer Verschlechterung der Linearität und zu einer Verringerung der Meßgenauigkeit. Darüberhinaus hat der bekannte Meßfühler folgende Nachteile: a) Da die beiden Elektroden 2 und 3 dicht beieinander angeordnet sind, kann sich eine Streukapazität zwischen ihnen ausbilden.In practice, however, this also occurs at the edge of the clamped area of the membrane body a deflection, whereby the capacitance C2 changes its value. This leads to a deterioration in linearity and a decrease in Measurement accuracy. In addition, the known sensor has the following disadvantages: a) Since the two electrodes 2 and 3 are arranged close to one another, a Develop stray capacitance between them.
b) Die Elektroden 2 und 3 sind beide so angeordnet, daß sie dem Membrankörper 4 gegenüberliegen; daher ist der Kapazitätswert eines jeden gebildeten Kondensators klein, so daß der Kapazitätswert leicht durch die erwähnte Streukapazität störend beeinflußbar ist.b) The electrodes 2 and 3 are both arranged so that they touch the membrane body 4 opposite one another; therefore is the capacitance value of each capacitor formed small, so that the capacitance value easily interferes with the aforementioned stray capacitance can be influenced.
c) Da der bekannte Meßfühler einen Aufbau aus Metall und einen Isolierkörper besitzt, ist seine Herstellung im allgemeinen recht aufwendig.c) Since the known sensor has a structure made of metal and an insulating body owns, its production is generally quite expensive.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen kapazitiven Meßfühler zu schaffen, der die oben aufgeführten Nachteile vermeidet, sich also durch eine hohe Linearität mit verbesserter Meßgenauigkeit und geringe Streukapazitäten auszeichnet.The invention is based on the object of a capacitive measuring sensor to create that avoids the disadvantages listed above, i.e. through a high linearity with improved measurement accuracy and low stray capacitances.
Zur Lösung dieser Aufgabe besteht bei einem kapazitiven Meßfühler der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß der Membrankörper aus einem Substrat mit aufgebrachtem Metallbelag als dritter Elektrode, und zwischen dem Tragkörper und dem Membrankörper sind Verbindungsmittel vorhanden, die Trag- körper und Membrankörper in einem vorbestimmten Abstand voneinander halten, wobei die Verbindungsmittel auf dem Tragkörper außerhalb des Bereichs der ersten und der zweiten Elektrode und zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angeordnet sind.To solve this problem, there is a capacitive sensor of the type specified at the beginning, according to the invention, the membrane body consists of a substrate with applied metal coating as a third electrode, and between the support body and the membrane body there are connecting means that support body and holding membrane bodies at a predetermined distance from one another, wherein the connecting means on the support body outside the area of the first and second electrodes and are arranged between the first and second electrodes.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Meßfühlers besteht darin, daß bei ihm der mittels der ersten Elektrode gebildete Meßkondensator und der mittels der zweiten Elektrode gebildete Referenzkondensator voneinander räumlich getrennt angeordnet sind, so daß eine Änderung der Kapazität des Referenzkondensators nicht eintritt. Dadurch ist die Linearität verbessert und damit auch die Meßgenauigkeit. Ferner hat der erfindungsgemäße Meßfühler den Vorteil, daß er sich durch eine vergleichsweise kleine Baugröße auszeichnet. Außerdem ist darauf hinzuweisen, daß infolge der Verwendung eines Membrankörpers aus einem Substrat ein Material zur Anwendung gelangt, daß erheblich bessere elastische Eigenschaften als Metall hat.An advantage of the sensor according to the invention is that at him the measuring capacitor formed by means of the first electrode and by means of the Second electrode formed reference capacitor arranged spatially separated from one another so that a change in the capacitance of the reference capacitor does not occur. This improves the linearity and thus also the measurement accuracy. Further the sensor according to the invention has the advantage that it is by a comparatively small size. It should also be noted that as a result of the use a membrane body made of a substrate, a material is used that has considerably better elastic properties than metal.
Daher ist die Auslenkung der Membran in Bezug auf die Linearität verbessert, und es sind auch Hysterese-Erscheinungen verringert.Therefore, the deflection of the diaphragm is improved in terms of linearity, and hysteresis phenomena are also reduced.
Bei dem erfindungsgemäßen Meßfühler kann das Substrat aus geschmolzenem Quarz, Bergkristall, Glas, Keramik oder Saphir bestehen. Gegebenenfalls kann auch der Tragkörper aus diesen Materialien hergestellt sein.In the sensor according to the invention, the substrate can be made of molten Quartz, rock crystal, glass, ceramic or sapphire consist. If necessary, can also the support body can be made from these materials.
Bei den Verbindungsmitteln handelt es sich vorteilhafterweise im Hinblick auf eine leichte Herstellbarkeit des gesamten Meßfühlers um eine Schicht eines Verbindungswerkstoffes.The connecting means are advantageously in view on easy manufacturing of the entire sensor around a layer of a connecting material.
