DE10100321B4

DE10100321B4 - Kapazitive Druckmessung mit beweglichem Dielektrikum

Info

Publication number: DE10100321B4
Application number: DE10100321.8A
Authority: DE
Inventors: Roger L. Frick; Charles R. Willcox
Original assignee: Rosemount Inc
Current assignee: Rosemount Inc
Priority date: 2000-01-06
Filing date: 2001-01-05
Publication date: 2017-02-02
Anticipated expiration: 2021-01-06
Also published as: US6505516B1; JP4851011B2; JP2001242027A; GB2362716B; DE10100321A1; GB0100038D0; GB2362716A

Abstract

Drucksensor, der aufweist: eine erste Schicht (102) mit einer Auflagefläche (140); eine zweite Schicht (104) mit einer Membran (114) mit einer druckaufnehmenden Außenfläche (116) und einer Innenfläche (118); einen Rahmen (106), der mit der ersten Schicht (102) und der zweiten Schicht (104) verbunden ist und innerhalb dessen ein Hohlraum (108) definiert ist; einen dielektrischen Abschnitt (120, 252, 258, 290, 300), der an der Membran (114) angeordnet ist; Kondensatorplatten (122, 124; 254, 256; 262, 264; 266, 268; 284, 286; 292, 294; 302, 304), die an der ersten Schicht (102) angeordnet sind, wobei die Kondensatorplatten eine Kapazität aufweisen, die sich mit der relativen Bewegung zwischen dem dielektrischen Abschnitt (120, 252, 258, 290, 300) und den Kondensatorplatten ändert; und eine Mesainsel (136), die zwischen der Innenfläche (118) und der Auflagefläche (140) angeordnet ist.

Description

Kapazitive Drucksensoren werden bei anspruchsvollen Anwendungen eingesetzt, wie z. B. industriellen Meßwandlern bzw. Transmittern und Raumsonden. Sensorkörper werden aus gestapelten Schichten aus dielektrischem Material mit geringer Hysterese geformt, wie z. B. Saphir, Silizium oder Keramik. Mindestens eine Schicht in dem Stapel weist einen dunner ausgeführten Membranbereich auf, der durch den Druck durchgebogen wird. Auf den Membranbereich werden eine Metallkondensatorplatte und eine gegenüberliegende Trägerplatte aufgebracht, um einen Kondensator zu bilden. Die Metallkondensatorplatte auf der Membran kann Probleme verursachen, da das Metall bei der Durchbiegung der Membran kriecht, was zu Hysteresefehlern beim gemessenen Druck fuhrt. Das Aufbringen der Kondensatorplatte auf die Membran und das Anbringen einer Zuleitung an der Kondensatorplatte sind Fertigungsverfahren, deren Ausfuhrung und Steuerung in der Massenproduktion kostenaufwendig sein kann.
Das Problem mit Hysteresefehlern wegen der Gegenwart von Metall auf dem sich durchbiegenden, hysteresearmen Membranmaterial erlangt eine zunehmende Bedeutung, wenn andere Fehlerquellen von Drucksensoren durch Verwendung von verbesserten Membranmaterialien, verbessertes Bonden, wie z. B. Direktbonden, und verbesserte Spannungsisolierung bei der Montage von Sensoren und elektrischen Zuleitungen korrigiert werden. Es wird eine Technologie benotigt, welche die Probleme beim Aufbringen von Metall auf Membranen und das Kriechen oder die Hysterese in Metallen auf sich durchbiegenden Membranen in Drucksensoren bei anspruchsvollen Anwendungen vermeidet.
Diese Aufgabe soll mit der Erfindung gelöst werden und wird mit den Merkmalen der Ansprüche gelöst. Die vorliegende Erfindung ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 definiert, die abhängigen Ansprüche definieren Ausführungsformen der Erfindung.
Ein Drucksensor weist eine Membran bzw. ein Diaphragma mit einem dielektrischen Abschnitt auf, der sich in einem Hohlraum in der Nähe von Kondensatorplatten bewegt, die in Bezug auf einen Montagerahmen fixiert werden können.
