DE69426774T2

DE69426774T2 - Kapazitiver Druckwandler mit justierbarer Durchführung

Info

Publication number: DE69426774T2
Application number: DE69426774T
Authority: DE
Inventors: Shih-Ying Lee
Original assignee: Setra Systems Inc
Current assignee: Setra Systems Inc
Priority date: 1993-08-20
Filing date: 1994-08-12
Publication date: 2001-09-27
Anticipated expiration: 2014-08-13
Also published as: JP3416140B2; CA2168226A1; EP0714505B1; CA2168226C; JPH09504100A; CN1053736C; CN1129980A; EP0714505A4; EP0714505A1; WO1995006236A1; DE69426774D1; US5442962A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Diese Erfindung betrifft einen Drucksensor und spezieller einen Drucksensor, der sich auf Änderungen der Kapazitanz stützt, um Druckschwankungen anzuzeigen. Sie betrifft auch ein Verfahren zum Bilden eines kapazitiven Drucksensors.
Kapazitive Drucksensoren sind im Stand der Technik wohlbekannt. Solche Sensoren umfassen typischerweise ein fest angeordnetes Element mit einer steifen ebenen leitfähigen Oberfläche, das eine Platte von einem im Wesentlichen parallelen Plattenkondensator bildet. Ein verformbares leitfähiges Element, wie z. B. eine Metallfolienmembran, bildet die andere Platte des Kondensators. Im Allgemeinen wird die Membran so am Rand getragen, daß ein Mittelteil im Wesentlichen parallel zu der fest angeordneten Platte ist und ihr gegenüberliegt. Da der Sensor im Allgemeinen die Form eines Parallplattenkondensators aufweist, ist die charakteristische Kapazitanz des Sensors umgekehrt proportional zum Spalt d zwischen dem Mittelteil der Membran und der leitfähigen Oberfläche des fest angeordneten Elements. Um eine Druckdifferenz über die Membran zu ermöglichen, ist der Bereich auf einer Seite der Membran gegenüber dem Bereich auf der entgegengesetzten Seite luftdicht abgeschlossen.
In der Praxis wird die Membranelastizität so gewählt, daß Druckdifferenzen über die Membran in einem besonderen in Betracht kommenden Bereich Verlagerungen des Mittelteils der Membran hervorrufen. Diese durch eine Druckdifferenz hervorgerufenen Verlagerungen führen zu entsprechenden Variationen beim Spalt d zwischen den beiden Kondensatorplatten und folglich zu durch den Sensorkondensator erzeugten Kapazitanzvariationen. Für eine verhältnismäßig hohe Empfindlichkeit erfordern solche Sensoren große Kapazitanzänderungen als Antwort auf verhältnismäßig kleine Spaltänderungen. Um eine solche Empfindlichkeit von Einheit zu Einheit zu erzielen, erfordern nominelle Spaltabmessungen im Allgemeinen, daß deren Einzelteile mit sehr engen Toleranzen hergestellt sind, um die erforderlichen Abmessungsbeziehungen herzustellen. Außerdem müssen die Konstruktion und Materialien diese Beziehungen über einen Arbeitstemperaturbereich beibehalten.
In einer Form des Sensors nach dem Stand der Technik, der durch den Sensor des Messaufnehmers Modell 237 beispielhaft veranschaulicht wird, der von Setra Systems, Inc., dem Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung, hergestellt wird, wird eine fest angeordnete Metallelektrode mittels eines elektrisch nicht leitfähigen Glasteils in Bezug zum Membranträgerelement getragen. Wegen der Unterschiede in den Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Glasteil, der Metallelektrode und dem Membranträgerelement rufen Temperaturänderungen Änderungen im Spalt zwischen der fest angeordneten Elektrode und der Membran hervor (d. h. den Platten des Kondensators), solche Sensoren ergeben über einen verhältnismäßig kleinen Temperaturbereich zuverlässige Druckablesungen. Außerdem weisen die Sensoren verhältnismäßig hohe Herstellungskosten auf.
Während der Herstellung von solchen Sensoren wird außerdem die fest angeordnete Elektrode im Allgemeinen in den Glasteil eingesetzt, während sich das Glas in seinem Schmelzzustand befindet. Wenn sich die Anordnung abkühlt, werden mechanische Spannungen aufgebaut, die typischerweise die gewünschten Anfangsspaltabmessungen ändern oder die Parallelität zwischen den kapazitiven Platten verschlechtern. Im Anschluß an das Abkühlen der Anordnung kann es erforderlich sein, die fest angeordnete Elektrode maschinell zu bearbeiten (z. B. durch Läppen oder Polieren), um den kritischen Spalt und Parallelität wieder herzustellen. Im Hinblick auf diese Verarbeitungsschritte sind solche Sensoren verhältnismäßig schwierig und demgemäß kostspielig herzustellen.
Ein anderer Typ von Sensor nach dem Stand der Technik ist im US-Patent No. 4,358,814 offenbart, das die Merkmale des Oberbegriffs von Anspruch 1 aufweist. Dieser Sensor nach dem Stand der Technik, der durch die Meßaufnehmer und Meßumformer, Modelle 264 und C264, die von Setra Systems, Inc. hergestellt werden, als Beispiel veranschaulicht wird, umfaßt ein becherförmiges oder konkaves Metallbasiselement, das an der Mitte des Bodens des Basiselements an einem Basisträger gekoppelt ist. Das Basiselement umfaßt einen Umfangsflanschteil, der sich von seinem Rand erstreckt, wo der Flansch, abgesehen von einer Umfangsvertiefung, im Allgemeinen eben ist. Eine verhältnismäßig dünne verformbare leitfähige Membran ist über dem Umfangsflansch des Basiselements angeordnet. Ein Klemmring mit einer Oberfläche, die den Flansch des Basiselements ergänzt, ist am Rand der Membran und des Flansches befestigt, so daß die Membran am Flansch unter Spannung festgeklemmt ist.
