DE3920674A1

DE3920674A1 - Druckdetektor vom elektrostatischen kapazitaetstyp

Info

Publication number: DE3920674A1
Application number: DE3920674A
Authority: DE
Inventors: Kimihiro Nakamura; Mikihiko Matsuda; Toshiyuki Takano; Misuru Tamai; Teizo Takahama
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1988-06-23
Filing date: 1989-06-23
Publication date: 1990-01-11
Anticipated expiration: 2009-06-24
Also published as: BR8903075A; JP2570420B2; US5042308A; JPH02263133A; DE3920674C2

Description

Die Erfindung befaßt sich mit einem Druckdetektor vom elek trostatischen Kapazitätstyp mit einer einzelnen Membran zur Druckmessung auf der Basis einer elektrostatischen Kapazität, welche zwischen einer einzelnen, in Abhängigkeit von einem Druck verschiebbaren Membran und jeweiligen orts festen Elektroden, die zu beiden Seiten der Membran ange ordnet sind, gebildet ist, und der Einfluß der elektro statischen Kapazität an einer umlaufenden Kantenverbindungs stelle zwischen der Membran und den jeweiligen ortsfesten Elektroden eliminiert ist, so daß die Linearität des erfaß ten Signals verbessert ist.

Die Erfindung befaßt sich ferner mit einem Druckdetektor vom elektrostatischen Kapäzitätstyp mit einer Zweifachmembran, bei der der Einfluß der elektrostatischen Kapazitäten an den ent sprechenden umlaufenden Verbindungsteilen zwischen den bei den Membranen und den zugeordneten ortsfesten Elektroden eliminiert ist, so daß die Linearität im erfaßten Signal verbessert ist.

Ein Druckdetektor mit einer einzelnen Membran vom elektro statischen Kapazitätstyp zur Messung des Drucks auf der Basis der elektrostatischen Kapazität, die zwischen einer in Abhängigkeit von einem Druck verschiebbaren einzelnen Membran und den jeweiligen ortsfesten Elektroden zu beiden Seiten der Membran gebildet wird, ist beispielsweise aus der US-PS 29 99 386 mit dem Titel "HIGH PRECISION DIAPHRAGM TYPE INSTRUMENTS" bekannt.

In Fig. 13 ist eine schnittbildliche Darstellung des Haupt teils eines derartigen Druckdetektors dargestellt, welcher eine einfache Membran aufweist und vom elektrostatischen Kapazitätstyp ist. In der Fig. 13 besitzt der Druckdetektor eine Membran 69 aus Silicium. Zwei ortsfeste Elektroden 61 und 62 sind an der Membran über Glasverbindungsteile 67 und 68 verbunden. Ein Luftspalt 65 ist zwischen der Membran 69 und der ortsfesten Elektrode 61 gebildet. Ein weiterer Luft spalt 66 ist zwischen der Membran 69 und der anderen orts festen Elektrode 62 gebildet. Eine Druckeinleitungsöffnung 63 ist in die feststehende Elektrode 61 eingeformt und dient zum Einleiten eines Druckes P 1 in den Luftspalt 65. Eine Druckeinleitungsöffnung 64 ist in die andere feststehende Elektrode 62 eingeformt und dient zum Einleiten eines Drucks P 2 in den Luftspalt 66.

Ein erster Kondensator wird von der Membran 69 und der fest stehenden Elektrode 61 gebildet. Eine elektrostatische Kapa zität C 61 dieses Kondensators wird über Anschlußstifte A 1 und A 3 abgegriffen. Ein zweiter Kondensator wird durch die Membran 69 und die feststehende Elektrode 62 gebildet. Eine elektrostatische Kapazität C 62 dieses Kondensators wird über Anschlußstifte A 2 und A 3 abgegriffen. Mit Bezugsziffern 61 a, 62 a und 69 a sind elektrische Kontaktierungsplättchen bezeich net. Wenn auf die Membran 69 die Drücke P 1 und P 2 wirken, wird die Membran in Abhängigkeit vom Druckunterschied (P 1-P 2) verschoben. In Abhängigkeit von der Verschiebung der Membran 69 ändern sich die elektrostatischen Kapazitäten C 61 und C 62. Aufgrund dieser Verschiebung ist es möglich, die Druckdifferenz zu messen.

Im allgemeinen ist der Druckdetektor, welcher in Fig. 13 dargestellt ist, in einem hermetisch abgedichteten Gehäuse untergebracht. Dieses Gehäuse besitzt zwei Abdichtmembranen, welche die Drücke P 1 und P 2 empfangen, sowie ein nicht komprimierbares fließfähiges Medium zur Druckübertragung. Wenn beispielsweise Siliconöl im Gehäuse eingeschlossen ist, sind die Luftspalte 65 und 66 sowie die Druckeinleitungs öffnungen 63 und 64 mit dem Siliconöl gefüllt.

Bei dem herkömmlichen Druckdetektor mit der einfachen Membran werden zwischen der Membran 69 und der feststehenden Elektrode 61 die zwei Kondensatoren gebildet. Ein Konden sator wird durch die Membran 69 und die feststehende Elek trode 61 mit dem dazwischenliegenden Luftspalt 65 gebildet. Die elektrostatische Kapazität ist durch Co/(1-Δ/d) gege ben, wobei Co die elektrostatische Kapazität darstellt, wenn der Druckunterschied (P 2-P 1) Null ist. Δ bedeutet die Verschiebung der Membran 69 in Richtung nach rechts aufgrund der Druckdifferenz (P 2-P 1), und d bedeutet die Dicke des Luftspaltes 65, wenn der Druckunterschied (P 2-P 1) Null ist. Es wird angenommen, daß P 2 größer ist als P 1.

Der andere Kondensator besteht aus der Membran 69 und der feststehenden Elektrode 61 mit der Glasverbindung 67 dazwi schen. Seine elektrostatische Kapazität C 67 ist unabhähgig von der Verschiebung der Membran 69 und hat daher eine nach teilige Wirkung auf die Messung.

Ferner werden zwei Kondensatoren zwischen der Membran 69 und der feststehenden Elektrode 62 gebildet. Ein Kondensator wird durch die Membran 69 und die feststehende Elektrode 62 mit dem dazwischenliegenden Luftspalt 66 gebildet. Seine elektrostatische Kapazität ist gegeben durch Co/(1+Δ/d).

Der andere Kondensator wird durch die Membran 69 und die feststehende Elektrode 62 mit der Glasverbindung 68 dazwi schen gebildet. Seine elektrostatische Kapazität C 68 ist in der gleichen Weise wie bei der elektrostatischen Kapazi tät C 67 unabhängig von der Verschiebung der Membran 69. Daher hat auch diese elektrostatische Kapazität eine nachteilige Wirkung auf die Messung.

Eine Fig. 14 zeigt schematisch das elektrische Schaltbild zwischen den Anschlußstiften A 1, A 2 und A 3. In der Fig. 14 wird die zwischen den Anschlußstiften A 1 und A 3 gebildete elektrostatische Kapazität ausgedrückt durch Co/(1-Δ/d)+67, und die zwischen den Anschlußstiften A 2 und A 3 gebildete elektrostatische Kapazität wird ausgedrückt durch Co/(1+Δ/d)+C 68.

Die elektrostatischen Kapazitäten C 67 und C 68 wirken sich bei der Messung nachteilig aus, da sie ihrer Größe nach etwa gleich Co sind. Es sei beispielsweise angenommen, daß die Membran 69 und die feststehenden Elektroden 61 und 62 jeweils 9 mm² groß sind, die Luftspalte 65 und 66 7 mm-Kreise sind, die mit Siliconöl gefüllt sind, die Glasverbindungen 67 und 68 aus SM-36A bestehen, welches ein von der Firma Nippon Electric Glass Company, Ltd. erzeugtes Glasbinde material ist, und schließlich die Dicke der Luftspalte 65 und 66 sowie der Glasverbindungen 67 und 68 12 mm beträgt. Die spezifischen Kapazitäten von Siliconöl und vom Glas bindematerial SM-36A sind 2,65 bzw. 4,8. Die Dielektrizitäts konstante beträgt 8,85×10^-14 Farad/cm. Die elektro statische Kapazität Co beträgt dann 75,21 pF, und C 67 und C 68 betragen beide 150,50 pF. Damit sind die elektrostati schen Kapazitäten C 67 und C 68, welche keinerlei Beziehung zur Messung haben, etwa doppelt so groß wie die elektro statische Kapazität Co.