Die Membran liegt auf dem Rahmen auf, und der Rahmen umgibt den Hohlraum. Die Membran weist eine Außenfläche, die Druck aufnimmt, und eine dem Hohlraum zugewandte Innenflache auf. Die Innenflache trägt einen dielektrischen Abschnitt, der durch den Druck gegenuber dem Rahmen beweglich ist.
Die Kondensatorplatten befinden sich nicht auf der sich durchbiegenden Membran, sondern sind beide fixiert. Die Kondensatorplatten erfassen eine Bewegung des nahegelegenen dielektrischen Abschnitts der sich durchbiegenden Membran und erzeugen ein elektrisches Ausgangssignal, das den Druck darstellt.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Umgebung für einen Druckmeßwandler bzw.
Transmitter;
2 eine Ausfuhrungsform eines Druckmeßwandlers bzw.
Transmitters;
3–7 verschiedene Ansichten einer Ausfuhrungsform eines kapazitiven Drucksensors mit beweglichem Dielektrikum;
8 ein Verfahren zur Herstellung eines kapazitiven Drucksensors mit beweglichem Dielektrikum;
9 einen Teilschnitt eines Druckmeßwandlers mit kapazitiven Sensoren mit beweglichem Dielektrikum;
10 einen kapazitiven Drucksensor mit beweglichem Dielektrikum, der in einer Isolatoreinheit angeordnet ist;
11–13 Anordnungen von Kondensatorplatten und beweglichen Dielektrika in einem kapazitiven Drucksensor;
14 einen kapazitiven Drucksensor mit beweglichem Dielektrikum und einer Abschirmungsanordnung;
15–16 eine ineinandergreifende Elektrodenanordnung bzw. Fingerelektrodenanordnung fur einen kapazitiven Drucksensor mit beweglichem Dielektrikum;
17–18 eine Abschirmungsanordnung für ineinandergreifende Elektroden; und
20 eine Umgebung fur eine Raumsonde.
In 1 ist eine typische Umgebung 20 für einen industriellen Drucksensor dargestellt. Prozeßgroßenmeßwandler, wie z. B. ein Stromungsmesser 22 in einer Prozeßfluidleitung 23, Druckgeber 24, 26, 36 in der Nahe des Behalters 28 und ein integrierter Blendenströmungsmesser 30 in der Prozeßleitung 31 sind in elektrischer Verbindung mit einem Steuerungssystem 32 dargestellt. Das Steuerungssystem 32 steuert den Strom zum Druckmeßwandler 38, der das Steuerventil 40 steuert.
Prozeßgroßenmeßwandler bzw. Transmitter können so konfiguriert werden, daß sie eine oder mehrere Prozeßgroßen uberwachen, die mit Prozeßanlagenfluiden verbunden sind, wie z. B. Aufschlammungen, Flussigkeiten, Dampfen und Gasen in Verarbeitungsanlagen für Chemikalien, Zellstoff, Erdöl, Gas, Pharmazeutika, Nahrungsmittel und andere Fluide. Die überwachten Prozeßgrößen können Druck, Temperatur, Durchflußmenge, Füllstand, pH-Wert, Leitfahigkeit, Trübung, Dichte, Konzentration, chemische Zusammensetzung oder andere Eigenschaften von Fluiden sein. Ein Prozeßgrößenmeßwandler weist einen oder mehrere Sensoren auf, die entweder innerhalb oder außerhalb des Meßwandlers angeordnet sein können, in Abhangigkeit von Installationserfordernissen der Verarbeitungsanlage.