Die erste und die zweite Elektrode können bei dem Meßfühler unterschiedliche Gestaltung aufweisen. Als vorteilhaft wird es angesehen, wenn die erste und die zweite Elektrode eine etwa gleiche Gestalt aufweisen. Dabei hat sich eine kreis- förmige Ausbildung der beiden Elektroden als besonders vorteilhaft erwiesen.The first and second electrodes may be different in the probe Exhibit design. It is considered advantageous if the first and the second electrode have approximately the same shape. A circular shaped Formation of the two electrodes proved to be particularly advantageous.
Ein Vorteil eines solchermaßen ausgebildeten Meßfühlers besteht darin, daß der'von der ersten Elektrode gebildete Meßkondensator und der von der zweiten Elektrode gebildete Referenzkondensator seitlich nebeneinander liegen und daher diese beiden Kondensatoren so dicht aneinander angeordnet sein können, daß sich keine Streukapazität zwischen ihnen ausbilden kann. Beide Kondensatoren weisen vorteilhafterweise etwa gleiches Temperaturverhalten auf. Ein weiterer Vorteil eines Meßfühlers dieser Ausführung besteht darin, daß er eine übereinstimmende Elektroden-Konfiguration aufweist, wodurch der Einfluß ungleicher Streukapazitäten im Vergleich zu dem bekannten Meßfühler verringert ist, was sich vorteilhaft auf die Linearität auswirkt.One advantage of a probe designed in this way is that that the measuring capacitor formed by the first electrode and that of the second Electrode formed reference capacitor lie side by side and therefore these two capacitors can be arranged so close together that no stray capacitance can develop between them. Both capacitors advantageously have approximately the same temperature behavior. Another advantage of a probe is this Execution consists in having a matching electrode configuration has, whereby the influence of unequal stray capacities compared to the known Sensor is reduced, which has a beneficial effect on the linearity.
Unter anderem aus fertigungstechnischen Gründen kann es vorteilhaft sein, wenn der Tragkörper des erfindungsgemäßen Meßfühlers auf seiner dem Membrankörper zugewandten Seite zwei Vertiefungen aufweist, in denen die erste und die zweite Elektrode angeordnet ist; außerhalb der Vertiefungen befindet sich eine verhältnismäßig dünne Schicht aus Verbindungswerkstoff.For manufacturing reasons, among other things, it can be advantageous be when the support body of the sensor according to the invention on its the membrane body facing side has two recesses, in which the first and the second Electrode is arranged; outside of the depressions there is a proportionate one thin layer of connecting material.
Es ist aber auch möglich und gegegebenfalls auch vorteilhaft, wenn der Tragkörper auf seiner dem Membrankörper zugewandten Seite eine ebene Oberfläche aufweist, auf der die erste und die zweite Elektrode liegt, und wenn außerhalb des Bereichs dieser beiden Elektroden eine verhältnismäßig dicke Schicht aus Verbindungswerkstoff vorhanden ist. Ein Vorteil dieser Ausführung ist darin zu sehen, daß sich der Tragkörper verhältnismäßig einfach herstellen läßt.But it is also possible and if necessary also advantageous if the support body has a flat surface on its side facing the membrane body having on which the first and second electrodes lie, and if outside of the Area of these two electrodes is a relatively thick layer of connecting material is available. An advantage of this design can be seen in the fact that the support body can be made relatively easy.
Ist der Meßfühler - wie an sich bekannt - mit einer ersten kreisförmigen und einer zweiten kreisringförmigen Elektrode, die die erste Elektrode umfaßt, ausgerüstet, dann befindet sich die Schicht aus Verbindungswerkstoff vorteilhafterweise im Ringbereich zwischen der ersten und der zweiten Elektrode.If the sensor is - as is known per se - with a first circular and a second annular electrode comprising the first electrode, then the layer of connecting material is advantageously located in the ring area between the first and second electrodes.
Auch bei dieser Ausführungsform ist die Linearität verhältnismäßig gut, da die Schicht aus Verbindungswerkstoff zwischen der ersten und der zweiten Elektrode liegt, wodurch eine Veränderung der Kapazität des von der zweiten Elektrode gebildeten Referenzkondensators verhindert ist. Die Schicht im Ringbereich zwischen der ersten und der zweiten Elektrode hat darüber hinaus den Vorteil, daß durch sie die beiden Elektroden voneinander im Abstand gehalten ist, was zu einer Verringerung der Streukapazität führt. Darüber hinaus hat ein Meßfühler dieser Ausführungsform den Vorteil, daß seine Herstellungskosten verhältnismäßig gering sind, da bei seiner Herstellung keine Struktur aus Metall und Isolierstoff Verwendung findet.In this embodiment too, the linearity is proportionate good because the layer of bonding material between the first and the second Electrode, causing a change in the capacitance of the second electrode formed reference capacitor is prevented. The layer in the ring area between the first and the second electrode also has the advantage that through them the two electrodes are spaced from each other, resulting in a reduction the stray capacitance leads. In addition, a sensor of this embodiment has the advantage that its manufacturing costs are relatively low, as in his No structure made of metal and insulating material is used.