Wenn die Kapazitäten C 67 und C 68 so klein sind, daß sie im Vergleich zur Kapazität Co vernachlässigbar sind, ändern sich die Kapazitäten C 10 und C 20, welche durch C 10= Co/(1-Δ/d) und C 20=Co/(1+Δ/d) gegeben sind, in der Weise, daß das Signal F proportional der folgenden Gleichung ist:

F=(C 10-C 20)/(C 10+C 20)=Δ/d.

Da jedoch bei der in der Fig. 13 gezeigten Ausführungsform die beiden Kapazitäten C 67 und C 68 etwa doppelt so groß sind wie die Kapazität Co, läßt sich das Signal F nicht durch obige Gleichung ausdrücken. Es treten Terme höherer Ordnung in Erscheinung, so daß das Signal F nicht linear ist. Eine Gegenmaßnahme hierzu besteht darin, daß man die Elektrodenflächen an den Luftspalten 65 und 66 extrem groß macht, so daß die Kapazitäten C 67 und C 68 klein werden im Vergleich zur Kapazität Co. Jedoch bedeutet dies, daß ein derartiger Druckdetektor äußerst große Abmessungen hat. Diese Gegenmaßnahme ist daher nicht vorteilhaft.

Ein Druckdetektor mit zwei Membranen vom elektrostatischen Kapazitätstyp ist aus der US-PS 41 69 389 mit dem Titel "PRESSURE MEASURING DEVICE" bekannt.

In Fig. 15 ist vom Hauptteil eines Druckdetektors mit Doppel membran vom elektrostatischen Typ eine schnittbildliche Darstellung gezeigt. Der Detektor enthält eine mittlere Elektrode 123, Membranen 127 und 128 sowie feststehende Elektroden 121 und 122. Die Membranen 127 und 128 sowie die festen Elektroden 121 und 122 sind zu beiden Seiten und symmetrisch bezüglich der mittleren Elektrode 123 angeord net.

Die mittlere Elektrode 123 ist an ihrem äußeren Umfang mit einem elektrischen Kontaktierungsplättchen 123 a versehen. Die Membranen 127 und 128 sind mit der mittleren Elektrode 123 über Glasverbindungen 131 und 132 verbunden. Hohle Teile 131 h und 132 h sind in die Glasverbindungen 131 und 132 ein geformt. Die Spalte zwischen den Membranen 127 und 128 und der mittleren Elektrode 123 sind gleich der Dicke der Glas verbindungen 131 und 132.

Die feststehenden Elektroden 121 und 122 sind mit den Außen seiten der Membranen 127 und 128 verbunden. Zwischen der Membran 127 und der feststehenden Elektrode 121 sowie zwi schen der Membran 128 und der feststehenden Elektrode 122 sind Luftspalte vorgesehen. Druckeinleitungsöffnungen 121 h und 122 h sind in die feststehenden Elektroden 121 und 122 eingeformt, so daß ihre mittleren Teile durchbrochen sind. Elektrische Kontaktierungsplättchen 121 h und 122 h sind an den äußeren Flächen der Elektroden 121 und 122 jeweils vor gesehen. Anschlußstifte A 1, A 2 und A 3 sind mit den elektri schen Kontaktierungsplättchen 121 a, 122 a und 123 a kontak tiert. Über diese Anschlußstifte können elektrostatische Kapazitäten abgegriffen werden.

Ein Druck P 1 wirkt durch die Druckeinleitungsöffnung 121 h der festen Elektrode 121 auf einen Spalt U 1 an der rechten Seite der Membran 127. Ein Druck P 2 wirkt durch die Druck einleitungsöffnung 122 h der festen Elektrode 122 und die hohlen Teile 131 h und 132 h der Glasverbindungen 131 und 132 auf einen Spalt U 2 zwischen der Membran 127 und der mittle ren Elektrode 123, einen Spalt U 3 zwischen der mittleren Elektrode 123 und der Membran 126 und einen Spalt U 4 zwischen der Membran 128 und der festen Elektrode 122. Der Druckunterschied (P 2-P 1) verschiebt daher die Membran 128 nicht, während die Membran 127 verschoben wird.

Der in Fig. 15 dargestellte Druckdetektor wird in einem her metisch abgedichteten Gehäuse angeordnet. Zwei Dichtmembra nen nehmen die Drücke P 1 und P 2 auf. Der Druckdetektor kann jedoch auch in einem hermetisch abgedichteten Gehäuse ange ordnet sein, welches nur eine Abdichtungsmembran besitzt und ein nicht komprimierbares fließfähiges Medium zur Druck übertragung, beispielsweise Siliconöl, aufweist, das im Gehäuse eingeschlossen ist.

Der in Fig. 15 dargestellte Druckdetektor mit zwei Membranen besitzt folgende Eigenschaften: (1) Er kann auch dann ver wendet werden, wenn die Medien sich voneinander unterschei den. Wenn beispielsweise der Spalt U 1 mit einem Medium M gefüllt ist und die Spalte U 2, U 3 und U 4 mit einem anderen Medium N gefüllt sind (2), ist es möglich, die Wirkung einer Temperaturänderung zu unterdrücken und zu kompensieren.

Die Fig. 16 zeigt ein Ersatzschaltbild der elektrostatischen Kapazitäten für den Detektor mit den beiden Membranen. Die elektrostatische Kapazität zwischen der festen Elektrode 121 und der mittleren Elektrode 123 in Fig. 15 wird über die Anschlußstifte A 1 und A 3 abgegriffen. Diese elektrostatische Kapazität wird durch die Parallelschaltung von (1) einer elektrostatischen Kapazität Co/(1-Δ/d), welche zwischen der mittleren Elektrode 123 und der Membran 127 gebildet ist, und (2) einer elektrostatischen Kapazität C 131, welche durch die Umfangsteile der festen Elektrode 121, der Membran 127 und der Mittelelektrode 123 gebildet wird, zusammen gesetzt.

In der oben angegebenen Gleichung für die elektrostatische Kapazität Co/(1-Δ/d) bedeutet d den Spalt zwischen der rechten Seite der mittleren Elektrode 123 und der Membran 127, wenn der Druckunterschied (P 2-P 1), der auf die Membran 127 wirkt, Null ist. Co bedeutet die elektro statische Kapazität zu diesem Zeitpunkt. C 131 ist die elek trostatische Kapazität über die Dicke der Glasverbindung 131. Es wird angenommen, daß der Druck P 2 größer ist als der Druck P 1.

In der gleichen Weise ist die elektrostatische Kapazität zwischen den Anschlußstiften A 2 und A 3 gebildet durch eine Parallelschaltung der elektrostatischen Kapazität Co zwi schen der linken Seite der mittleren Elektrode 123 und der Membran 128 und einer elektrostatischen Kapazität C 132 über die Dicke der Glasverbindung 132 hin.

Da, wie oben schon erläutert wurde, bei dem herkömmlichen Detektor mit zwei Membranen, die Kapazitäten C 131 und C 132 nicht so gering sind, daß sie im Vergleich zur Kapazität Co vernachlässigbar sind, ist es nicht möglich, ein Detektor signal zu erhalten, daß proportional der Verschiebung der Membran 127 ist. Die Druckdifferenz (P 1-P 2) kann aus einem Signal, das durch F=(C 10-C 20) gegeben ist, nicht erhalten werden, wobei C 10 die zusammengesetzte elektro statische Kapazität zwischen den Anschlußstiften A 1 und A 3 und C 20 die zusammengesetzte elektrostatische Kapazität zwischen den Anschlußstiften A 2 und A 3 darstellen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, zur Lösung der im Zusam menhang mit dem Druckdetektor vom elektrostatischen Kapazi tätstyp mit einfacher Membran dargestellten Schwierigkeiten einen Druckdetektor vom elektrostatischen Kapazitätstyp zu schaffen, bei welchem die Wirkungen der elektrostatischen Kapazitäten an den Verbindungsstellen zwischen Membran und feststehenden Elektroden im Bereich der Umfangsteile im wesentlichen beseitigt sind, so daß die Linearität des Detek torsignals verbessert ist.

Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, zur Lösung der im Zu sammenhang mit einem Druckdetektor vom elektrostatischen Kapazitätstyp mit zwei Membranen dargestellten Schwierig keiten einen Druckdetektor vom elektrostatischen Kapazitäts typ zu schaffen, bei dem die Wirkungen der elektrostatischen Kapazitäten in den umlaufenden Verbindungsteilen zwischen den Membranen und den feststehenden Elektroden im wesent lichen beseitigt sind, so daß die Linearität des Detektor signals verbessert wird.