Eine Elektrodenanordnung ist im abgeschlossenen Volumen, das durch das Basiselement und die Membrananordnung gebildet wird, am Basisträger befestigt. Die Elektrodenanordnung umfaßt eine leitfähige Elektrode mit einem ebenen Teil und ein dielektrisches Trägerelement. Das Trägerelement ist mit dem Basisträger verbunden, so daß der ebene Teil der Elektrode im Wesentlichen parallel zum Flansch des Basiselements ist und um einen vorbestimmten Abstand d von ihm verlagert ist. Mit dieser Konfiguration bilden die Membran und der ebene Teil der Elektrode einen Parallelplattenkondensator. Außerdem wird die Membran als Antwort auf Druckdifferenzen verlagert, was zu entsprechenden Kapzitanzänderungen führt. Eine elektrische Verbindung mit dem Kondensator kann durch eine direkte Verbindung mit dem Basiselement für eine Platte und eine Durchgangsverbindung mit der durch den ebenen Teil der Elektrode gebildeten Platte geliefert werden.
Die US-A-4,229,776 offenbart eine Druckmeßdose zur Verwendung bei Aneroiddruckmessern, die ein Paar von Membranen umfaßt, die entlang in Umfangsrichtung verlaufender Seitenrandbereiche luftdicht aneinander befestigt sind, um einen luftdicht abgeschlossenen Innenraum dazwischen zu begrenzen. Eine der Membranen ist mit einem mittig angeordneten Ladungsrückhaltebereich ausgebildet. Eine Kondensatorplatte ist an der anderen Membran befestigt und ist im luftdicht abgeschlossenen Innenraum in einer gegenüberliegenden Beziehung zum Ladungsrückhaltebereich angeordnet. Die Einrichtung, durch die die Kondensatorplatte an ihrer entsprechenden Membran befestigt ist, ist elektrisch leitfähig und erstreckt sich durch die Membran, während sie davon elektrisch isoliert ist. Druckänderungen werden gemessen, indem die Änderungen in der Kapazitanz zwischen der Kondensatorplatte und dem Ladungsrückhaltebereich gemessen werden, wobei die letzteren Änderungen durch die Änderungen im Abstand zwischen den Membranen hervorgerufen werden, die von Druckschwankungen herrühren. Die Aneroiddruckmeßdose ist besonders in Verbindung mit einem in Radiosonden verwendeten Aneroiddruckmesser zur Verwendung geeignet.
Der letztere Typ von Sensor nach dem Stand der Technik ist wirkungsvoll beim Messen von Druck. Außerdem gibt es einige engtolerierte Teile und komplizierte Montagevorgänge, wobei der einzige kritische Maßhaltigkeitsmontagevorgang die Anfangsausrichtung der Elektrode in Bezug zum Flansch des Basiselements ist. Da dieser Schritt nur Festkörpermaterialien bei Raumtemperatur beinhaltet, werden minimale mechanische Spannungen erzeugt. Da es keine Glas-Metall-Träger gibt, gibt es außerdem keine Probleme aufgrund einer Fehlanpassung von Temperaturkoeffizienten. Folglich liefert dieser Sensor nach dem Stand der Technik einen hochempfindlichen Kapazitanzdrucksensor mit breitem Temperaturbereich.
Jedoch ist der letztere Typ von Sensor nach dem Stand der Technik in gewissen Segmenten des Marktes aufgrund seiner verhältnismäßigen Kompliziertheit und verhältnismäßig hohen Herstellungskosten nicht praktisch verwendbar gewesen. Ein Teil der hohen Herstellungskosten beruht auf der Notwendigkeit einer Steuerung der Dicke der metallisierten Elektrode dieses Sensors und der Maßtoleranz des Hauptgehäuses. Die metallisierte Elektrode, die im Allgemeinen auf einer keramischen Scheibe getragen wird, stellt auch signifikante Kosten dar. Außerdem besteht die Notwendigkeit für ein Außengehäuse, um den Sensor und die Meßschaltung aufzunehmen.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Drucksensor bereitzustellen.
Ein anderes Ziel besteht darin, einen Hochleistungsdrucksensor bereitzustellen, der verhältnismäßig kostengünstig und leicht herzustellen ist.
Demgemäß stellt die vorliegende Erfindung einen kapazitiven Drucksensor mit den Merkmalen von Anspruch 1 bereit. Sie stellt auch ein Verfahren von Anspruch 5 bereit.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung ist ein verbesserter Kapazitanzdrucksensor, der für eine hochgenaue Messung von Druck angepaßt ist, wobei eine kostengünstige leicht montierbare Konstruktion verwendet wird. Der Sensor umfaßt eine leitfähige Membran oder eine Membran mit einem elektrisch leitfähigen Teil, die zwischen zwei pneumatisch getrennten Kammern positioniert ist. Die Membran wird auf ihrem Umfang durch ein konkaves Basiselement getragen, wobei einer von den Bereichen so definiert ist, daß er sich innerhalb des Basiselements befindet und teilweise durch eine erste Seite der Membran begrenzt wird. Eine Elektrodenanordnung ist steif mit dem Basiselement verbunden und legt eine leitfähige Oberfläche fest, die der leitfähigen Membran gegenüberliegt und durch einen nominellen Spalt in gleichmäßigem Abstand davon angeordnet ist. Die leitfähige Oberfläche ist vorzugsweise eben, kann sich aber etwas davon unterscheiden, z. B. indem sie etwas konkav ist, um sich bei Verwendung voraussichtlichen maximalen Auslenkungen der Membran anzupassen.
Die Elektrodenanordnung umfaßt eine elektrisch leitfähige Oberfläche, die durch einen Spalt d gleichmäßig von der Membran beabstandet ist. Wie hierin verwendet, sind die Begriffe "gleichmäßig beabstandet" oder "in gleichmäßigen Abständen angeordnet" definiert, daß ein im Wesentlichen konstanter Abstand zwischen benachbarten Stellen von zwei Oberflächen vorliegt. Wo die Oberflächen im Wesentlichen eben sind, kann man sie auch als im Wesentlichen parallel betrachten. Wo die Oberflächen nicht eben sind, können sie im Wesentlichen komplementär sein. In gewissen Konfigurationen kann es auch für eine oder beide Oberflächen wünschenswert sein, nicht zusammenhängend zu sein. Z. B. kann die Oberfläche ein Loch oder einen Teil aufweisen, der von der anderen Oberfläche um einen Abstand beabstandet ist, der größer als der nominelle Spalt d ist.