Prozeßgrößenmeßwandler erzeugen ein oder mehrere Meßwandlerausgangssignale, welche die gemessene Prozeßgroße darstellen. Meßwandlerausgangssignale sind fur eine Ubertragung uber weite Entfernungen uber Kommunikationsbusse 34 zu einer Steuereinrichtung 32 oder einer Anzeige konfiguriert. In typischen Fluidverarbeitungsanlagen kann ein Kommunikationsbus 34 eine auf 4–20 mA ausgelegte Stromschleife, die den Meßwandler speist, oder eine Feldbusverbindung, eine HART-Protokoll-Verbindung oder eine Lichtwellenleiterverbindung zu einer Steuereinrichtung, einem Steuerungssystem oder einer Sichtanzeige sein. Bei Meßwandlern, die durch eine Zweidrahtschleife gespeist werden, wird die Leistung niedrig gehalten, um für Eigensicherheit in explosiven Atmospharen zu sorgen.
2 zeigt eine auseinandergezogene Darstellung eines Beispiels eines Druckmeßwandlers 50. Der Meßwandler 50 weist eine Flansch 52 zur Aufnahme eines Differenzdrucks sowie einen Sensormodul 54 mit zwei Absolutdrucksensoren (nicht dargestellt) auf. Der Sensormodul 54 ist mit einem Gehause 55 gekoppelt, das elektronische Meßwandlerschaltungen 56 aufweist. Der Meßwandler 50 ist an einen Flanschadapter 58 angeschraubt. Der Flanschadapter 58 ist mit Impulsleitungen verbunden, die mit Flanschadapterstutzen 60 oder anderen Verbindungsstücken verbunden sind. Jeder Absolutdrucksensor in dem Sensormodul 54 kann einen beweglichen dielektrischen Abschnitt aufweisen, wie weiter unten erläutert.
In den 3, 4 und 5 sind eine perspektivische Ansicht und eine Schnittansicht eines Drucksensors 100 dargestellt. Der Drucksensor 100 weist einen Körper auf, der aus zwei Schichten 102, 104 aus Material mit geringer mechanischer Hysterese besteht. Die Schichten 102, 104 bestehen vorzugsweise aus Saphir, aber für weniger anspruchsvolle Anwendungen können auch Silizium, Keramik oder Glas verwendet werden. Die Schicht 102 ist an einem äußeren Rand oder Rahmen 106, der einen Hohlraum 108 umgibt, mit der Schicht 104 verbunden. Der Rahmen 106 weist einen ersten Rahmenabschnitt 110 auf der Schicht 102 und einen zweiten Rahmenabschnitt 112 auf der Schicht 104 auf. Alternativ kann der Rahmen 106 aus nur einer der Schichten geformt werden, oder der Sensor 100 kann aus drei Schichten bestehen, wobei die mittlere Schicht den Rahmen bildet.
Die Schicht 104 weist einen verdünnten Bereich oder eine Membran 114 auf, die an ihrer Umfangskante auf dem Rahmen 106 aufliegt. Die Membran 114 weist eine Außenfläche 116, die den Druck aufnimmt, und eine dem Hohlraum 108 zugewandte Innenfläche 118 auf.
Die Innenfläche 118 trägt einen dielektrischen Abschnitt 120. Der dielektrische Abschnitt 120 bewegt sich zusammen mit der Membran 114 gegenüber dem Rahmen 106, wenn der Druck die Membran 114 auslenkt bzw. durchbiegt.
Die Kondensatorplatten 122, 124 sind auf einer Oberfläche der Schicht 102 im Hohlraum 108 in der Nähe des beweglichen dielektrischen Abschnitts 120 relativ zum Rahmen 106 fixiert. Die Kondensatorplatten 122, 124 erfassen die Bewegung des nahegelegenen dielektrischen Abschnitts 120 und erzeugen ein elektrisches Ausgangssignal, das den Druck darstellt. Das elektrische Ausgangssignal ist eine Kapazität, die in Abhängigkeit vom Druck variiert. Die erste Kondensatorplatte 122 ist durch einen Zwischenraum 126 im Hohlraum 108 von der zweiten Kondensatorplatte 124 getrennt. Der bewegliche dielektrische Abschnitt 120 bewegt sich durch den Zwischenraum 126 und variiert das elektrische Ausgangssignal.