Zur Lösung der geschilderten Aufgabenstellung wird bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung ein Druckdetektor mit einzelner Membran vom elektrostatischen Kapazitätstyp ge schaffen, bei dem die Druckmessung aufgrund einer elektro statischen Kapazität erfolgt, die gebildet ist zwischen der Membran, welche in Abhängigkeit vom Druck auslenkbar ist, und jeweiligen fest angeordneten Elektroden, von denen jede Elek trode einen Elektrodenkörper aufweist, der an seinem mittle ren Teil einen Vorsprung besitzt, der nahe und gegenüber liegend einer Oberfläche eines mittleren Teils der Membran angeordnet ist und ferner eine Druckeinleitungsöffnung auf weist. Ferner ist mit einem umlaufenden Randteil des Elek trodenkörpers an der Seite des Vorsprungs eine Abstützung vorgesehen, welche den Vorsprung einschließt und welche mit einem umlaufenden Randteil der Membran an einer Endfläche verbunden ist, die entgegengesetzt zu dem mit dem Elektroden körper verbundenen Teil liegt, wobei die Abstützung aus einem isolierenden Material besteht.

Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird ein Druckdetektor mit einzelner Membran vom elektrostatischen Kapazitätstyp geschaffen, bei dem die Druckmessung aufgrund einer elektrostatischen Kapazität erfolgt, die zwischen der Membran, die aufgrund des Drucks verschiebbar ist, und je weiliger feststehender Elektroden, die zu beiden Seiten der Membran angeordnet sind, gebildet wird, wobei jede der fest stehenden Elektroden einen mittleren Elektrodenkörper auf weist mit einer Endfläche, die nahe und gegenüber einer Oberfläche eines mittleren Teils der Membran liegt, und ferner eine Druckeinleitungsöffnung aufweist. Außerdem ist ein ringförmiger lsolator mit einer äußeren Umfangsfläche des mittleren Elektrodenkörpers verbunden. Mit der äußeren Umfangsfläche des ringförmigen Isolators ist ein ringförmi ger elektrischer Leiter verbunden. Der ringförmige Isolator ist an seiner einen Endfläche mit einem umlaufenden Rand teil der Membran isolierend verbunden. Die Membran ist elek trisch mit dem ringförmigen elektrischen Leiter jeder der feststehenden Elektroden verbunden.

Gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung wird ein Druckdetektor vom elektrostatischen Kapazitätstyp mit ein zelner Membran geschaffen, bei welchem die Druckmessung auf der Basis einer elektrostatischen Kapazität erfolgt, die zwischen der Membran, welche in Abhängigkeit vom Druck ver schiebbar ist, und jeweiliger feststehender Elektroden, die zu beiden Seiten der Membran angeordnet sind, erfolgt. Die beiden feststehenden Elektroden sind isoliert an entspre chenden umlaufenden Randteilen der Membran mit der Membran verbunden. Jede der feststehenden Elektroden ist so ange ordnet, daß ein Korrekturkondensator vorhanden ist mit einer elektrostatischen Kapazität, deren Temperaturcharakteristik die gleiche ist wie die an den umlaufenden Randverbindungs stellen zwischen der Membran und jeder der feststehenden Elektroden, so daß Wirkungen der elektrostatischen Kapazi täten an den umlaufenden Randverbindungsstellen zwischen der Membran und jeder der feststehenden Elektroden im wesentlichen beseitigt sind.

Bei dem Druckdetektor vom elektrostatischen Kapazitätstyp mit einzelner Membran, bei dem elektrostatische Kapazitäten zwischen der Membran und entsprechenden Elektrodenkörpern geformt werden, kann jede der elektrostatischen Kapazitäten, welche durch den umlaufenden Randteil der Membran und der Abstützung gebildet wird, sowie die elektrostatische Kapazi tät, welche durch einen dazwischenliegenden Teil der Membran gebildet wird, klein genug ausgebildet werden, so daß sie im Vergleich zur elektrostatischen Kapazität, welche durch einen mittleren Teil der Membran gebildet wird, vernachlässigbar ist, so daß sie unterschiedlich veränderbar ist, wobei Line arität des Detektorsignals gegenüber dem Druck vorhanden ist.

Bei einem Druckdetektor vom elektrostatischen Kapazitätstyp mit einzelner Membran kann bei dem zweiten Ausführungs beispiel der Erfindung, bei welchem elektrostatische Kapazi täten zwischen der Membran und den mittleren Elektroden körpern gebildet werden, die elektrostatische Kapazität, welche durch den umlaufenden Randteil der Membran, den ring förmigen elektrischen Leiter und den ringförmigen Isolator gebildet wird, klein genug gehalten werden, so daß sie ver nachlässigbar ist im Vergleich zu der elektrostatischen Kapazität, welche durch einen mittleren Teil der Membran gebildet wird, so daß sie sich unterschiedlich ändern kann und dabei die Linearität des Detektorsignals gegenüber dem Druck beibehalten wird.

Bei einem Druckdetektor vom elektrostatischen Kapazitätstyp mit einzelner Membran kann bei einer dritten Ausführungs form der Erfindung, bei welcher elektrostatische Kapazitäten zwischen der Membran und feststehenden Elektroden gebildet werden, die elektrostatische Kapazität, welche durch den umlaufenden Randteil der Membran gebildet wird, eliminiert werden durch die elektrostatische Kapazität des Korrektur kondensators, so daß nur die elektrostatische Kapazität vor handen ist, welche durch den mittleren Teil der Membran ge bildet wird und welche unterschiedlich veränderbar ist, wobei die Linearität des Detektorsignals gegenüber dem Druck beibehalten wird.

Gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung besitzt ein Druckdetektor vom elektrostatischen Kapazitätstyp eine mittlere Elektrode, eine erste und eine zweite Membran, die isoliert an Verbindungsstellen an entgegengesetzten Seiten mit der mittleren Elektrode verbunden sind, erste und zweite feststehende Elektroden, die elektrisch an entgegengesetzten Seiten an Verbindungsstellen mit der ersten und zweiten Membran verbunden sind, so daß Spalte zwischen den ersten und zweiten feststehenden Elektroden und den ersten und zweiten Membranen entstehen, zur Messung eines Druckunter schieds zwischen einem Druck, der in die Spalte an entgegen gesetzten Seiten der zweiten Membran und den Spalt an der Seite der ersten Membran, welche der mittleren Elektrode zugekehrt ist, eingeleitet wird, und der andere Druck in den Spalt zwischen der ersten feststehenden Elektrode und der ersten Membran eingeleitet wird, auf der Basis einer elektrostatischen Kapazität gemessen wird, welche gebildet wird zwischen der mittleren Elektrode und der ersten und zweiten feststehenden Elektrode, wobei die mittlere Elektro de ein Elektrodensubstrat aufweist, und an entgegengesetzten Seiten des Elektrodensubstrats mit dem Elektrodensubstrat isolierende Platten verbunden sind, und wobei elektrische Leiterplatten mit den mittleren Teilen der äußeren Seiten der isolierenden Platten verbunden sind und elektrisch mit dem Elektrodensubstrat kontaktiert sind.

Bei einem Druckdetektor vom elektrostatischen Kapazitätstyp mit zwei Membranen, bei dem elektrostatische Kapazitäten zwischen den ersten und zweiten Elektroden und dem Elektro densubstrat gebildet werden, können die elektrostatischen Kapazitäten, welche durch das Elektrodensubstrat, jede iso lierende Platte und den umlaufenden Randteil einer jeden Membran gebildet werden, sowie die elektrostatischen Kapa zitäten, welche durch das Elektrodensubstrat, jede isolieren de Platte und einen dazwischenliegenden Teil einer jeden Membran gebildet werden, ausreichend niedrig gehalten wer den, so daß sie vernachlässigbar sind im Vergleich zu den elektrostatischen Kapazitäten, welche durch das Elektroden substrat, jede elektrische Leiterplatte und einen mittleren Teil einer jeden Membran gebildet werden, und somit ein Detektorsignal erreicht wird, welches Linearität gegenüber unterschiedlichem Druck aufweist.