Die elektrisch leitfähige Oberfläche wird durch ein Elektrodenträgerelement getragen, das sich im Wesentlichen senkrecht zur elektrisch leitfähigen Oberfläche erstreckt. Das Elektrodenträgerelement umfaßt einen elektrisch leitfähigen Teil, der mit der elektrisch leitfähigen Oberfläche elektrisch verbunden ist, um den Kapazitanzwert durch das Basiselement zu übertragen. Das Elektrodenträgerelement ist durch ein dielektrisches Material konzentrisch mit einer zylindrischen Einfassung angeordnet und starr daran befestigt, derart daß das Trägerelement und deshalb die elektrisch leitfähige Oberfläche vom Basiselement elektrisch isoliert sind. Beispielsweise kann das dielektrische Material Glas oder Epoxidharz sein. Nachdem das Dielektrikum erhärtet ist oder ausgehärtet ist, wird dann die Einfassung am Basiselement starr angebracht, um die Elektrode in Bezug zur Membran durch Kleben, Löten oder Schweißen richtig zu positionieren. Wo ein dielektrisches Haftmittel verwendet wird, kann ein Schaltdraht bereitgestellt werden, um die Einfassung und das Basiselement elektrisch miteinander zu verbinden.
Bei dieser Konfiguration kann eine Kapazitanzdetektorschaltung zwischen Membran und dem Elektrodenträger gekoppelt sein, um eine Messung der Kapazitanzvariation zu ermöglichen, wenn die Membran aufgrund von Variationen in der Druckdifferenz über die Membran in Bezug zur Elektrode verlagert wird.
In einer Ausführungsform ist die elektrisch leitfähige Oberfläche der Elektrode innerhalb der durch das Basiselement und die Membran begrenzten Kammer vakuumdicht abgeschlossen. Dies ermöglicht, daß die Kammer evakuiert wird, und folglich kann der Sensor zur Messung des Absolutdrucks verwendet werden.
In einer alternativen Ausführungsform kann das obere Gehäuse durch Elemente ersetzt sein, die dem Basiselement und der Elektrodenanordnung ähneln, die aber der zweiten Seite an der Membran zugewandt sind und eine zweite Kapazitanzdetektionsschaltung umfassen. Die letztere Konfiguration stellt eine symmetrische Erfassungsanordnung bereit, die in sonst herkömmlichen Drucksensoren nützlich ist.
In einer alternativen Ausführungsform kann das obere Gehäuse durch ein oberes Basiselement und Elektrodenanordnung ersetzt sein, die dem unteren Basiselement und Elektrodenanordnung ähneln, aber dem unteren Basiselement ohne die Membran zwischen ihnen zugewandt sind. In dieser Ausführungsform kann entweder eines oder beide Basiselemente im Wesentlichen biegsam sein, und beide Elektroden sind in einer einzigen durch das obere und untere Basiselemente gebildeten Kammer vakuumdicht abgeschlossen. Wenn sie luftdicht abgeschlossen ist, ist diese Konfiguration beim Messen von Absolutdruck einschließlich z. B. Barometerdruck nützlich.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Das Vorhergehende und andere Ziele dieser Erfindung, ihre verschiedenen Merkmale sowie die Erfindung selbst können vollständiger aus der folgenden Beschreibung verstanden werden, wenn sie zusammen mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird.
Fig. 1 stellt einen Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung in Perspektive dar;
Fig. 2A stellt eine Schnittansicht einer Ausführungsform des Sensors von Fig. 1 dar;
Fig. 2B stellt eine Schnittansicht einer Alternativausführungsform des Sensors von Fig. 1 dar;
Fig. 2C stellt eine Schnittansicht einer zweiten Alternativausführungsform des Sensors von Fig. 1 dar;
Fig. 2D stellt eine Schnittansicht einer dritten Alternativausführungsform des Sensors von Fig. 1 dar;
Fig. 3A stellt eine Detailansicht der Elektrodenanordnung von Fig. 2 dar;
Fig. 3B stellt eine auseinandergezogene Ansicht der Elektrodenanordnung von Fig. 2 dar;
Fig. 4A stellt eine Schnittansicht einer ersten alternativen Ausführungsform der Erfindung dar;
Fig. 4B stellt eine Schnittansicht einer zweiten alternativen Ausführungsform der Erfindung dar;
Fig. 5 stellt ein Verfahren zur Herstellung eines Sensors gemäß der vorliegenden Erfindung dar.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Die Fig. 1 und 2A-2D stellen einen kapazitiven Sensor 10 dar, der ein konkaves oder becherförmiges Basiselement 30 mit einem ringförmigen Umfangsrand 28 umfaßt, der in einer Ebene liegt (angezeigt durch eine gestrichelte Linie 15 in den Fig. 2A-2D) und sich symmetrisch um eine Bezugsachse 32 erstreckt. Eine erste Öffnung 34 wird bereitgestellt, um zu ermöglichen, daß sich ein Teil der Elektrodenanordnung 40 durch das Basiselement 30 erstreckt. In der bevorzugten Ausführungsform ist das Basiselement aus gestanztem Metallblech hergestellt, vorzugsweise Edelstahl, obwohl andere Materialien oder Legierungen und Konstruktionstechniken verwendet werden können.
Wie in Fig. 2A dargestellt, spannt sich eine verhältnismäßig dünne verformbare leitfähige Membran 20 über das Basiselement 30, so daß ihr Umfangsrand über dem Rand 28 liegt. In einer Form kann die Membran 20 aus Edelstahl mit einer Dicke im Bereich von 0,0002 bis 0,030 Inch (5 um bis 0,75 mm) hergestellt sein. Alternativ kann, wie in Fig. 2B dargestellt, die Membran 20a Überhöhungen oder Falten aufweisen, um eine größere Linearbewegung zu ermöglichen. Eine Form von solchen Membranen ist in dem US-Patent No. 4,434,203 offenbart, das hierin durch Bezug aufgenommen ist. Die Membran kann eine Metallfolie oder ein nicht leitfähiges Material mit einem leitfähigen Teil sein, der z. B. durch einen abgeschiedenen leitfähigen Film hergestellt ist. In einer alternativen Ausführungsform kann, wie in den Fig. 2C und 2D dargestellt, die Membran nicht eben sein.