Bei dem Meßfühler mit kreisförmiger und kreisringförmiger Elektrode weist der Tragkörper auf seiner dem Membrankörper zugewandten Seite vorteilhafterweise eine Vertiefung auf, in der die erste Elektrode angeordnet ist; am Rande besitzt der Tragkörper eine ringförmige Ausnehmung, in der sich die zweite Elektrode befindet; im Bereich außerhalb der Vertiefung und der Ausnehmung ist eine verhältnismäßig dünne Schicht aus Verbindungswerkstoff vorhanden.In the case of the sensor with a circular and an annular electrode the support body advantageously has on its side facing the membrane body a recess in which the first electrode is arranged; owns on the verge the support body has an annular recess in which the second electrode is located; in the area outside the depression and the recess one is relative thin layer of connecting material present.
Insbesondere im Hinblick auf eine leichte Herstellbarkeit des Tragkörpers weist dieser auf seiner der Membran zugewandten Seite vorteilhafterweise eine ebene Oberfläche auf, auf der die erste und die zweite Elektrode liegt; im Bereich zwischen diesen Elektroden ist eine verhältnismäßig dicke Schicht aus Verbindungswerkstoff vorhanden.In particular with a view to easy producibility of the support body this advantageously has a plane on its side facing the membrane Surface on which the first and second electrodes lie; in the range between these electrodes is a relatively thick layer of bonding material available.
Um den erfindungsgemäßen Meßfühler in möglichst einfacher Weise mit äußeren Anschlüssen verbinden zu können, weisen vorteilhafterweise die erste und die zweite Elektrode jeweils eine seitliche Herausführung auf, deren äußeres Ende jeweils als Anschlußpunkt dient.To the sensor according to the invention in the simplest possible way with To be able to connect external connections, advantageously have the first and the second electrode each have a lateral lead-out, the outer end of which each serves as a connection point.
Das Substrat des Membrankörpers des erfindungsgemäßen Meßfühlers kann in unterschiedlicher Weise bemessen sein; so wird es als vorteilhaft angesehen, wenn das Substrat verhältnismäßig dick ist und auf seiner dem Tragkörper zugewandten, den Metallbelag tragenden Seite eben ausgebildet ist und auf seiner anderen Seite eine Ausnehmung aufweist, in deren Bereich das Substrat als Meßmembran wirkt; dieser Bereich liegt mindestens der ersten Elektrode gegenüber.The substrate of the membrane body of the sensor according to the invention can be measured in different ways; so it is considered beneficial if the substrate is relatively thick and on its facing the support body, the side carrying the metal covering is flat and on its other side has a recess, in the area of which the substrate acts as a measuring membrane; this Area is at least opposite the first electrode.
Es ist aber auch möglich und unter Umständen vorteilhaft, wenn das Substrat membranartig dünn ist und auf beiden Seiten eine ebene Oberfläche besitzt.But it is also possible and under certain circumstances advantageous if that The substrate is thin like a membrane and has a flat surface on both sides.
Zur Erläuterung der Erfindung ist in Figur 2 ein Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Meßfühlers mit zwei nebeneinander angeordneten Elektroden und in Figur 3 eine Aufsicht auf dasselbe Ausführungsbeispiel wiedergegeben; in Figur 4 ist ein Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel mit nebeneinander angeordneten Elektroden, in Figur 5 ein anderes Ausführungsbeispiel mit ebenfalls nebeneinander angeordneten Elektroden, in Figur 6 ein zusätzliches Ausführungsbeispiel mit zwei nebeneinander angeordneten Elektroden, in Figur 7 ein Ersatzschaltbild des Meßfühlers nach den Figuren 4 bis 6, in Figur 8 ein Ausführungsbeispiel mit konzentrisch zueinander angeordneten Elektroden, in Figur 9 eine Aufsicht auf dasselbe Ausführungsbeispiel bei abgenommenem Membrankörper, in Figur 10 nur der Tragkörper des Ausführungsbeispiels nach Figur 8, in Figur 11 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Meßfühlers mit konzentrisch angeordneten Elektroden, in Figur 12 ein anderes Ausführungsbeispiel mit konzentrisch angeordneten Elektroden, in Figur 13 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit konzentrisch angeordneten Elektroden, in Figur 14 eine Aufsicht auf die erste und die zweite Elektrode des Ausführungsbeispiels nach Figur 13, in Figur 15 ein Ersatzschaltbild des erfindungsgemäßen Meßfühlers und in Figur 16 ein weiteres Ersatzschaltbild dargestellt.To explain the invention, a section through a is shown in FIG Embodiment of the sensor according to the invention with two arranged side by side Electrodes and a plan view of the same embodiment shown in FIG. 3; in Figure 4 is a section through a further embodiment with side by side arranged electrodes, in Figure 5 another embodiment with also electrodes arranged next to one another, in FIG. 6 an additional exemplary embodiment with two electrodes arranged next to one another, in FIG. 7 an equivalent circuit diagram of the sensor according to Figures 4 to 6, in Figure 8 with an embodiment electrodes arranged concentrically to one another, in Figure 9 a Top view of the same exemplary embodiment with the membrane body removed, in the figure 10 only the support body of the exemplary embodiment according to FIG. 8, in FIG. 11 a further one Embodiment of a sensor with concentrically arranged electrodes, in FIG. 12 shows another exemplary embodiment with concentrically arranged electrodes, in Figure 13 a further embodiment with concentrically arranged electrodes, FIG. 14 shows a plan view of the first and second electrodes of the exemplary embodiment according to FIG. 13, in FIG. 15 an equivalent circuit diagram of the sensor according to the invention and in FIG. 16 a further equivalent circuit diagram is shown.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 2 ist ein Tragkörper 21 verwendet, der aus geschmolzenem Quarz, Bergkristall, Glas, Keramik oder Saphir besteht. Ein Membrankörper 22 ist aus ähnlichem Material wie der Tragkörper 21 hergestellt.In the embodiment of Figure 2, a support body 21 is used, which consists of fused quartz, rock crystal, glass, ceramic or sapphire. A The membrane body 22 is made of a material similar to that of the support body 21.