Anhand der Figuren wird an Ausführungsbeispielen die Erfin dung noch näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schnittbildliche Darstellung eines wesent lichen Teils eines ersten Ausführungsbeispiels eines Druckdetektors vom elektrostatischen Kapa zitätstyp mit einzelner Membran gemäß der Erfin dung, bei dem die Druckmessung auf der Basis elektrostatischer Kapazitäten erfolgt, die ge bildet werden zwischen der Membran, die in Ab hängigkeit vom Druck verschiebbar ist, und fest stehender Elektroden, die zu beiden Seiten der Membran angeordnet sind;

Fig. 2 eine schematische Darstellung der elektro statischen Kapazitäten, welche beim ersten Ausführungsbeispiel in der Fig. 1 gebildet werden;

Fig. 3 ein elektrisches Ersatzschaltbild der elek trostatischen Kapazitäten des ersten Aus führungsbeispiels;

Fig. 4 eine schnittbildliche Darstellung durch einen Hauptteil eines zweiten Ausführungs beispiels eines Druckdetektors mit einzelner Membran nach der Erfindung;

Fig. 5 eine schematische Darstellung der elektro statischen Kapazitäten, welche bei dem zwei ten Ausführungsbeispiel der Fig. 4 gebildet werden;

Fig. 6 ein elektrisches Ersatzschaltbild der elek trostatischen Kapazitäten beim zweiten Aus führungsbeispiel;

Fig. 7 eine schnittbildliche Darstellung eines Hauptteils eines dritten Ausführungsbeispiels eines Druckdetektors mit einzelner Membran nach der Erfindung;

Fig. 8 ein Ersatzschaltbild für die elektro statischen Kapazitäten des in der Fig. 7 dargestellten dritten Ausführungsbeispiels;

Fig. 9 ein Schaltbild für eine Detektorschaltung, welche beim dritten Ausführungsbeispiel ver wendet wird;

Fig. 10 eine schnittbildliche Darstellung eines Hauptteils eines Ausführungsbeispiels eines Druckdetektors vom elektrostatischen Kapazi tätstyp mit zwei Membranen nach der Erfin dung, bei dem zwei Membranen an entgegen gesetzten Seiten einer mittleren Elektrode vorgesehen sind;

Fig. 11 eine schematische Darstellung der elektro statischen Kapazitäten, welche beim Ausfüh rungsbeispiel der Fig. 10 gebildet werden;

Fig. 12 ein elektrisches Ersatzschaltbild der elek trostatischen Kapazitäten im Ausführungs beispiel der Fig. 10;

Fig. 13 eine schnittbildliche Darstellung eines Hauptteils einer bekannten Ausführungsform eines Druckdetektors vom elektrostatischen Kapazitätstyp mit einzelner Membran;

Fig. 14 ein elektrisches Ersatzschaltbild der elek trostatischen Kapazitäten der bekannten Aus führungsform;

Fig. 15 eine schnittbildliche Darstellung eines Hauptteils einer bekannten Ausführungsform eines Druckdetektors vom elektrostatischen Kapazitätstyp mit zwei Membranen; und

Fig. 16 ein elektrisches Ersatzschaltbild der elek trostatischen Kapazitäten der Ausführungs form in Fig. 15.

Unter Bezugnahme auf die Figuren werden Ausführungsbeispiele des Druckdetektors vom elektrostatischen Kapazitätstyp nach der Erfindung beschrieben. Die Fig. 1 zeigt eine schnittbild liche Darstellung eines Hauptteils eines ersten Ausführungs beispiels eines Druckdetektors vom elektrostatischen Kapa zitätstyp mit einzelner Membran nach der Erfindung. Ein Detektorteil besitzt bei diesem Ausführungsbeispiel eine Membran 9 sowie feststehende Elektroden 1 und 2, die in symmetrischer Anordnung an entgegengesetzten Seiten der angeordnet sind. Die feststehenden Elektroden 1 und 2 be stehen hauptsächlich aus Elektrodenkörpern 3 und 4 und ent sprechenden Abstützungen 5 und 6. Der Einfachheit halber wird nur die Seite der feststehenden Elektrode 1 beschrie ben. Die diesbezüglichen Ausführungen treffen auch für die Seite der feststehenden Elektrode 2 zu. Wenn Unterschiede bestehen, wird ausdrücklich darauf hingewiesen.

Der Elektrodenkörper 3 besteht aus einem dicken platten förmigen Bauteil mit einem Vorsprung an seinem mittleren Teil. Der Elektrodenkörper 3 ist mit einer Druckeinleitungs öffnung 3 h ausgestattet, die den mittleren Teil des Elektro denkörpers durchdringt. Ferner ist eine elektrische Leiter platte 1 a an der äußeren Umfangsfläche des Elektrodenkörpers vorgesehen. Die Abstützung 5 ist ein ringförmiger Bauteil aus Isoliermaterial. Die Abstüzung 5 ist mit einem umlaufen den Randteil des Elektrodenkörpers 3 verbunden. Die Abstüt zung ist mit einer Endfläche des Elektrodenkörpers in der Weise verbunden, daß sie den oben erwähnten Vorsprung um gibt. Die Oberfläche des Vorsprungs des Elektrodenkörpers 3 und die freie Endfläche der Abstützung 5 befinden sich in der gleichen Ebene. Die feststehende Elektrode 1 ist ferner mit der rechten Seitenfläche der Membran 9 über ein Glas verbindungsteil 7 verbunden. Der Spalt, welcher zwischen der rechten seitlichen Oberfläche der Membran 9 und der Ober fläche des Vorsprungs des Elektrodenkörpers 3 gebildet wird, ist daher gleich der Dicke des Glasverbindungsteils 7. Im Spalt auf der rechten Seite der Membran 9 wirkt ein Druck P 1. Eine elektrische Leiterplatte 9 a ist an der äußeren Um fangsfläche der Membran 9 vorgesehen. Anschlußstifte A 1 und A 3 sind mit den elektrischen Leiterplatten 1 a und 9 a elek trisch kontaktiert. Somit kann eine elektrostatische Kapa zität, welche zwischen der feststehenden Elektrode 1 und der Membran 9 gebildet wird, über die Anschlußstifte A 1 und A 3, wie noch erläutert wird, abgegriffen werden. Die Bezugs zeichen 8, 2 a und A 2 bezeichnen in der gleichen Reihenfolge einen Glasverbindungsteil, eine elektrische Leiterplatte und einen Anschlußstift, die der anderen feststehenden Elek trode 2 zugeordnet sind.

Die Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung die elektro statischen Kapazitäten, welche an der Seite der ersten fest stehenden Elektrode 1 bei dem in der Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel entstehen. Die elektrostatische Kapazität, welche zwischen der feststehenden Elektrode 1 und der Membran gebildet wird, d. h. die elektrostatische Kapazität, welche über die Anschlußstifte A 1 und A 3 abge griffen wird, ist eine elektrostatische Kapazität einer Parallelschaltung von (1) einer elektrostatischen Kapazi tät Co/(1-Δ/d), welche über einen Spalt gebildet wird zwischen der Oberfläche des Vorsprungs des Elektrodenkörpers 3 und der gegenüberliegenden Membran 9, (2) einer elektro statischen Kapazität Cm, welche über einen Spalt zwischen der Oberfläche einer Zwischenfläche des Elektrodenkörpers 3 und der gegenüberliegenden Membran 9 gebildet wird, und (3) einer elektrostatischen Kapazität C 5 der Abstützung 5. Hierbei bedeuten d einen Spalt zwischen der Oberfläche des Vorsprungs des Elektrodenkörpers 3 und der gegenüberliegen den Fläche der Membran 9, wenn die Druckdifferenz (P 2-P 1), welche auf die Membran 9 wirkt, Null ist, Co eine elektro statische Kapazität bei dieser Betriebsbedingung und C 5 die elektrostatische Kapazität in Dickenrichtung der Abstützung 5. Die elektrostatische Kapazität an der Glasverbindung 7 ist dadurch beseitigt, daß die Leiterplatte 9 a die Glasver bindung 7 abdeckt. P 2 ist ein Druck, der an der linken Seite der Membran 9 wirkt, und es wird angenommen, daß der Druck P 2 größer ist als der Druck P 1.

Die Fig. 3 ist ein elektrisches Ersatzschaltbild der elek trostatischen Kapazitäten beim ersten Ausführungsbeispiel. Es wird angenommen, daß in Fig. 3 die Kapazitäten C 6 und Cn den elektrostatischen Kapazitäten C 5 und Cm entsprechen und die gleichen Werte haben. Wenn nun die Werte für die elektro statischen Kapazitäten C 5, C 6, Cm und Cn so ausgewählt sind, daß sie im Vergleich zur elektrostatischen Kapazität Co aus reichend gering sind, lassen sich die entsprechenden elektro statischen Kapazitäten C 1 und C 2 zwischen den Anschluß stiften A 1 und A 3 und den Anschlußstiften A 2 und A 3 wie folgt beschreiben.