Ein konkaves oder becherförmiges Gehäuse 50 ist über der Membran 20 positioniert. Das Gehäuse 50 umfaßt eine Drucköffnung 52 und einen Umfangsflansch 54, der an den Umfangsrand 28 des Basiselements gebördelt, gefalzt oder anders angebracht sein kann, auf eine Weise, die den Umfangsrand der Membran 20 festhält, wobei die Membran 20 eine im Wesentlichen ebene dünne Platte bildet, und eine luftdichte Dichtung an diesem Rand liefert.
Infolgedessen werden zwei verschiedene in Betracht kommende Kammern 60 und 64 festgelegt; die erste Kammer 60 befindet sich unter der Membran 20, wie in Fig. 2 dargestellt, und die zweite Kammer 64 befindet sich über der Membran 20, wie in Fig. 2 dargestellt. Die beiden Kammern können durch an Drucköffnungen 36 und 52 angebrachte Kopplungen gesondert mit Druck beaufschlagt werden, um eine Druckdifferenz über der Membran 20 herzustellen. Als Antwort auf diese Druckdifferenz ist der Mittelteil der Membran 20 in Richtung einer Achse 32 bewegbar.
Eine Elektrodenanordnung 40 ist in der Kammer 60 positioniert. Wie in den Fig. 3A und 3B veranschaulicht, umfaßt die Elektrodenanordnung 40 ein Elektrodenelement 42, ein Trägerelement 44, ein isolierendes Element 46 und eine zylindrische Einfassung 48. Das Elektrodenelement 42 ist vorzugsweise eine aus Edelstahl gebildete, metallgestanzte im Wesentlichen ebene Scheibe. Vorzugsweise weist das Elektrodenelement 42 eine im Wesentlichen ebene obere Oberfläche 42a auf, aber in einigen Formen der Erfindung kann diese Oberfläche gekrümmt sein (wie durch die gestrichelten Linien in den Fig. 3A und 3B dargestellt), um sich der Biegung oder vorhersehbaren Biegung der Membran 20 bei Auslenkung oder Verformung (z. B. durch eine Druckdifferenz) anzupassen, und immer noch in der Bedeutung des Begriffs 'im Wesentlichen eben' wie hierin verwendet vorliegen. In anderen Formen der Erfindung kann die Elektrodenelement-Oberseite 42a gekrümmt oder anders komplementär zur Form der Membran ausgebildet sein, wie in den Fig. 2C und 2D dargestellt. Die planare vertiefte Elektrodenelement-Oberseite 42b, die in Fig. 2D dargestellt ist, kann auch wirkungsvoll mit der in Fig. 2C dargestellten gekrümmten Membran verwendet werden.
Wie in Fig. 3B dargestellt, ist das Trägerelement 44 vorzugsweise ein zylindrischer Stift, vorzugsweise aus Edelstahl, der mit einem flachen Kopf 43 und Berührungstelle 45 versehen sein kann. Das Trägerelement 44 hält das Elektrodenelement 42 nicht nur in der Kammer 60 fest, sondern leitet auch das Kapazitanzsignal hindurch zur Außenseite des Basiselements 30. Ein Ende des Trägerelements 44 ist z. B. durch Schweißen, Löten oder Hartlöten fest an dem Elektrodenelement 42 angebracht. In der bevorzugten Ausführungsform ist der Kopf 43 des Trägerelements 44 mit einer Berührungsstelle 45 versehen, um ein Schmelzschweißen des Trägerelements 44 an das Elektrodenelement 42 zu erleichtern.
Zu Beginn wird das Trägerelement 44 an das Elektrodenelement 42 angebracht, das andere Ende wird in einer konzentrischen Konfiguration durch das isolierende Element 46 starr mit der zylindrischen Einfassung 48 befestigt. In der bevorzugten Form der Erfindung ist das isolierende Element 46 aus einem Temperaturkoeffizient-angepassten (an das Basiselement 30) dielektrischen Bindemittel gebildet (wodurch die Elektrode 42 von der Membran 20 isoliert ist), wie z. B. einem Epoxidharz, Glas oder Kunststoffmaterial, das an Ort und Stelle thermisch oder durch katalytische Reaktion erhärtet oder ausgehärtet wird, und wird von einem Fluidzustand in einen Festkörperzustand überführt. Nachdem das isolierende Element 46 vollständig ausgehärtet ist, wird das Elektrodenelement 42 starr an das Element 44 z. B. durch Schmelzschweißen angebracht. Dieses Verfahren ermöglicht eine optimale räumliche Ausrichtung des Elements 44 in Bezug zum Element 42. Dann wird die zylindrische Einfassung 48 durch Kleben, Schweißen, Löten oder Hartlöten am Basiselement 30 gesichert.
Wie in den Fig. 2A-2D dargestellt, kann die zylindrische Einfassung 48 auf viele verschiedene Weisen an das Basiselement 30 befestigt sein. Die erste Öffnung 34 ist etwas größer als der Durchmesser der zylindrischen Einfassung 48, und die Verbindungsstelle 38 ist im Spalt zwischen dem Basiselement 30 und der Einfassung 48 gebildet. Wie in Fig. 2A dargestellt, ist die Verbindungsstelle 38 durch Löten oder Hartlöten gebildet, und folglich sind das Basiselement 30 und die zylindrische Einfassung 48 elektrisch miteinander verbunden. Wenn die Verbindungsstelle 38a (wie in Fig. 2B dargestellt) durch ein dielektrisches Material gebildet ist, wie z. B. ein Haftmittel, kann ein Schaltdraht 39 hinzugefügt werden, um die elektrische Verbindung zu liefern. Die Fig. 2C und 2D stellen eine Schweißverbindungsstelle 38b dar, die z. B. durch TIG-Schweißen gebildet sein kann. Diese Art von Verbindungsstelle wird in Konfigurationen bevorzugt, die eine vakuumdichte Abdichtung erfordern.
In der bevorzugten Ausführungsform werden die Elektrodenanordnung 40 und das Basiselement 30 zuerst in eine Festhaltevorrichtung gesetzt, um den gewünschten Spalt d herzustellen, und dann wird die Einfassung 48 am Basiselement 30 gesichert. Die Kombination des isolierenden Elements 46 und der Einfassung 48 liefert die Doppelfunktion eines genauen Positionierens der Elektrode 42 in Bezug zum Rand des Basiselements, und sie liefert auch die erforderliche elektrische Isolierung. Beispielsweise kann das isolierende Element 46 aus Glas mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten hergestellt sein, der im Hinblick auf den entsprechende Koeffizienten der Elemente 44 und 48 ausgewählt ist, um z. B. eine Kompressionsdichtung oder, wenn gewünscht, eine spannungsfreie Dichtung herzustellen.