Der Tragkörper 21 weist zwei Vertiefungen auf, die im wesentlichen gleiche Größe besitzen. Eine erste Elektrode 24 und eine zweite Elektrode 25 sind in den Vertiefungen untergebracht Dabei ist anzumerken, daß die Vertiefungen kreisförmig ausgebildet sind, wie dies anhand der F-igur 3 mittels der strichlierten Linien 34 angedeutet ist. Die erste Elektrode 24 und die zweite Elektrode 25 in den Vertiefungen sind beispielsweise durch Aufdampfen oder durch ein ähnliches Verfahren gebildet.The support body 21 has two depressions, which are essentially have the same size. A first electrode 24 and a second electrode 25 are housed in the wells It should be noted that the wells are circular are designed, as shown in FIG. 3 by means of the dashed lines 34 is indicated. The first electrode 24 and the second electrode 25 in the depressions are formed, for example, by vapor deposition or a similar process.
Der Membrankörper 22 besteht aus einem Substrat 22a und einem Metallbelag als einer dritten Elektrode 23, die beispielsweise durch Aufdampfen oder auf ähnliche Weise gebildet ist.The membrane body 22 consists of a substrate 22a and a metal coating as a third electrode 23, for example by vapor deposition or the like Way is formed.
Das Substrat 22a hat aufgrund einer Ausnehmung einen Bereich 26 verringerter Dicke, der in dem Teil des Substrates vorhanden ist, der der ersten Elektrode 24 gegenüberliegt. Das Substrat 22a dient in seinem in der Dicke verringerten Bereich 26 als Meßmembran, weil der Metallbelag 23 sich über die gesamte Fläche des Substrates 22a erstreckt. Auf diese Weise ist ein veränderbarer Meßkondensator mit dem Kapazitätswert C1 mittels der ersten Elektrode 24 und der dritten Elektrode 23 und ein Referenzkondensator mit dem Kapazitätswert C2 durch die zweite Elektrode 25 und die dritte Elektrode 23 gebildet.The substrate 22a has an area 26 due to a recess reduced Thickness present in the part of the substrate that is the first electrode 24 opposite. The substrate 22a serves in its area reduced in thickness 26 as a measuring membrane, because the metal coating 23 extends over the entire surface of the substrate 22a extends. In this way there is a changeable measuring capacitor with the capacitance value C1 by means of the first electrode 24 and the third electrode 23 and a reference capacitor with the capacitance value C2 through the second electrode 25 and the third electrode 23 formed.
Der dargestellte Meßfühler weist Anschlußrohre 28 und 29 auf, die jeweils mit einer Verbindungsbohrung 27 versehen sind, ähnlich wie dies anhand der Figur 1 beschrieben worden ist.The sensor shown has connecting pipes 28 and 29, the are each provided with a connecting bore 27, similar to this with reference to FIG Figure 1 has been described.
Über das Anschlußrohr 28 ist die erste Elektrode 24 mit einem elektrischen Anschluß 32 und über das Anschlußrohr 29 die zweite 25 mit einem elektrischen Anschluß 33 verbunden, während die dritte Elektrode 23 direkt mit einem elektrischen Anschluß 31 verbunden ist, wobei die Verbindung durch Löten oder dergleichen erfolgt sein kann.Via the connecting tube 28, the first electrode 24 is connected to an electrical Connection 32 and via the connection pipe 29 the second 25 with an electrical connection 33 connected, while the third electrode 23 is directly connected to an electrical connection 31 is connected, the connection being made by soldering or the like can.
Zwischen dem Membrankörper 22 und dem Tragkörper 21 befindet sich eine Schicht 30 aus einem Verbindungswerkstoff, bei dem es sich um ein organisches Verbindungsmittel, ein niedrig schmelzendes Glas oder überhaupt um ein Glas handeln kann, mit dem das Substrat 22a mit dem Tragkörper 21 verbunden wird.Between the membrane body 22 and the support body 21 is located a layer 30 of a bonding material that is organic Lanyards, a low-melting glass or a glass at all can, with which the substrate 22a is connected to the support body 21.