C 1=Co/(1-Δ/d)
C 2=Co/(1+Δ/d).

Wenn beispielsweise der Außendurchmesser des Vorsprungs in der Mitte des Elektrodenkörpers 3 mit 5,8 mm bemessen wird und die Abstützungen 5 und 6 jeweils Innendurchmesser von 6,7 mm und eine Dicke von 2 mm aufweisen und aus Keramik material geformt sind, das eine spezifische Kapazität von 5,8 besitzt, ergeben sich für die elektrostatischen Kapazi täten C 5, C 6, Cm, Cn und Co C 5=C 6=1,18 pF, Cm=Cn= 0,103 pF und Co=51,6 pF. Das Pluszeichen im Nenner der Gleichung für C 2 bedeutet, daß die Membran 9 in Richtung weg von der Oberfläche des Vorsprungs des Elektrodenkörpers 4 bewegt wird.

Wie im Zusammenhang mit obigem Beispiel ausgeführt wurde, ist es daher möglich, ein Detektorsignal zu erhalten, das proportional dem Druckunterschied (P 2-P 1) ist.

Im folgenden wird ein zweites Ausführungsbeispiel eines Druckdetektors vom elektrostatischen Kapazitätstyp nach der Erfindung beschrieben. Die Fig. 4 zeigt eine schnittbild liche Darstellung eines Hauptteils des zweiten Ausführungs beispiels dieses Detektors mit einer Membran. Bei diesem Ausführungsbeispiel enthält der Detektorteil eine Membran 19, feststehende Elektroden 11 und 12 in symmetrischer An ordnung zu beiden Seiten der Membran 19. Die feststehenden Elektroden 11 und 12 besitzen im wesentlichen mittlere Elek trodenkörper 13 und 14, ringförmige Isolatoren 15 A und 16 A sowie ringförmige elektrische Leiter 15 B und 16 B. Der Ein fachheit halber wird nur die Seite der feststehenden Elek trode 11 beschrieben. Die diesbezüglichen Ausführungen gel ten auch für die Seite der feststehenden Elektrode 12. Falls Unterschiede vorhanden sind, wird hierauf speziell hinge wiesen.

Der mittlere Elektrodenkörper 13 besitzt eine abgestufte Säulenform mit zwei Durchmessern. Durch den mittleren Teil führt eine Druckeinleitungsöffnung 13 h. Die innere Umfangs fläche des ringförmigen Isolators 15 A ist mit der äußeren Umfangsfläche des größeren Durchmesserteils des mittleren Elektrodenkörpers 13 verbunden. Die innere Umfangsfläche des ringförmigen elektrischen Leiters 15 B ist mit der äußeren Umfangsfläche des ringförmigen Isolators 15 A verbunden. Eine elektrische Leiterplatte 13 a ist an der äußeren Umfangs fläche des Elektrodenteils des mittleren Elektrodenkörpers 13 mit dem kleineren Umfang vorgesehen. Die linken Endflächen des mittleren Elektrodenkörpers 13, des ringförmigen Isola tors 15 A und des ringförmigen elektrischen Leiters 15 B be finden sich in der gleichen Ebene. Die feststehende Elek trode 11 ist über eine Glasverbindung 17 mit der rechten Seite der Membran 19 verbunden. Der Spalt zwischen der rech ten Oberflächenseite der Membran 19 und der linken Ober flächenseite des mittleren Elektrodenkörpers 13 besitzt daher die gleiche Dicke wie die Glasverbindung 17.

Ein Druck P 1 wirkt im Spalt an der rechten Seite der Membran 19. Eine elektrische Leiterplatte 19 a ist so vorgesehen, daß sie die äußere Umfangsfläche der Membran 19 mit den elektri schen Leitern 15 B und 16 B verbindet. Anschlußstifte A 1 und A 3 sind mit den elektrischen Leiterplatten 13 a und 19 a je weils kontaktiert. Die elektrostatische Kapazität, welche zwischen der feststehenden Elektrode 11 und der Membran 19 gebildet wird, wird über Anschlußstifte A 1 und A 3, wie im einzelnen noch erläutert wird, abgegriffen. Die Bezugszif fern 18, 14 a und A 2 bedeuten in gleicher Reihenfolge eine Glasverbindung, eine elektrische Leiterplatte und einen Anschlußstift, welche in Verbindung mit der anderen fest stehenden Elektrode 12 vorgesehen sind.

Die Fig. 5 zeigt schematisch die Anordnung der elektro statischen Kapazitäten, welche auf der Seite der fest stehenden Elektrode 11 beim zweiten Ausführungsbeispiel ge bildet werden. Die elektrostatische Kapazität, welche zwi schen der feststehenden Elektrode 11 und der Membran 19 ge bildet wird, wird über die Anschlußstifte A 1 und A 3 abge griffen. Diese elektrostatische Kapazität ist eine Parallel schaltung (1) einer elektrostatischen Kapazität Co/(1-Δ/d), welche über einen Spalt zwischen der linken Endfläche des mittleren Elektrodenkörpers und der dem Elektrodenkörper gegenüberliegenden Membran 19 gebildet wird, und (2) einer elektrostatischen Kapazität C 15, welche vom mittleren Elek trodenkörper 13, dem ringförmigen Isolator 15 A und dem ring förmigen elektrischen Leiter 15 B gebildet wird. C 15 gibt die elektrostatische Kapazität quer zum Durchmesser des ring förmigen Isolators 15 A an. Die Teile, welche denen beim ersten Ausführungsbeispiel gleichen, sind mit entsprechenden Bezugsziffern versehen.

Die Fig. 6 zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild der elektrostatischen Kapazitäten beim zweiten Ausführungs beispiel. C 16 stellt eine elektrostatische Kapazität dar, welche der elektrostatischen Kapazität C 15 in Fig. 5 ent spricht und den gleichen Wert aufweist. Wenn die Werte der elektrostatischen Kapazitäten C 15 und C 16 so ausgewählt sind, daß sie bedeutend geringer sind als die elektrostatische Kapazität Co, lassen sich die jeweiligen elektrostatischen Kapazitäten C 11 und C 12 zwischen den Anschlußstiften A 1 und A 3 und zwischen den Anschlußstiften A 2 und A 3 wie folgt darstellen:

C11=Co/(1-Δ/d)
C12=Co/(1+Δ/d).

Das Pluszeichen im Nenner der Gleichung für die elektro statische Kapazität C 12 bedeutet, daß die Membran 19 in Richtung weg von der linken Oberflächenseite des mittleren Elektrodenkörpers 14 bewegt wird. Es ist daher möglich, ein Detektorsignal zu erhalten, das proportional der Druck differenz (P 2-P 1) ist.

Im folgenden wird ein drittes erfindungsgemäßes Ausführungs beispiel eines Druckdetektors vom elektrostatischen Kapazi tätstyp mit einzelner Membran unter Bezugnahme auf die Figu ren beschrieben.

Die Fig. 7 zeigt eine schnittbildliche Darstellung eines Hauptteils des dritten Ausführungsbeispiels. Der Detektor teil dieses Ausführungsbeispiels weist einen Detektorkörper und einen Korrekturkondensator 30 auf. Der Detektorkörper besitzt eine Membran 29 und feststehende Elektroden 21 und 22, die über Glasverbindungen 27 und 28 mit entgegengesetzt liegenden Seiten der Membran verbunden sind. Der Korrektur kondensator 30 weist ringförmige Elektroden 31 und 32 auf, zwischen welche eine ringförmige Glasverbindung 33 eingefügt ist. Der Korrekturkondensator 30 weist ferner eine Kapazität auf, welche zwischen der feststehenden Elektrode 22 und einer Elektrode 31 über einen ringförmigen Isolator 23 ge bildet ist. Die feststehenden Elektroden 21 und 22 sind mit Druckeinleitungsöffnungen 21 a und 22 a versehen. Diese Druck einleitungsöffnungen durchdringen die mittleren Teile der feststehenden Elektroden. Ferner sind die feststehenden Elektroden mit elektrischen Leiterplatten 21 a und 22 a an ih ren äußeren Umfangsflächen versehen. Elektrische Leiter platten 31 a und 32 a sind ferner an den äußeren Umfangs flächen der Elektroden 31 und 32 des Korrekturkondensators 30 vorgesehen.