In der in den 3–5 dargestellten Anordnung uberschneidet sich der Zwischenraum 126 in dem Hohlraum 108 nicht mit einer Geraden 128 zwischen der ersten und der zweiten Kondensatorplatte 122, 124. Es zeigt sich, daß ein ausreichendes elektrisches Feld vorhanden ist, das in Randnähe der Kondensatorplatten streut und die Bewegung von dielektrischem Material in der Nähe der Elektroden erfaßt, auch wenn das Dielektrikum nicht durch eine gerade Linie zwischen den Kondensatorplatten bewegt wird. Als Alternative kann sich der Zwischenraum im Hohlraum 108 mit einer Geraden zwischen den ersten und zweiten Kondensatorplatten schneiden, wenn sich die Kondensatorplatten über die Montagefläche erheben und der dielektrische Abschnitt sich direkt zwischen den Platten bewegt, wie weiter unten in Verbindung mit 12 erlautert wird.
In den 3–5 sind der bewegliche dielektrische Abschnitt 120 und die Membran 114 frei von metallischen Leiterbelägen bzw. Metallisierungen. Es gibt daher kein Problem mit der Hysterese oder dem Kriechen von Metall, wenn die Membran unter veränderlichem Druck durchfedert oder sich durchbiegt. Vorzugsweise ist der bewegliche dielektrische Abschnitt 120 ein integrierter Bestandteil der Membran 114, wodurch das Kriechen vermieden wird, das sonst auftreten könnte, wenn Bindemittel bzw. Bondingmaterial zwischen dem dielektrischen Abschnitt 120 und der Membran 114 vorhanden waren. Die Kondensatorplatten 122, 124 sind auf einer dickeren Trägerflache fixiert, die sich nicht wesentlich durchbiegt.
Der Drucksensor 100 wird vorzugsweise direkt gebondet, evakuiert und abgedichtet, so daß in dem Hohlraum 108 ein Hochvakuum besteht. Über einem Durchfuhrungsschlitz 128 für die Zuleitungen wird eine Dichtung 127 angebracht, und die Dichtung 127 halt das Hochvakuum. Die Dichtung 127 besteht vorzugsweise aus einer Glasfritte, z. B. einem Gemisch aus feinverteiltem Glasstaub und Ethylcellulose. Nach dem Aufbringen der Glasfritte uber dem Durchfuhrungsschlitz wird die Glasfritte erhitzt, um die Ethylcellulose auszutreiben und den Glasstaub zur Ausbildung einer Glasdichtung zu schmelzen. Alternativ kann jede Zuleitung durch einen separaten Durchfuhrungsschlitz herausgefuhrt werden, und jeder Durchführungsschlitz kann mit einem elektrisch leitenden Lot oder einer hartgeloteten Dichtung abgedichtet werden.
Der Rahmen 106 ist langgestreckt und weist ein erstes Ende 130 mit der druckbeaufschlagten Membran und ein zweites Ende 132 auf, das dem ersten Ende gegenüberliegt und elektrische Anschlüsse 134 für die Kondensatorplatten 122, 124 aufweist.
Eine Mesainsel 136 bietet eine vergrößerte Auflage in einem Montagebereich zwischen dem ersten und dem zweiten Ende 130, 132. Der Montagebereich des Sensors 100 bildet eine Stelle für eine abgedichtete Barriere zwischen dem Prozeßfluid und den elektrischen Anschlussen, wie in den 9–10 dargestellt.
Der in den 3–5 dargestellte Drucksensor 100 ist als Trager oder langgestreckter Rahmen erkennbar, der um den Mittelkanal oder Hohlraum 108 herum ausgebildet ist. Der Drucksensor weist eine Auflageflache 140 im Mittelkanal auf. Der Trager schließt eine Membran 114 mit einer außeren Membranfläche 116 und einer aus Dielektrikum bestehenden inneren Membranfläche 118, 120 ein. Die innere Membranflache 120 ist von der Auflageflache 140 im Mittelkanal beabstandet. Das Dielektrikum 120 ist relativ zur Auflageflache 140 durch Druck beweglich. Die Kondensatorplatten 122, 124 sind auf der Auflagefläche 118 in der Nahe des beweglichen Dielektrikums 120 fixiert und liefern an den Zuleitungen 134 ein elektrisches Ausgangssignal, das den Druck darstellt.