Unter Bedingungen variabler Temperatur kann das das isolierende Element 46 bildende Isolationsmaterial eine minimale Relativbewegung zwischen der Elektrode und dem Hauptgehäuse bewirken. Es ist wohlbekannt, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient für metallisches Material häufig wesentlich von demjenigen eines dielektrischen Materials verschieden ist. Die wie vorstehend beschriebene Konfiguration minimiert die Lageverschiebung des Elektrodenträgers 44 in Bezug zum Basiselement 30. Unter Bedingungen variierender Temperatur kann sich die Spannung in der Verbindungsstelle ändern, aber es gibt im Wesentlichen keine Nettorelativbewegung zwischen dem Elektrodenträger 44 und dem Basiselement 30.
Die Dielektrizitätskonstante des Isolationsmaterials des isolierenden Elements 46 ist vorzugsweise verhältnismäßig unempfindlich gegen Temperatur und Feuchtigkeit. In einer Form der Erfindung inkorporiert das Isolationsmaterial Pulverpartikeln von gewissen stabilen dielektrischen Materialien, wie z. B. Aluminiumoxidpulver. Dieser Pulverzusatzwerkstoff steuert die thermischen Eigenschaften des Verbindungsmaterials. Er reduziert auch die Feuchtigkeitsabsorption des Bindemittels.
Das isolierende Element 46 bildet kraft der zwischen dem Trägerelement 44 und der röhrenförmigen inneren Kontur der Einfassung 48 festgelegten Verbindungsstelle eine starke und stabile Bindung zwischen dem Trägerelement 44 und der zylindrischen Einfassung 48. Infolgedessen bilden die Elektrode 42 und das Basiselement 30 eine sehr stabile und steife Konstruktion, die Wirkungen von Stoß und Vibration in allen Richtungen standhält.
Mit der vorstehend beschriebenen Konfiguration ist ein kapazitiver Drucksensor geschaffen, bei dem die Membran 20 und das Elektrodendlement 42 wirkungsvoll einen "Parallel "plattenkondensator mit einer charakteristischen Kapazitanz festlegen, die umgekehrt mit d variiert (welcher Wert mit der Druckdifferenz über die Membran 20 verknüpft ist).
Zusätzlich zu der geringen Stückzahl und einfachen Konstruktion der vorstehend beschriebenen Ausführungsform der Erfindung wird ein weiterer Vorteil geliefert, weil einfache und kostengünstige Techniken verwendet werden können, um den Sensor 10 zu montieren. Spezieller kann, nachdem man die Elemente 30 und 40 gesondert gebildet hat, wie in Fig. 5 dargestellt, die Elektrodenanordnung 40 mit der Oberfläche 42a nach unten gekehrt auf Distanzunterlagen mit der Dicke d&sub0; gesetzt werden, die auf einer ebenen Arbeitsfläche 68 getragen werden (wobei d&sub0; dem gewünschten Nullauslenkungsabstand der Membran 20 von der Oberfläche 42a entspricht). Dann kann das Basiselement 30 umgekehrt werden und über die Elektrodenanordnung 40 gesetzt werden, wobei sich das Ende des Elektrodenträgers 44 durch die erste Öffnung 34 im Basiselement 30 erstreckt. Die Einfassung 48 wird dann mit dem Basiselement 30 verbunden, und die kombinierte Elektroden- und Basiselement-Konfiguration kann umgekehrt werden, und die Membran 20 kann zusammen mit dem Gehäuseelement 50 ortsfest angebracht werden, um die Anordnung zu vervollständigen, ohne daß ein spezielles Bearbeiten oder Endbearbeiten erforderlich ist, um den Spalt oder die Parallelität der Elektrode wiederherzustellen.
Fig. 4A stellt einen Sensor 10' dar, der dem Sensor 10 der Fig. 2A-2D ähnelt, aber bei dem das Gehäuse 50 durch eine Anordnung ersetzt worden ist, die dem Basiselement 30 und der Elektrodenanordnung 40 ähnelt. In Fig. 4A werden Elemente, die Elementen in Fig. 2 entsprechen, mit denselben und mit Strich versehenen (') Bezugszeichen bezeichnet. Der Sensor 10' von Fig. 4A arbeitet auf eine ähnliche Weise wie das System 10 aber in einer "symmetrischen" Konfiguration; spezieller, der Abstand zwischen den fest angeordneten ebenen Elektrodenoberflächen 42a und 42a' ist fest (D), so daß d + d' = D. Solche symmetrischen Sensoren sind z. B. in bekannten Schaltungskonfigurationen nach dem Stand der Technik nützlich, wie anhand von Beispielen durch diejenigen erläutert wird, die in den auf den Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung übertragenen US-Patenten No. 4,386,312 und 4,054,833 erläutert sind.
Fig. 4B stellt einen Sensor 10" dar, der dem Sensor 10' von Fig. 4A ähnelt, außer daß es keine Membran zwischen dem oberen Basiselement 30' und dem unteren Basiselement 30 gibt. Das obere 30" und untere 30 Basiselement sind miteinander verbunden, so daß sie eine luftdicht abgeschlossene Kammer 60 bilden. In dieser Ausführungsform sind jedes oder beide von diesen Basiselementen im Wesentlichen verformbar, so daß Änderungen im Spalt zwischen der oberen Elektrode 40' und der unteren Elektrode 40 ermöglicht werden, um den Differenzen zwischen dem Druck innerhalb der Dichtungskammer 60 und dem Äußeren der Kammer zu entsprechen. In einer Ausführungsform kann die Kammer 60 durch die Drucköffnung 36 evakuiert werden, die dann luftdicht abgeschlossen wird. Diese Konfiguration ist zum Messen von Absolutdruck nützlich, einschließlich z. B. Barometerdruck.
Zusätzlich zur Konstruktion der Sensoren 10, 10' und 10", wie vorstehend beschrieben, kann mit jedem Sensor eine elektronische Schaltung als Einheit eingeschlossen sein. Die Schaltung kann auf einer Leiterplatte positioniert sein, die durch das Basiselement 30 oder durch ein Außengehäuse getragen wird. Die Schaltung kann durch das Trägerelement 44 über einen sich von der Leiterplatte erstreckenden Federkontakt mit der Elektrode 42 verbunden sein.