Der Spalt zwischen der rechten Oberflächenseite der Membran 29 und der linken Oberfläche der feststehenden Elektrode 21 ist gleich der Dicke der Glasverbindung 27. Der Spalt zwi schen der linken Oberflächenseite der Membran 29 und der rechten Oberfläche der feststehenden Elektrode 22 ist gleich der Dicke der Glasverbindung 28. Die Dicken der Glasverbin dungen 27 und 28 sind bei diesem Ausführungsbeispiel zuein ander gleich bemessen.

Drücke P 1 und P 2 wirken in den Spalten an der rechten Seite und der linken Seite der Membran 29. Eine elektrische Leiter platte 29 a ist an der äußeren Umfangsfläche der Membran 29 vorgesehen. Ein Anschlußstift A 1 ist mit der elektrischen Leiterplatte 21 a kontaktiert. Anschlußstifte A 2 und A 3 sind mit den elektrischen Leiterplatten 22 a und 29 a kontaktiert. Elektrostatische Kapazitäten C 21 und C 22 sind zwischen der feststehenden Elektrode 21 und der Membran 29 und zwischen der feststehenden Elektrode 22 und der Membran 29 gebildet. Diese elektrostatischen Kapazitäten werden über die Anschlußstifte A 1 und A 3 bzw. die Anschlußstifte A 2 und A 3 abgegriffen. Anschlußstifte A 4 und A 5 sind mit den elektri schen Leiterplatten 31 a und 32 a verbunden. Die elektro statische Kapazität C 30, welche zwischen den Elektroden 31, 32 gebildet wird, wird über die Anschlußstifte A 4 und A 5 ab gegriffen.

In der Fig. 8 ist ein elektrisches Ersatzschaltbild für die elektrostatischen Kapazitäten beim dritten Ausführungs beispiel dargestellt. Die elektrostatischen Kapazitäten C 27 und C 28 in der Fig. 8 werden über die Glasverbindungen 27 und 28 gebildet und besitzen den gleichen Wert. Die elektro statische Kapazität des Korrekturkondensators 30 ist mit C 30 bezeichnet. Die elektrostatischen Kapazitäten C 30, C 27 und C 28 werden in der Weise ausgewählt, daß folgende Beziehung erfüllt wird:

C 30=2×C 27=2×C 28.

Die elektrostatische Kapazität des ringförmigen Isolators 23 ist äußerst niedrig bemessen. Da die elektrostatischen Kapazitäten C 30, C 27 und C 28 alle über die Glasverbindungen hin gebildet sind, können ihre Temperaturcharakteristiken identisch ausgebildet werden. Die Bauteile, welche denen im ersten und zweiten Ausführungsbeispiel gleich sind, sind mit den gleichen Bezugsziffern versehen.

Die elektrostatischen Kapazitäten C 27 und C 28 sind im Ver gleich zur elektrostatischen Kapazität Co zu groß, um ver nachlässigt zu werden. Daher wird ein Korrekturkondensator 30 verwendet, der ein proportionales Detektorsignal vorsieht.

Die Fig. 9 zeigt ein Schaltbild einer Detektorschaltung, mit welcher ein Detektorsignal erhalten wird, das propor tional der Druckdifferenz beim dritten Ausführungsbeispiel ist. Die Detektorschaltung enthält eine Konstantstromschal tung 40, Gleichrichter 41, 42 und 43, einen Differenzver stärker 44, Transformatoren T 1, T 2, T 3 und Widerstände R 1 und R 2 zum Abrufen einer Gleichspannung. Während die Trans formatoren T 1 und T 2 die gleiche Phase aufweisen, besitzt der Transformator T 3 entgegengesetzte Phase.

Die Serienschaltung des Widerstands R 1, der elektrostati schen Kapazität C 21, des Gleichrichters 41 und des Trans formators T 1 sowie die Serienschaltung des Widerstands R 2, der elektrostatischen Kapazität C 22, des Gleichrichters 42 und des Transformators T 2 sowie die Serienschaltung der elektrostatischen Kapazität C 30, des Gleichrichters 43 und des Transformators T 3 sind parallel zueinander geschaltet. Ein konstanter Strom wird von der Konstantstromschaltung 40 dieser Parallelschaltung zugeleitet. Spannungen V 1 und V 2 bilden Eingangsspannungen für den Differenzverstärker 44. Die Ausgangsspannung Vo des Differenzverstärkers 44 ist das gewünschte Detektorsignal.

Es wird angenommen, daß die Ströme, welche durch die elektro statischen Kapazitäten C 21, C 22 und C 30 fließen, die Ströme J 1, J 2 und J 3 sind. Die Wechselspannung und die Frequenz, welche von jedem Transformator erhalten werden, sind E und f. Ferner ist R = R 1 = R 2. Die Ströme J 1, J 2 und J 3 lassen sich nach folgenden Beziehungen darstellen:

J 1 = f × C 21 × E
J 2 = f × C 22 × E
J 3 = f × C 30 × E

Wenn k als Konstante angenommen wird, läßt sich die Aus gangsspannung V 0 wie folgt ausdrücken:

V 0 = k (V 1-V 2) = kfR × E (C 21-C 22) (1)

Der von der Konstantstromschaltung 40 gelieferte konstante Strom J 0 läßt sich wie folgt ausdrücken:

J 0 = J 1 + J 2 - J 3 = fE (C 21 + C 22 - C 30) (2)

Da J 0 ein konstanter Strom ist, läßt sich f aus den Glei chungen (1) und (2) eliminieren, und man erhält für die Spannung V 0 folgendes:

V 0 = c (C 21 - C 22) / (C 21 + C 22 - C 30) (3)

wobei c = kRJ 0.

Da die Beziehungen

C 21 = C 27 + C 0 / (1 -Δ/d)
C 22 = C 28 + C 0 / (1 +Δ/d)
C 30 = 2 × C 27 = 2 × C 28

gelten, läßt sich die Ausgangsspannung V 0 wie folgt ausdrücken

V 0 = c Δ/d (4)

Die Ausgangsspannung Vo ist daher durch die elektro statischen Kapazitäten C 27 und C 28 nicht beeinflußt. Die elektrostatischen Kapazitäten C 30, C 27 und C 28 liegen physikalisch nahe beieinander, so daß sie das gleiche Tem peraturverhalten haben, selbst wenn die Umgebungstemperatur sich ändert.

Mithin gilt die Beziehung:

C 30 = 2 × C 27 = 2 × C 28,

selbst dann, wenn eine veränderliche Umgebungstemperatur herrscht. Das erhaltene Detektorsignal ist daher linear bezüglich der Auslenkung der Membran 29 und des Druckunter schieds (P 2-P 1), selbst wenn die Umgebungstemperatur sich ändert.

Ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Druckdetek tors vom elektrostatischen Kapazitätstyp mit zwei Membranen wird im folgenden erläutert. Die Fig. 10 zeigt eine schnitt bildliche Darstellung eines Hauptteils dieses Ausführungs beispiels. Der Detektorteil dieses Ausführungsbeispiels besitzt eine mittlere Elektrode 103, Membranen 107 und 108 und feststehende Elektroden 101 und 102. Die Elektroden 101 und 102 sind zu beiden Seiten und symmetrisch zur mittleren Elektrode 103 angeordnet.

Die mittlere Elektrode 103 enthält ein Elektrodensubstrat 104, Isolierplatten 105 und 106, die mit den entgegengesetzt liegenden Oberflächenseiten des Substrats 104 verbunden sind und einen leitfähigen Teil 109. Dieser leitfähige Teil 109 ist ein Bauteil, der einstückig geformt ist aus einer mitt leren leitfähigen Röhre 109 c und leitfähigen Platten 109 a und 109 b, die an entgegengesetzt liegenden Seiten der leit fähigen Röhre 109 c vorgesehen sind. Der leitfähige Teil 109 durchdringt das Elektrodensubstrat 104 und die Isolator platte 105 und 106 in deren Mitte, so daß die leitfähigen Platten 109 a und 109 b an den jeweiligen Oberflächen der Isolatorplatten 105 und 106 frei liegen. Eine elektrische Leiterplatte 103 a ist am Außenumfang des Elektrodensubstrats 104 vorgesehen. Die Membranen 107 und 108 sind an ihren Umfangskantenteilen mit den Seitenflächen der Isolatorplat ten 105 und 106 über Glasverbindungen 111 und 112 jeweils verbunden. Die Glasverbindungen 111 und 112 besitzen hohle Teile 111 h und 112 h.