Wenn einem derart aufgebauten Meßfühler ein Druck oder eine Druckdifferenz über die Verbindungsbohrung 27 zugeführt wird, dann wird der als Meßmembran wirkende verdünnte Bereich 26 des Substrates 22a ausgelenkt, was zu einer Änderung der Kapazität C1 des Meßkondensators führt, der von der ersten Elektrode 24 und der dritten Elektrode 23 gebildet ist. Eine Beeinflussung der Kapazität des Referenzkondensators aus der zweiten Elektrode 25 und der dritten Elektrode 23 ergibt sich nicht, da das Substrat 22a eine ausreichende Dicke aufweist.If a sensor constructed in this way, a pressure or a pressure difference is supplied via the connecting bore 27, then the acting as a measuring membrane thinned area 26 of the substrate 22a deflected, causing a change in capacitance C1 of the measuring capacitor leads from the first electrode 24 and the third electrode 23 is formed. An influence on the capacitance of the reference capacitor from the second electrode 25 and the third electrode 23 results not, since the substrate 22a has a sufficient thickness.
Es hat sich durch Versuche ergeben, daß das Verhältnis der Dicke h1 des verdünnten Bereiches 26 in Bezug auf die Dicke h2 des Substrates 22a in seinem übrigen Bereich der Bedingung genügen sollte, daß h2/h1 '- 3 ist. Es kann daher der Kapazitätswert C2 als unveränderlich angenommen. Demzufolge lassen sich dann die Kapazitäten C1 und C2 durch folgende Beziehungen ausdrücken: Aus diesen Beziehungen läßt sich folgende Gleichung ableiten: Zu diesen Gleichungen ist anzumerken, daß g die Dielektrizitätskonstante des Mediums zwischen den Elektroden, A die wirksame Fläche der Elektroden 24 und 25, dg den Abstand zwischen den Elektroden 24 bzw. 25 einerseits und der dritten Elektrode 23 andererseits und t d eine Größe proportional dem ausgeübten Druck beschreibt. Diese Gleichungen entsprechen den Beziehungen (1) bis (3), wenn die Richtung des ausgeübten Druckes die gleiche ist. Daher kann eine Meßgröße entsprechend dem Druck durch Messung der Kapazitäten C1 und C2 gewonnen werden.Experiments have shown that the ratio of the thickness h1 of the thinned area 26 with respect to the thickness h2 of the substrate 22a in its remaining area should satisfy the condition that h2 / h1'-3. The capacitance value C2 can therefore be assumed to be unchangeable. Accordingly, the capacities C1 and C2 can then be expressed by the following relationships: The following equation can be derived from these relationships: Regarding these equations it should be noted that g is the dielectric constant of the medium between the electrodes, A is the effective area of electrodes 24 and 25, dg is the distance between electrodes 24 and 25 on the one hand and third electrode 23 on the other hand, and td is a size proportional to that applied Pressure describes. These equations correspond to relations (1) to (3) when the direction of pressure applied is the same. Therefore, a measured quantity corresponding to the pressure can be obtained by measuring the capacitances C1 and C2.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 4 sind sowohl die eine Elektrode 24 als auch die zweite Elektrode 25 auf der Oberfläche eines Tragkörpers 21 aufgebracht, die eben ist. Auch hier sind wiederum der Tragkörper 21 und das Substrat 22a über eine Schicht 30 aus Verbindungswerkstoff miteinander verbunden, die eine vorbestimmte Dicke aufweist. Es ist dann nicht notwendig, Vertiefungen im Tragkörper vorzusehen, wodurch die Herstellung vereinfacht wird.In the exemplary embodiment according to FIG. 4, both are one electrode 24 as well as the second electrode 25 applied to the surface of a support body 21, which is even. Here, too, the support body 21 and the substrate 22a are again over a layer 30 of connecting material connected to one another, the has a predetermined thickness. It is then not necessary to have recesses in the support body to be provided, whereby the production is simplified.
Das Ausführungsbeispiel nach Figur 5 weicht von dem nach Figur 4 insofern ab, als bei ihm das Substrat 22 über seine ganze Ausdehnung verdünnt ist, so daß bei der Herstellung der Aufwand für die Gewinnung der Vertiefung vermieden ist. Bei dieser Ausführung kann sich jedoch sowohl der Kapazitätswert C1 als auch der Kapazitätswert C2 aufgrund der dünnen Ausgestaltung des Substrates 22a in Abhängigkeit vom Druck ändern.The exemplary embodiment according to FIG. 5 differs from that according to FIG. 4 in this respect from when the substrate 22 is thinned over its entire extent with him, so that in the production of the effort for the production of the recess is avoided. In this embodiment, however, both the capacitance value C1 and the Capacitance value C2 due to the thin design of the substrate 22a as a function change from pressure.
Es ist daher gegebenenfalls notwendig, zusätzlich auf der Seite des Referenzkondensators mit dem Kapazitätswert C2 Mittel vorzusehen, die eine Zuführung des Druckes verhindern.It may therefore be necessary, in addition, on the side of the Reference capacitor with the capacitance value C2 to provide means that have a feed prevent the pressure.