Claims

1. Kapazitiver Drucksensor aufweisend:

A) ein auf einer Mittelachse (32) angeordnetes Gehäuse aufweisend

i. ein erstes konkaves Basisteil (30), das symmetrisch zu der Mittelachse (32) angeordnet ist und einen äußeren Rand (28) aufweist, der in einer ersten Ebene angeordnet ist, wobei die erste Ebene im wesentlichen senkrecht zu der Mittelachse (32) angeordnet ist und das erste konkave Basisteil (30) eine erste Öffnung (34) aufweist, die auf der Mittelachse (34) liegt; und

ii. ein zweites konkaves Basisteil (50) gegenüber dem ersten konkaven Basisteil (30), das symmetrisch zu der Mittelachse (32) angeordnet ist und einen äußeren Rand (54) aufweist, der in der ersten Ebene angeordnet ist, wobei der äußere Rand (54) des zweiten konkaven Basisteiles (50) fest mit dem äußeren Rand (28) des ersten konkaven Basisteiles (30) verbunden ist;

B) eine Membran (20) mit einem äußeren Teil, der fest mit zumindest dem äußeren Rand (28) des ersten Basisteiles (30) oder dem äußeren Rand (54) des zweiten Basisteiles (50) verbunden ist; und

C) eine erste Elektrode (42) mit einer ersten elektrisch leitfähigen Oberfläche (42a); wobei die Vorrichtung gekennzeichnet ist durch

D) einen ersten Elektrodenaufbau (40) und damit verbundenen Verbindungsmitteln umfassend

i. einen ersten Elektrodenträger (44), der fest mit der ersten Elektrode (42) verbunden ist und sich entlang einer ersten Elektrodenachse erstreckt, wobei sich die erste Elektrodenachse im wesentlichen quer zu der ersten elektrisch leitfähigen Oberfläche (42a) erstreckt und der erste Elektrodenträger (44) eine äußere Oberfläche aufweist;

ii. eine erste rohrförmige Einfassung (48), die im wesentlichen konzentrisch mit dem ersten Elektrodenträger (44) angeordnet ist und eine äußere und eine innere Oberfläche aufweist;

iii. ein dielektrisches Material (46), das die äußere Oberfläche des ersten Elektrodenträgers (44) steif mit der inneren Oberfläche der ersten rohrförmigen Einfassung (48) verbindet;

iv. ein Verbindungsmittel (38), das die äußere Oberfläche der ersten rohrförmigen Einfassung (48) steif mit dem ersten konkaven Basisteil (30) an der ersten Öffnung (34) verbindet, wobei sich die erste rohrförmige Einfassung (48) durch die erste Öffnung (34) erstreckt und die erste elektrisch leitfähige Oberfläche (42a) gegenüber der ersten Ebene und mit einem gleichmäßigen vorgegebenen Abstand davon angeordnet ist;

wobei der erste Elektrodenträger (44) ausschließlich durch das dielektrische Material (46), die erste rohrförmige Einfassung (48) und das Verbindungsmittel (38) steif mit dem ersten konkaven Basisteil (30) an der ersten Öffnung (34) verbunden ist.