Die anderen Seiten der Membranen 107 und 108 sind elektrisch mit den feststehenden Elektroden 101 und 102 verbunden. Die feststehenden Elektroden 101 und 102 haben Ausnehmungen an jeweils einer ihrer Seitenflächen, so daß Spalte S 1 und S 4, die diesen Ausnehmungen entsprechen, zwischen der Membran 107 und der feststehenden Elektrode 101 und zwischen der Membran 108 und der feststehenden Elektrode 102 gebildet werden. In die feststehenden Elektroden 101 und 102 sind Druckeinleitungsöffnungen 101 h und 102 h eingeformt. Diese Druckeinleitungsöffnungen verlaufen durch die Mitten der feststehenden Elektroden. Elektrische Leiterplatten 101 a und 102 a sind an den äußeren Umfangsflächen der feststehen den Elektroden 101 und 102 vorgesehen. Anschlußstifte A 1, A 2 und A 3 sind mit den elektrischen Leiterplatten 101 a, 102 a und 103 a kontaktiert. Elektrostatische Kapazitäten wer den über die Anschlußstifte A 1, A 2 und A 3 abgegriffen.

Ein Druck P 1 wirkt in einem Spalt S 1, der an der rechten Seite der Membran 107 vorgesehen ist. Dieser Druck wirkt durch die Druckeinleitungsöffnung 101 a. Ein Druck P 2 wirkt in einem Spalt S 2, der zwischen der Membran 107 und der mittleren Elektrode 103 gebildet wird, in einem Spalt S 3, der zwischen der mittleren Elektrode und der Membran 108 gebildet wird, und in einem Spalt S 4, der zwischen der Membran 108 und der feststehenden Elektrode 102 gebildet wird. Dieser Druck wirkt durch die Druckeinleitungsöffnung 102 a, welche in die feststehende Elektrode 102 eingeformt ist, und durch die hohlen Teile 111 h und 112 h der Glasver bindungen 111 und 112. Auf diese Weise wird erreicht, daß die Membran 108 nicht verschoben wird, selbst wenn die Membran 107 verschoben ist.

Die Fig. 11 zeigt in schematischer Darstellung die Anordnung der elektrostatischen Kapazitäten, die bei diesem Ausfüh rungsbeispiel an der Seite der feststehenden Elektrode 101 gebildet werden. Die elektrostatische Kapazität, welche zwischen der feststehenden Elektrode 101 und der mittleren Elektrode 103 gebildet wird, wird über die Anschlußstifte A 1 und A 3 abgegriffen. Diese Kapazität ist eine Parallel schaltung (1) der elektrostatischen Kapazität Co/(1-Δ/d), welche über den Spalt zwischen dem mittleren Teil der linken Oberfläche der Membran 107 und der gegenüberliegenden leit fähigen Platte 109 a gebildet wird, (2) der elektrostatischen Kapazität, welche über den Spalt zwischen der linken Ober fläche eines Zwischenteils der Membran 107 und der gegen überliegenden Isolierplatte 105, d. h. der Serienschaltung der Kapazitäten Cp und C 105′, gebildet wird, und (3) einer elektrostatischen Kapazität, die über die Glasverbindung 111 und die Isolatorplatte 105, d. h. durch die Serien schaltung der Kapazitäten C 111 und C 105 gebildet wird.

In Fig. 11 bedeutet d die Spaltbreite zwischen der Membran 107 und der leitfähigen Platte 109 a, welche der Membran gegenüberliegt, bei einem auf die Membran 107 wirkenden Druckunterschied von (P 1-P 2) von Null. Co bedeutet die elektrostatische Kapazität, wenn P 1=P 2, Cp bedeutet die elektrostatische Kapazität, welche zwischen der linken Oberfläche des Zwischenteils der Membran 107 und der Ober fläche der Isolierplatte 105 gebildet wird, C 105′ bedeutet die elektrostatische Kapazität über die Dicke der Isolier platte 105 hin, C 111 bedeutet die elektrostatische Kapazi tät über die Dicke der Glasverbindung 111 hin und C 105 be deutet die elektrostatische Kapazität über die Dicke der Isolierplatte 105, die der Glasverbindung 111 gegenüberliegt. P 2 ist der Druck, welcher auf die linke Seite der Membran 108 wirkt. Es wird angenommen, daß der Druck P 1 größer ist als der Druck P 2.

Die Fig. 12 stellt ein elektrisches Ersatzschaltbild der elektrostatischen Kapazitäten bei diesem Ausführungsbeispiel dar. Dieses besitzt die gleichen Komponenten wie die Fig. 11. In der Fig. 12 bedeutet Co die festgelegte konstante elek trostatische Kapazität zwischen der Membran 108 und der leit fähigen Platte 109 b, Cq bedeutet die elektrostatische Kapa zität, welche zwischen der linken Oberfläche eines Zwischen teils der Membran 108 und der Oberfläche der Isolierplatte 106 gebildet wird, C 106′ bedeutet die elektrostatische Kapazität, welche über die Dicke der Isolierplatte 106 ge bildet wird, C 112 bedeutet die elektrostatische Kapazität, welche über die Dicke der Glasverbindung 112 gebildet wird, und C 106 bedeutet die elektrostatische Kapazität, welche über die Dicke der Isolierplatte 106 gegenüber der Glasver bindung 112 gebildet wird.

Wenn die Werte der elektrostatischen Kapazitäten C 105, C 105′, C 106 und C 106′ bedeutend geringer ausgewählt werden als die Werte der elektrostatischen Kapazitäten C 111, C 112, Cp und Cq, lassen sich die elektrostatischen Kapazitäten C 1 und C 2, welche zwischen den Anschlußstiften A 1 und A 3 sowie zwischen den Anschlußstiften A 2 und A 3 abgegriffen werden wie folgt ausdrücken:

C 1=Co/(1-Δ/d)
C 2=Co.

Wenn beispielsweise der Innendurchmesser und die Dicke der Glasverbindungen 111 und 112 auf 6,7 mm bzw. 12 µm bemessen werden und jede der Isolierplatten 105 und 106 eine Dicke von 2 mm hat und aus Keramikmaterial mit einer spezifischen Kapazität von 5,8 gebildet ist, und ferner der Außendurchmesser jeder leitfähigen Platte 109 a und 109 b 5,8 mm beträgt, sind die elektrostatischen Kapazitäten von C 111, C 112, C 105, C 106, C 105′, C 106′, Cp, Cq und Co so, daß C 111=C 112=195,7 pF, C 105=C 106=1,18 pF, C 105′=C 106′=0,2268 pF, Cp=Cq=17,268 pF und Co =51,6 pF. Der zusammengesetzte Wert CG 1 von C 111 und C 112 wird zu CG 1=1,173 pF, der zusammengesetzte Wert CG 2 von C 105′, und Cp wird zu CG 2=0,224 pF, und der zusammen gesetzte Wert der Streukapazitäten bezüglich Co wird zu CG 1+CG 2=1,4 pF (etwa). Der zusammengesetzte Wert der Streukapazitäten wird also so klein, daß er vernachlässigt werden kann. Mithin ist es möglich, bei Verwendung von ent sprechenden Schaltungen ein Signal F zu erhalten, das gege ben ist durch F=(C 1-C 2)/C 1, welches proportional der Verschiebung Δ der Membran ist, d. h. proportional dem Druckunterschied (P 1-P 2).

Die elektrostatischen Kapazitäten, welche über das Elektro densubstrat, die Isolierplatten und die umlaufenden Randteile der Membranen gebildet werden, sowie die elektrostatischen Kapazitäten, welche über das Elektrodensubstrat, die Isolier platten und die Zwischenteile der Membranen gebildet werden, können im Vergleich zur elektrostatischen Hauptkapazität vernachlässigbar klein gehalten werden. Die elektrostatische Hauptkapazität ist mithin linear bezüglich des Druckunter schieds zwischen den mittleren Teilen der Membranen.

Die Vorteile der Erfindung sind folgende:

(1) Bei einem Druckdetektor mit einer Membran werden die Wirkungen der elektrostatischen Kapazität in den umlaufen den Verbindungsteilen zwischen Membran und feststehenden Elektroden eliminiert, so daß es möglich ist, eine verbes serte Linearität für das Detektorsignal zu erhalten.

(2) Bei einem Druckdetektor mit einzelner Membran wird im Hinblick auf die dritte Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung eines Korrekturkondensators zusätzlich zum her kömmlichen Detektorkondensator es ermöglicht, die Lineari tät des Detektorsignals auf einfache Weise zu verbessern.