Die 6–7 zeigen vergroßerte Ansichten der Schichten 102, 104, wobei die gleichen Bezugszeichen wie in den 3–5 verwendet werden. Wie in 6 dargestellt, kann der Sensor 100 auch ein Temperatursensorelement 135 aufweisen, das mit einer Meßwandlerschaltung verbunden werden kann, um für einen besseren Temperaturausgleich zu sorgen. Das Temperaturmeßelement 135 kann, wie dargestellt, ein Platin-Dunnschichtwiderstandsthermometer (PRT) sein, oder es kann ein anderer bekannter Temperatursensortyp verwendet werden. Wie in 7 dargestellt, weist die Schicht 104 eine Membran 114 auf, die frei von Metallbelagen ist. Bei einer Durchbiegung der Membran 114 tritt kein Fehler infolge des Kriechens von Metallbelagen bzw. Metallisierungen der Membran auf.
Der Sensor 100 wird nach einem bevorzugten Verfahren hergestellt, das in 8 durch schematische Schnittansichten dargestellt ist. Zunächst werden die Schichten 102, 104 geformt, um die Komponenten eines Trägers auszubilden, wie bei 150 dargestellt. Die Formgebung erfolgt typischerweise unter Anwendung des selektiven chemischen Ätzens von ebenen Schichten mit Hilfe von Maskierungsverfahren, die bei Fertigungsprozessen fur Mikrostrukturen gebräuchlich sind. Paßflachen 152, 154 werden so fertigbearbeitet, daß sie für das Direktbonden optisch eben sind. Als nachstes werden Meßschichten 122, 124 auf die Schicht 102 aufgebracht, wie bei 156 dargestellt. Dann werden die geformten Schichten in direktem Kontakt miteinander ubereinandergestapelt, um den Träger 138 zu bilden, der die Kondensatorplatten 122, 124 auf einer Auflageflache 140 mit einem Zwischenraum 126 zwischen ihnen und einem dielektrischen Abschnitt 120 aufweist, der sich in dem Zwischenraum 126 in der Nahe der Kondensatorplatten durchbiegen kann, wie bei 158 dargestellt. Der Trager 138 wird dann erhitzt, wahrend die Schichten sich an den optisch ebenen, außerst sauberen Flachen in direktem Kontakt miteinander befinden. Beim Direktbonden werden keine Bindemittel verwendet, und in bestimmten Fällen ist die Verbindung ohne Erhitzen ausreichend.
Der Kanal wird durch Ausbildung einer Glasfrittendichtung 127 in dem Spalt um die Zuleitungen herum abgedichtet, wie bei 160 dargestellt. Der Kanal wird vorzugsweise mit einem Vakuum darin abgedichtet, um den Sensor zu einem Absolutdrucksensor zu machen.
In 9 ist der Drucksensormodul 180 dargestellt, der dem in 2 dargestellten Modul 54 entspricht. Die Einheit 180 weist zwei Sensoren 182, 184 auf, wie in den 3–7 dargestellt. In 9 weist ein Isolierbecher 198 eine Offnung 199 auf, die an einer Außenfläche des Tragers zwischen dem geschlossenen Ende und dem gegenuberliegenden, isolierten Ende abgedichtet ist. Die Sensoren 182, 184 sind mit einer Leiterplatte 200 verdrahtet, die ihrerseits uber eine abgedichtete Durchfuhrung 201 mit einer zweiten Leiterplatte 202 verdrahtet ist.