Das Ausführungsbeispiel nach Figur 6 kann als dadurch gewonnen betrachtet werden, daß die Anordnung nach Figur 5 in zwei Teile. aufgetrennt ist, indem eine Anordnung gemäß Figur 5 in der Mitte durchgeschnitten ist. Die Wirkungsweise dieses Meßfühlers ist ähnlich der nach Figur 5, mit dem Vorteil, daß Streukapazitäten noch weiter verringert werden können.The exemplary embodiment according to FIG. 6 can be regarded as having been achieved thereby be that the arrangement of Figure 5 in two parts. is separated by a Arrangement according to Figure 5 is cut through in the middle. How this works The sensor is similar to that of Figure 5, with the advantage that stray capacitances are still can be further reduced.
Das Ersatzschaltbild nach Figur 7 gilt für die oben behandelten Ausführungsbeispiele gemäß den Figuren 2 bis 6 und stimmt mit dem nach Figur Ib überein. In der Figur 7 bezeichnen C1 und C2 die Kapazitätswerte des von der ersten Elektrode 24.The equivalent circuit diagram according to FIG. 7 applies to the exemplary embodiments discussed above according to Figures 2 to 6 and corresponds to that of Figure Ib. In the figure 7, C1 and C2 denote the capacitance values of the first electrode 24.
mit der dritten Elektrode 23 gebildeten Meßkondensators und des von der zweiten Elektrode 25 und der dritten Elektrode 23 gebildeten Referenzkondensators, während die Anschlußbezeichnungen mit den in den Figuren 2 bis 6 gewählten übereinstimmen.with the third electrode 23 formed measuring capacitor and of the reference capacitor formed by the second electrode 25 and the third electrode 23, while the connection designations correspond to those selected in FIGS. 2 to 6.
Bei dem in den Figuren 8 bis 10 dargestellten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Meßfühlers besteht der Tragkörper 41 wiederum aus geschmolzenem Quarz, Bergkristall, Glas, Keramik oder Saphir. Der Tragkörper 41 weist zwei konzentrisch angeordnete Elektroden auf, von denen die erste Elektrode 42 kreisförmig und die zweite Elektrode 44 kreisringförmig die erste Elektrode 42 umfassend angeordnet sind.In the embodiment shown in FIGS of the sensor according to the invention, the support body 41 consists in turn of molten material Quartz, rock crystal, glass, Ceramic or sapphire. The supporting body 41 has two concentrically arranged electrodes, of which the first electrode 42 circular and the second electrode 44 circularly the first electrode 42 are comprehensively arranged.
Diese beiden Elektroden 42 und 44 sind auf dem Tragkörper 41 in Vertiefungen mittels Aufdampfen oder dergleichen aufgebracht. Der Tragkörper 41 hat eine ringförmige Erhebung 41', die insbesondere in der Figur 10 gut zu erkennen ist. Ferner ist im Tragkörper 41 ein Anschlußrohr 51 mit einer Verbindungsbohrung 47 ähnlich der vorgesehen, wie sie im Zusammenhang mit der Figur 1 bereits erwähnt worden ist. Der Membrankörper 46 ist über seine gesamte Abmessung membranartig dünn ausgebildet und besteht aus einem Werkstoff ähnlich dem für den Tragkörper 41 verwendeten. Der Membrankörper 46 hat über seine gesamte dem Tragkörper 41 zugewandte Oberfläche einen Metallbelag, der wiederum durch Aufdampfen oder ein ähnliches Verfahren aufgebracht ist und die dritte Elektrode 43 bildet.These two electrodes 42 and 44 are in recesses on the support body 41 applied by vapor deposition or the like. The support body 41 has an annular shape Elevation 41 ', which can be seen particularly well in FIG. Furthermore, in the Carrying body 41 a connecting pipe 51 with a connecting bore 47 similar to that provided, as has already been mentioned in connection with FIG. The membrane body 46 is made thin like a membrane over its entire dimension and consists of a material similar to that used for the support body 41. The membrane body 46 has a metal covering over its entire surface facing the support body 41, which in turn is applied by vapor deposition or a similar process and the third electrode 43 forms.
Der Tragkörper 41 und der Membrankörper 46 sind miteinander verbunden, so daß sich ihre Elektroden einander gegenüberliegen; die Verbindung ist mittels einer Schicht 45 aus einem Verbindungswerkstoff, wie niedrigschmelzendem Glas, einem beliebigen Glas, einem organischen Verbindungsmittel oder Metall gebildet. Anzumerken ist in diesem Zusammenhang, daß bei dieser Verbindung ein Verfahren angewendet werden kann, das Gebrauch macht von einer eutektischen Reaktion, oder ein Verfahren mittels anodischen Bondings. Daher bilden die dritte Elektrode 43 und die erste Elektrode 42 einen Plattenkondensator mit der Kapazität C1, während die zweite Elektrode 44 mit der dritten Elektrode 43 einen Referenzkondensator mit der Kapazität C2 bildet. Bei einer Druckbeanspruchung ändert sich die Kapazität C1 des Meßkondensators, während die Kapazität C2 des Referenzkondensators von diesen Druckbeaufschlagungen unbeeinflußt bleibt. Die erste Elektrode 42 ist über das Anschlußrohr 51 an einen Anschluß 50, die zweite Elektrode an einen elektrischen Anschluß 48 und die dritte Elektrode an einen elektrischen Anschluß 49 herangeführt, wobei die Verbindung der Anschlußdrähte mit den Elektroden durch Löten oder dergleichen vorgenommen sein kann.The support body 41 and the membrane body 46 are connected to one another, so that their electrodes face each other; the connection is by means of a layer 45 of a bonding material such as low melting point glass, a any glass, organic compound or metal. It should be noted is in this context that a procedure is used in this connection can that makes use of a eutectic reaction, or a process by means of anodic bondings. Therefore, the third electrode 43 and the first electrode form 42 a plate capacitor with the capacitance C1, while the second electrode 44 forms a reference capacitor with the capacitance C2 with the third electrode 43. In the event of a pressure load, the capacitance C1 of the measuring capacitor changes during the capacitance C2 of the reference capacitor is unaffected by these pressures remain. The first electrode 42 is connected via the connecting tube 51 to a connection 50, the second electrode to an electrical terminal 48 and the third electrode brought up to an electrical connection 49, being the connection the connecting wires with the electrodes can be made by soldering or the like can.