2. Kapazitiver Drucksensor nach Anspruch 1, bei dem entweder:

a) die erste elektrisch leitfähige Oberfläche (42a) gleichmäßig mittels eines nominellen Spaltes d von der Membran (20) beabstandet ist; oder

b) das Verbindungsmittel (38) einen formbaren Zusatzwerkstoff umfaßt, der zwischen der ersten rohrförmigen Einfassung (48) und dem ersten konkaven Basisteil (30) angeordnet ist, um die erste rohrförmige Einfassung (48) steif mit dem ersten konkaven Basisteil (30) zu verbinden; oder

c) das dielektrische Material ein Glasmaterial beinhaltet; oder

d) die erste elektrisch leitfähige Oberfläche (42a) im wesentlichen eben ausgebildet ist; wobei in diesem Fall optional die erste elektrisch leitfähige Oberfläche (42a) einen mittleren vertieften Abschnitt aufweist, der über einen Abstand von der ersten Ebene beabstandet ist, der größer als der vorgegebene Abstand ist; oder

e) die erste elektrisch leitfähige Oberfläche (42a) im wesentlichen konkav ausgebildet ist; oder

f) der erste Elektrodenträger (44) mit der ersten Elektrode (42) schmelzverschweißt ist.

3. Kapazitiver Drucksensor nach Anspruch 1, bei dem das zweite konkave Basisteil (30') eine Öffnung (34') aufweist, die sich über die Mittelachse (44') erstreckt, aufweisend:

E) einen zweiten Elektrodenaufbau (40') und damit verbundene zweite Verbindungsmittel umfassend

i. eine zweite Elektrode (42') mit einer zweiten elektrisch leitfähigen Oberfläche (42a')

ii. einen zweiten Elektrodenträger (44'), der fest mit der zweiten Elektrode (42') verbunden ist und sich entlang einer zweiten Elektrodenachse erstreckt, wobei sich die zweite Elektrodenachse in wesentlichen quer zu der zweiten elektrisch leitfähigen Oberfläche (42a') erstreckt und der zweite Elektrodenträger (44') eine äußere Oberfläche aufweist;

iii. eine zweite rohrförmige Einfassung (48'), die im wesentlichen konzentrisch mit dem zweiten Elektrodenträger (44') angeordnet ist und eine äußere und eine innere Oberfläche aufweist;

iv. ein zweites dielektrisches Material (46'), das die äußere Oberfläche des zweiten Elektrodenträgers (44') steif mit der inneren Oberfläche der zweiten rohrförmigen Einfassung (48 ') verbindet;

v. ein zweites Verbindungsmittel (38'), das die äußere Oberfläche der zweiten rohrförmigen Einfassung (48') mit dem zweiten konkaven Basisteil (30') an der Öffnung (34') des zweiten konkaven Basisteiles (30') steif verbindet, wobei sich die zweite rohrförmige Einfassung (48') durch die Öffnung (34') des zweiten konkaven Basisteiles (30') erstreckt und die zweite elektrisch leitfähige Oberfläche (42a') gegenüber der ersten Ebene und in einem gleichmäßigen vorgegebenen zweiten Abstand davon angeordnet ist;

wobei der zweite Elektrodenträger (44') ausschließlich durch das dielektrische Material (46'), die zweite rohrförmige Einfassung (48') und das Verbindungsmittel (38') steif mit dem zweiten konkaven Basisteil (30') an der Öffnung (34') des zweiten konkaven Basisteiles (30') verbunden ist.

4. Kapazitiver Drucksensor nach Anspruch 3, bei dem entweder:

a) die erste elektrisch leitfähige Oberfläche (42a) gleichmäßig mittels eines nominellen Spaltes D von der zweiten elektrisch leitfähigen Oberfläche (42a -) beabstandet ist; oder

b) ferner aufweisend eine Membran (20) mit einem äußeren Teil, der fest mit zumindest dem äußeren Rand des ersten Basisteiles (30) oder dem äußeren Rand des zweiten Basisteiles (30') verbunden ist; wobei in diesem Fall optional entweder

i. die erste elektrisch leitfähige Oberfläche (42a) gleichmäßig mittels eines nominellen Spaltes d von der Membran (20) beabstandet ist; oder

ii. die zweite elektrisch leitfähige Oberfläche (42a') gleichmäßig mittels eines nominellen Spaltes d' von der Membran (20) beabstandet ist: oder

c) das erste Verbindungsmittel (38) einen formbaren Zusatzwerkstoff umfaßt, der zwischen der ersten rohrförmigen Einfassung (48) und dem ersten konkaven Basisteil (30) angeordnet ist, um die erste rohrförmige Einfassung (48) steif mit dem ersten konkaven Basisteil (30) zu verbinden; oder

d) das zweite Verbindungsmittel (38 ') einen formbaren Zusatzwerkstoff umfaßt, der zwischen der zweiten rohrförmigen Einfassung (48') und dem zweiten konkaven Basisteil (30') angeordnet ist, um die zweite rohrförmige Einfassung (48') steif mit dem zweiten konkaven Basisteil (30') zu verbinden; oder

e) das erste dielektrische Material ein Glasmaterial (46) beinhaltet; oder

f) das zweite dielektrische Material ein Glasmaterial (46') beinhaltet; oder

g) die erste elektrisch leitfähige Oberfläche (42a) im wesentlichen eben ausgebildet ist; wobei in diesem Fall optional die erste elektrisch leitfähige Oberfläche (42a) einen mittleren vertieften Abschnitt aufweist, der über einen Abstand von der ersten Ebene beabstandet ist, der größer als der nominelle Spalt d' ist; oder