(3) Bei einem Druckdetektor mit Doppelmembrananordnung wer den die Einflüsse der elektrostatischen Kapazitäten an den umlaufenden Verbindungsteilen zwischen den Membranen und den festen Elektroden eliminiert, so daß die Linearität des Detektorsignals erheblich verbessert werden kann.

(4) Bei Druckdetektoren vom elektrostatischen Kapazitäts typ werden sowohl bei den Detektoren mit einzelner Membran und den Detektoren mit Doppelmembrananordnung einfache Konstruktionen erreicht, die die Herstellung der Detektoren erleichtern. Ferner ist es möglich, die Betriebszulässigkeit der Detektoren zu verbessern.

Claims

1. Druckdetektor zum Messen des Drucks eines mit Druck beaufschlagten fließfähigen Mediums mit Hilfe elektro statischer Kapazität mit wenigstens einer Membran, die in Abhängigkeit vom Druck verschiebbar ist, und mit zu beiden Seiten der Membran angeordneten feststehenden Elektroden, die mit der Membran über die elektrostatische Kapazität gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die feststehen den Elektroden (1, 2; 11, 12; 21,22; 101, 102) so geformt und ausgebildet sind, daß die elektrostatischen Kapazitäten, welche nicht differentiell linear bezüglich des Druckes sind, im wesentlichen eliminiert sind.

2. Druckdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der feststehenden Elektroden (1, 2; 11, 12; 21, 22; 101, 102) einen ersten Teil aufweist, der nahe und gegenüber einer Oberfläche der Membran (9; 19; 29; 107, 108) angeordnet ist und einen zweiten Teil aufweist, der durch ein Isoliermaterial (7, 8; 17, 18; 27, 28; 111, 112), durch welches ein Spalt zwischen der jeweiligen feststehenden Elektrode und der Oberfläche der Membran bestimmt ist, ab gestützt ist.

3. Druckdetektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß jede der feststehenden Elektroden (1, 2; 11, 12; 21, 22; 101, 102) eine Druckeinleitungsöffnung (3 h; 13 h; 21 h, 22 h; 101 h, 102 h) aufweist zum Empfangen des unter Druck stehenden fließfähigen Mediums.

4. Druckdetektor vom elektrostatischen Kapazitätstyp zur Messung des Drucks eines unter Druck stehenden fließfähigen Mediums in Abhängigkeit von der elektrostatischen Kapazität, die zwischen einer Membran mit einem mittleren Teil, der in Abhängigkeit vom Druck verschiebbar ist, und zwei fest stehenden Elektroden, die jeweils einzeln zu beiden Seiten der Membran angeordnet sind, gebildet ist, dadurch gekenn zeichnet, daß jede Elektrode (1, 2) ausgestattet ist mit

- einem Elektrodenkörper (3, 4), der einen mittleren vor springenden Teil an jeweils einer Seite aufweist, der in Richtung auf die Oberfläche eines mittleren Teils der Membran (9) zu bis in die Nähe der Oberfläche des mittle ren Teils der Membran sich erstreckt und eine Druckein leitungsöffnung (3 h, 4 h) besitzt zur Aufnahme des unter Druck stehenden fließfähigen Mediums, und
- einer Abstützung (5, 6), die mit einem umlaufenden Randteil zum Umfassen des mittleren Vorsprungs mit einer Seite des Elektrodenkörpers (3, 4) verbunden ist, wobei die Abstützung (5, 6) ferner mit einem umlaufenden Randteil der Membran (9) an einer Endfläche verbunden ist, die entgegengesetzt liegt zu dem Verbindungsteil mit dem Elektrodenkörper, und die Abstützung (5, 6) aus Isolier material besteht.

5. Druckdetektor vom elektrostatischen Kapazitätstyp zur Messung des Drucks eines unter Druck stehenden fließfähigen Mediums mit Hilfe der elektrostatischen Kapazität, die zwi schen einer Membran mit einem mittleren Teil, welcher in Abhängigkeit von einem Druck verschiebbar ist, und zwei feststehenden Elektroden, die einzeln zu beiden Seiten der Membran angeordnet sind, gebildet ist, dadurch gekennzeich net, daß jede der beiden feststehenden Elektroden (11, 12) ausgestattet ist mit

- einem mittleren Elektrodenkörper (13, 14), dessen End fläche in der Nähe und gegenüber der Oberfläche eines mittleren Teils der Membran (19) angeordnet ist, und der eine Druckeinleitungsöffnung (13 h, 14 h) aufweist zur Auf nahme des unter Druck stehenden fließfähigen Mediums;
- einem mit der äußeren Umfangsfläche des mittleren Elek trodenkörpers (13, 14) verbundenen ringförmigen Isolator (15 A, 16 A); und
- einem ringförmigen elektrischen Leiter (15 B, 16 B), der mit der äußeren Umfangsfläche des ringförmigen Isolators (15 A, 16 A) verbunden ist, und isoliert an einer Endfläche mit einem umlaufenden Randteil der Membran (19) verbunden ist, wobei die Membran (19) elektrisch mit den ringförmi gen elektrischen Leitern (15 B, 16 B) der beiden feststehen den Elektroden (11, 12) verbunden ist.

6. Druckdetektor zur Messung des Drucks eines unter Druck stehenden fließfähigen Mediums mit Hilfe elektrostatischer Kapazität, welcher eine in Abhängigkeit vom Druck verschieb bare Membran sowie zwei feststehende Elektroden aufweist, die einzeln zu beiden Seiten der Membran angeordnet sind und mit der Membran elektrostatisch gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Korrekturkapazität (30) vorgesehen ist, welche die elektrostatischen Kapazitäten eliminiert, welche nicht differentiell linear zum Druck sind.

7. Druckdetektor zur Messung des Drucks eines unter Druck stehenden fließfähigen Mediums mit Hilfe elektrostatischer Kapazität, welcher eine in Abhängigkeit vom Druck verschieb bare Membran aufweist, und bei welchem zwei feststehende Elektroden vorgesehen sind, die einzeln zu beiden Seiten der Membran angeordnet sind und welche durch elektrostatische Kapazität mit der Membran gekoppelt sind, dadurch gekenn zeichnet, daß jede der beiden feststehenden Elektroden (21, 22) isoliert in einem umlaufenden Verbindungsrand mit der Membran (29) verbunden ist, und daß die Korrektur kapazität (30), welche zur Eliminierung elektrostatischer Kapazitäten, die nicht differentiell linear zum Druck sind, vorgesehen ist, eine Temperaturcharakteristik aufweist, welche gleich ist der Temperaturcharakteristik an den umlau fenden Verbindungsstellen im Bereich der umlaufenden Ränder der Membran (29) und der beiden feststehenden Elektroden (21 und 22).

8. Druckdetektor vom elektrostatischen Kapazitätstyp, ge kennzeichnet durch eine mittlere Elektrode (103);

- eine erste Membran und eine zweite Membran (107 und 108) , welche an Verbindungsstellen isoliert mit der mittleren Elektrode (103) an entgegengesetzten Seiten dieser Elek trode verbunden sind; und
- eine erste feststehende Elektrode und eine zweite fest stehende Elektrode (101 und 102), welche elektrisch mit der ersten und der zweiten Membran (107, 108) an bezüg lich den isolierenden Verbindungsstellen entgegengesetzten Seiten verbunden sind zur Bildung von Spalten (S 1, S 4) zwischen der ersten und zweiten feststehenden Elektrode (101, 102) und der ersten und zweiten Membran (107, 108), so daß der Druckunterschied zwischen einem auf der einen Seite der zweiten Membran und einem anderen Druck, der im Spalt zwischen der ersten feststehenden Elektrode und der ersten Membran herrscht, aufgrund einer elektrostatischen Kapazität, welche zwischen der mittleren Elektrode (103) und sowohl der ersten als auch der zweiten feststehenden Elektrode gebildet wird, meßbar ist, wobei die mittlere Elektrode (103) ein Elektrodensubstrat (104), Isolier platten (105, 106), welche mit dem Elektrodensubstrat an entgegengesetzt liegenden Seitenflächen des Elektroden substrats verbunden sind, und leitfähige Platten (109 a, 109 b) aufweist, die mit den mittleren Teilen der äußeren Seitenflächen der Isolierplatten (105, 106) verbunden sind und elektrisch mit dem Elektrodensubstrat (104) ver bunden sind.