Bei dem in den Figuren 8 bis 10 dargestellten Kapazitiven Meßfühler ergibt sich auf beiden Seiten des Membrankörpers 40 ein jeweils unterschiedlicher Druck infolge der Beaufschlagung durch das Anschlußrohr 47, so daß der Membrankörper 40 mit einer Druckdifferenz beaufschlagt ist; entsprechend dieser Druckdifferenz wird der Membrankörper 40 ausgelenkt. Daher ändert sich der Abstand zwischen der ersten Elektrode 42 und der dritten Elektrode 43 und damit auch der Wert der Kapazität C1, während der Abstand zwischen der zweiten Elektrode 44 und der dritten Elektrode 43 unverändert bleibt. Bezeichnet man wiederum den Abstand zwischen den Elektroden mit dg, die Dielektrizitätskonstante des Mediums zwischen den Elektroden mit g , die Fläche der Elektroden 42 und 44 mit A und die durch die Druckdifferenz hervorgerufene Abstandsänderung zwischen der ersten Elektrode 42 und der dritten Elektrode 43 mit a d, dann ergibt sich auch für diesen Meßfühler eine Beziehung zwischen den Kapazitätswerten und den Abständen bzw.In the capacitive measuring sensor shown in FIGS there is a different one in each case on both sides of the membrane body 40 Pressure as a result of the application of the connecting pipe 47, so that the membrane body 40 is acted upon with a pressure difference; according to this pressure difference the membrane body 40 is deflected. Therefore, the distance between the first electrode 42 and third electrode 43 and thus also the value of the capacitance C1, while the distance between the second electrode 44 and the third electrode 43 remains unchanged. In turn, one denotes the distance between the electrodes with dg, the dielectric constant of the medium between the electrodes with g, the area of the electrodes 42 and 44 with A and that caused by the pressure difference Change in distance between the first electrode 42 and the third electrode 43 with a d, then there is also a relationship between the capacitance values for this sensor and the distances or
Abstandsänderungen, wie sie in der Gleichung (6) bereits beschrieben ist. Es kann demzufolge auch mit diesem Meßfühler eine Druckdifferenz durch Messung der Kapazitäten C1 und C2 ermittelt werden.Changes in distance, as already described in equation (6) is. Accordingly, a pressure difference can also be measured with this sensor the capacitances C1 and C2 can be determined.
Bei dem in Figur 11 dargestellten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Meßfühlers weist der Membrankörper 40 eine vergleichsweise große Dicke auf und ist mit einer Vertiefung 40' zur Bildung der Meßmembran versehen. Die Vertiefung 40' ist im Substrat 40a des Membrankörpers vorgesehen und soweit eingebracht, daß das Substrat 40a membranartig verdünnt ist.In the embodiment of the invention shown in Figure 11 Sensor, the membrane body 40 has a comparatively large thickness and is provided with a recess 40 'to form the measuring membrane. The recess 40 ' is provided in the substrate 40a of the membrane body and introduced so far that the Substrate 40a is thinned like a membrane.
Wie experimentell nachgewiesen worden ist, ergibt sich dadurch eine geringere Auswirkung der Hysterese des Meßmembran-Materials als bei dem Ausführungsbeispiel nach den Figuren 8 bis 10. Es ist auch nachgewiesen worden, daß das Verhältnis zwischen der Dicke hl des dicken Teils des Substrates 40a zur Dicke h2 des verdünnten Teils des Substrates 20 ( <t = h1/h2) der Bedingung g >- 3 genügen sollte.As has been proven experimentally, this results in a less effect of the hysteresis of the measuring membrane material than in the embodiment according to Figures 8 to 10. It has also been demonstrated that the ratio between the thickness hl of the thick part of the substrate 40a to the thickness h2 of the thinned part of the substrate 20 (<t = h1 / h2) should satisfy the condition g> -3.