h) die zweite elektrisch leitfähige Oberfläche (42a') im wesentlichen eben ausgebildet ist; wobei in diesem Fall optional die zweite elektrisch leitfähige Oberfläche (42a) einen mittleren vertieften Abschnitt aufweist, der über einen Abstand von der ersten Ebene beabstandet ist, der größer als der nominelle Spalt d - ist; oder

i) die erste elektrisch leitfähige Oberfläche (42a) im wesentlichen konkav ausgebildet ist; oder

j) die zweite elektrisch leitfähige Oberfläche (42a') im wesentlichen konkav ausgebildet ist; oder

k) der erste Elektrodenträger (44) mit der ersten Elektrode (42) schmelzverschweißt ist; oder

l) der zweite Elektrodenträger (44') mit der zweiten Elektrode (42) schmelzverschweißt ist; oder

m) das erste Basisteil (30) und das zweite Basisteil (30) eine luftdicht verschlossene Kammer mit einem vorgegebenen Druck ausbilden.

5. Verfahren zur Herstellung eines Drucksensors nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem der erste Elektrodenaufbau (40) durch die nachstehenden aufeinanderfolgenden Schritte steif mit dem ersten konkaven Basisteil (30) verbunden wird:

1) Positionieren der ersten rohrförmigen Einfassung (48) in der ersten Öffnung (34), wobei die erste elektrisch leitfähige Oberfläche (42a) mit einem gleichmäßigen vorgegebenen Abstand zu der ersten Ebene angeordnet wird; und

2) steifes Verbinden der ersten rohrförmigen Einfassung (48) mit dem ersten konkaven Basisteil (30), wobei die erste elektrisch leitfähige Oberfläche (42a) gegenüber der ersten Ebene angeordnet und der gleichmäßige vorgegebene Abstand dazu erhalten bleibt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem der Schritt 2 folgende Unterschritte umfaßt:

2a) Einbringen eines formbaren Zusatzwerkstoffes zwischen die erste rohrförmige Einfassung (48) und den ersten konkaven Basisteil (30),

2b) Aushärten des Zusatzwerkstoffes, wobei der Zusatzwerkstoff die erste rohrförmige Einfassung (48) mit dem ersten konkaven Basisteil steif verbindet.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei der erste Elektrodenaufbau mit den folgenden Schritten hergestellt wird:

A) festes Verbinden des ersten Elektrodenträgers (44) mit der ersten Elektrode (42), wobei sich die erste Elektrodenachse im wesentlichen quer zu der ersten elektrisch leitfähigen Oberfläche (42a) erstreckt;

B) Positionieren der ersten rohrförmigen Einfassung (48) im wesentlichen konzentrisch mit dem ersten Elektrodenträger (44), wobei eine innere Oberfläche der ersten rohrförmigen Einfassung (48) gegenüber und im wesentlichen mit einem gleichmäßigen Abstand von einer äußeren Oberfläche des ersten Elektrodenträgers (44) angeordnet wird;

C) steifes Verbinden der inneren Oberfläche der ersten rohrförmigen Einfassung (48) und der äußeren Oberfläche des ersten Elektrodenträgers (44) zu einem im wesentlichen steifen dielektrischen Material (46).

8. Verfahren zur Herstellung eines kapazitiven Drucksensors nach einem der Ansprüche 5 bis 7, um einen Drucksensor nach einem der Ansprüche 3 oder 4 herzustellen, bei dem der zweite Elektrodenaufbau (40') durch die nachstehenden aufeinanderfolgenden Schritte steif mit dem zweiten konkaven Basisteil (30) verbunden wird:

3) Positionieren der zweiten rohrförmigen Einfassung (48') in der Öffnung (34') des zweiten konkaven Basisteiles (30'), wobei die zweite elektrisch leitfähige Oberfläche (42a') mit einem gleichmäßigen vorgegebenen zweiten Abstand zu der ersten Ebene angeordnet wird;

4) steifes Verbinden der zweiten rohrförmigen Einfassung (48') mit dem zweiten konkaven Basisteil (30'), wobei die zweite elektrisch leitfähige Oberfläche (42a) gegenüber der ersten Ebene angeordnet und der gleichmäßige vorgegebene zweite Abstand dazu erhalten bleibt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Schritt 4 folgende Unterschritte umfaßt:

4a) Einbringen eines formbaren Zusatzwerkstoffes zwischen die zweite rohrförmige Einfassung (48') und das zweite konkave Basisteil (30'),

4b) Aushärten des Zusatzwerkstoffes, wobei der Zusatzwerkstoff die zweite rohrförmige Einfassung (48') mit dem zweiten konkaven Basisteil (30') steif verbindet.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, bei dem der zweite Elektrodenaufbau (40') durch die folgenden Schritte hergestellt wird:

A) festes Verbinden des zweiten Elektrodenträgers (44') mit der zweiten Elektrode (42'), wobei sich die zweite Elektrodenachse im wesentlichen quer zu der zweiten elektrisch leitfähigen Oberfläche (42a') erstreckt;

B) Positionieren der zweiten rohrförmigen Einfassung (48') im wesentlichen konzentrisch mit dem zweiten Elektrodenträger (44'), wobei eine innere Oberfläche der zweiten rohrförmigen Einfassung (48') gegenüber und im wesentlichen mit einem gleichmäßigen Abstand von einer äußeren Oberfläche des zweiten Elektrodenträgers (44') angeordnet wird;

C) steifes Verbinden der inneren Oberfläche der zweiten rohrförmigen Einfassung (48') und der äußeren Oberfläche des zweiten Elektrodenträgers (44') zu einem im wesentlichen steifen dielektrischen Material.