In 10 ist ein Sensormodul 210 dargestellt, der eine Isolier- bzw. Trennmembran 212 aufweist, deren Rand 214 an einem Isolierbecher 216 abgedichtet ist. Die Trennmembran 212 trennt ein Prozeßfluid 218 von einem Isolier- bzw. Trennfluid 220, das in dem durch den Isolierbecher 216 und die Trennmembran 212 umschlossenen Raum eingeschlossen ist. Der Sensor 222 ist so aufgebaut, wie in den 3–7 dargestellt, und wird an einer Öffnung 224 in dem Isolierbecher 216 abgedichtet. Die Trennmembran 212 und das Trennfluid 220 koppeln Druck an den Sensor 222 an, wahrend sie den Sensor von dem Prozeßfluid 218 trennen. Am Isolierbecher 216 wird der Sensor 222 durch die abgedichtete Offnung 224 durchgefuhrt, und der Becher trennt die elektrischen Anschlüsse 226 am Sensor 222 sowohl von dem unter Druck stehenden Prozeßfluid 218 als auch von dem unter Druck stehenden Trennfluid 220. Der Isolierbecher kann eine Rückwand 228 mit einem Warmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, der genau an den Warmeausdehnungskoeffizienten des Sensors 222 angepaßt ist. Ein Materialblock 230 kann in den Isolierbecher 216 eingepreßt werden, wobei das Material 230 einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Trennfluids 220 teilweise kompensiert, um eine unerwünschte Bewegung der Trennmembran 212 aufgrund von Temperaturänderungen zu begrenzen. Zwischen dem Block 230 und dem Sensor 222 ist ein kleiner, mit Trennfluid 220 gefullter Spalt vorgesehen.
In den 11–13 sind alternative Ausfuhrungsformen der fixierten Kondensatorplatten und des beweglichen Dielektrikums dargestellt. In 11 bewegt sich ein flacher dielektrischer Abschnitt 252, der eine Membran ist, in einem Raum 252, der nicht direkt zwischen den Kondensatorplatten 254, 256 liegt, sondern etwas oberhalb der Kondensatorplatten in einem Bereich mit elektrischem Streufeld von den Kondensatorplatten.
In 12 bewegt sich ein dielektrischer Abschnitt 258 in einem Raum 260, der auf einer direkten Linie zwischen den Kondensatorplatten 262, 264 liegt.
In 13 bewegt sich ein dielektrischer Abschnitt in einem Raum 282, der nicht auf einer direkten Linie zwischen den Kondensatorplatten 284, 286 liegt
In 14 sind die Kondensatorplatten 266, 268 gegen Streukopplung über eine Tragerplatte 270 durch Abschirmungs- oder Schirmelektroden 272, 274 abgeschirmt. Die Schirmelektroden 272, 274 werden durch Puffer bzw. Trennstufen bei 276, 278 mit dem Verstärkungsfaktor 1 angesteuert.
In den 15–16 ist eine Ausführungsform mit beweglichem Dielektrikum 290 und ineinandergreifenden bzw. fingerförmigen oder „interdigitierten” Kondensatorplatten 292, 294 auf einer Auflageflache 296 dargestellt. Die ineinandergreifende Anordnung fur die Kondensatorplatten ergibt eine höhere Kapazität in einem kompakteren Raum in der Nähe einer Membran. Der Begriff ”ineinandergreifend” bzw. „interdigitiert”, wie er in dieser Patentanmeldung gebraucht wird, bedeutet, daß die Kondensatorplatten nicht einfache rechteckige oder runde Platten sind, sondern eine komplexe Geometrie aufweisen, die bei einer kleinen wirksamen Oberflache einen sehr langen Spalt zwischen den Platten bildet. Ineinandergreifende oder interdigitierte Kondensatorplatten konnen Anordnungen wie die dargestellten aufweisen, wo abwechselnde Mehrfachfinger an jeder Platte vorhanden sind, und auch serpentinenformige bzw. sich schlangelnde Platten einschließen, die nebeneinander zickzackformig gestaltet sind, um für einen sehr langen Spalt in einem kleinen Raum zu sorgen. Kombinationen von Fingern und serpentinenformigen Wegen werden gleichfalls erwogen.