Bei dem in Figur 12 gezeigten Ausführungsbeispiel sind in Abweichung von dem Ausführungsbeispiel nach den Figuren 8 bis 10 sowie 11 die Elektroden 42 und 44 auf einem Tragkörper 41 mit ebener Oberfläche aufgebracht; der Tragkörper 41 weist demzufolge keine Erhebung auf. Die Elektroden 42 und 44 können wiederum durch Aufdampfen oder auf ähnliche Weis aufgebracht worden sein. Mittels einer Schicht 45' aus einem Verbindungswerkstoff, bei dem es sich um ein organisches Bindungsmittel, ein niedrig schmelzendes Glas oder ein Glas überhaupt handeln kann, sind der Tragkörper 41 und der Membrankörper 40 mit der dritten Elektrode 43 miteinander verbunden. Dabei ist die Schicht 45' aus dem Verbindungswerkstoff zwischen der ersten Elektrode 42 und der zweiten Elektrode 44 gelegen. Diese Art der Verbindung sowie des Aufbaus des Meßfühlers erleichtert seine Herstellung. Die erste Elektrode 42 ist - wie Figur 14 zeigt - mit einer seitlichen Herausführung 42' versehen, die durch einen freigelassenen Bereich der zweiten Elektrode 44 verläuft. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 12 kann der Membrankörper 40 durch einen Körper ersetzt werden, der einen membranartig verdünnten Bereich in seinem zentralen Teil aufweist, wie dies in Figur 11 gezeigt ist. Die Elektroden 42, 43 und 44 sind wiederum an elektrische Anschlüsse 50, 49 und 48 geführt.In the embodiment shown in Figure 12 are in deviation of the exemplary embodiment according to FIGS. 8 to 10 and 11, the electrodes 42 and 44 applied to a support body 41 with a flat surface; the support body 41 therefore has no elevation. The electrodes 42 and 44 can in turn applied by vapor deposition or in a similar manner. By means of a layer 45 'made of a connecting material which is an organic binding agent, A low-melting glass or a glass at all can act, are the support body 41 and the membrane body 40 with the third electrode 43 are connected to one another. The layer 45 'is made of the connecting material between the first electrode 42 and the second electrode 44. This type of connection and structure of the probe facilitates its manufacture. The first electrode 42 is - like Figure 14 shows - provided with a lateral lead-out 42 ', which is left free by a Area of the second electrode 44 runs. In the embodiment according to FIG 12, the membrane body 40 can be replaced by a body that is a membrane-like has thinned area in its central part as shown in FIG is. The electrodes 42, 43 and 44 are in turn connected to electrical connections 50, 49 and 48 led.
Obwohl in den Ausführungsbeispielen nach den Figuren 8 bis 12 konzentrisch angeordnete Elektroden 42 und 44 jeweils nur auf dem Tragkörper vorgesehen sind, kann selbstverständlich eine entsprechende Elektroden-Anordnung auch auf dem Membrankörper auf der dem Tragkörper zugewandten Seite vorhanden sein. Eine entsprechende Anordnung ist in Figur 13 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind sowohl auf dem Tragkörper 41 Elektroden 42 und 44 als auch auf dem Membrankörper 40 Elektroden 62 und 64 in einer Anordnung aufgebracht, wie dies Figur 14 zeigt. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel sind der Tragkörper 41 und der Membrankörper 40 mittels einer Schicht 45' aus Verbindungswerkstoff miteinander verbunden, so daß die genannten Elektroden einander gegenüberliegen. Die Elektroden sind mit elektrischen Anschlüssen 52, 52' und 48, 48' verbunden. Dieses Ausführungsbeispiel ist gut für die Fälle geeignet, in denen individuell Kapazitätswerte abgegriffen werden sollen.Although concentric in the exemplary embodiments according to FIGS. 8 to 12 arranged electrodes 42 and 44 are only provided on the support body, Of course, a corresponding electrode arrangement can also be installed on the membrane body be present on the side facing the support body. A corresponding arrangement is shown in FIG. at this embodiment are both on the support body 41 electrodes 42 and 44 and on the membrane body 40 electrodes 62 and 64 are applied in an arrangement as shown in FIG. In this embodiment, too, the support body 41 and the membrane body are 40 connected to one another by means of a layer 45 'made of connecting material, see above that said electrodes are opposite one another. The electrodes are with electrical Connections 52, 52 'and 48, 48'. This embodiment is good for suitable for the cases in which individual capacity values are to be tapped.
Die Figuren 15 und 16 zeigen elektrische Ersatzschaltbilder der in den Figuren 8 bis 14 dargestellten Meßfühler, wobei die Figur 16 das elektrische Ersatzschaltbild für einen Meßfühler gemäß den Ausführungsbeispielen nach den Figuren 8 bis 12 und die Figur 16 ein Ersatzschaltbild für einen Meßfühler entsprechend entsprechend Figur 13 zeigt. In den Figuren 15 und 16 bezeichnen gleiche Bezugszeichen die entsprechenden Anschlüsse in den Figuren 8 bis 14.FIGS. 15 and 16 show electrical equivalent circuit diagrams for the in FIGS. 8 to 14 sensor shown, FIG. 16 being the electrical Equivalent circuit diagram for a sensor according to the exemplary embodiments according to the figures 8 to 12 and FIG. 16 shows an equivalent circuit diagram for a sensor corresponding to Figure 13 shows. In FIGS. 15 and 16, the same reference numerals denote the corresponding connections in FIGS. 8 to 14.
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