In den 17–18 ist eine Ausfuhrungsform mit beweglichem Dielektrikum 300, ineinandergreifenden fixierten Kondensatorplatten 302, 304 auf einer Tragerplatte 306 und elektrischen Abschirmungsleitern 308, 310 dargestellt, die durch Puffer bzw. Trennstufen 312, 314 mit dem Verstärkungsfaktor 1 angesteuert werden. Diese Anordnung liefert eine hohe Kapazitat in einem kompakten Raum fur einen Drucksensor mit verbessertem Empfindlichkeitsfaktor (ΔC/C₀) aufgrund der reduzierten effektiven Streukapazitat. Das Verhaltnis von ΔC, der Kapazitatsänderung zwischen minimalem und maximalem Druck, zu C₀, der Ruhekapazität, ist höher, weil C₀ wegen der durch die Puffer 312, 314 aktiv angesteuerten elektrischen Abschirmungsleiter 308, 310 kleiner ist. Die Abschirmungsleiter 308, 310 werden durch die Puffer dynamisch auf im wesentlichen dem gleichen Potential gehalten wie eine benachbarte Kondensatorplatte.
Abschirmungen oder Abschirmelektroden, die geerdet sind, konnen in zu den Kondensatorplatten peripheren Bereichen gleichfalls vorgesehen werden, um die Rauschankopplung zu den Kondensatorplatten zu vermindern.
19 zeigt eine maßgerechte Anordnung von Kondensatorplatten und einem dazwischen eingefugten Dielektrikum. Die Kapazitat von beabstandeten Elektroden als Funktion der Verschiebung (t) der dielektrischen Membran und unter Vernachlässigung von parasitären bzw. Störeffekten ist durch die folgende Gleichung gegeben. C(t) = ε₀W[ (T – t) / (s + d) – (tK) / (s + Kd)] Gl. 1 mit:

ε₀: = Dielektrizitätskonstante des Vakuums;
W: = Lange der einander zugewandten Flächen der Elektroden 22A und 22B;
T: = Hohe der Elektroden 22A und 22B;
t: = Anteil der Höhe des Vorsprungs 38, der entlang geraden Höhenlinien zwischen den Elektroden 22A und 22B verlauft;
K: = relative Dielektrizitätskonstante des Materials, das den dielektrischen Vorsprung 38 bildet;
S: = Breite des Vorsprungs 38 zwischen den Elektroden 22A und 22B;
d: = Breite, die durch Subtrahieren der Breite S von der durch den Pfeil 51 angezeigten Breite zwischen einander zugewandten Flachen der Elektroden 22A und 22B berechnet wird.

Der Kapazitatsbereich zwischen den Elektroden, die auch als Kondensatorplatten bezeichnet werden, ist: ΔC = C(t) – C(0) Gl. 2
Durch Kombination von Gl. 1 und Gl. 2 erhalt man: ΔC = ε₀Wt[ K / (s + Kd) – 1 / (s + d)] G1. 3
Die Anordnung hat viele Vorteile gegenüber herkömmlichen kapazitiven Sensoren mit beweglichen Platten. Die Anordnung mit beweglichem Dielektrikum kann im Vergleich zur herkömmlichen Anordnung Verstärkungsfaktoren von 5 oder mehr aufweisen. Für eine vergleichbare Kapazitätsanderung wird eine geringere Durchbiegung benötigt. Außerdem kann ein Material mit hoherer Dielektrizitatskonstante fur den beweglichen dielektrischen Abschnitt verwendet werden, und als Trager der Kondensatorplatten kann ein Material mit niedrigerer Dielektrizitatskonstante benutzt werden, um die Streukapazität zu verringern. Die Beziehung zwischen Druck und Kapazitatsanderung ist bei dem beweglichen Dielektrikum starker linear, wodurch die Anforderungen an eine elektronische Kompensation oder Linearisierung vermindert werden. Die Anordnung liefert einen inharenten Uberdruckschutz, und es besteht keine Gefahr einer Überbrückung der Kondensatorplatten durch Kurzschluß im Überdruckzustand oder des Ubergangs zu einem extrem hohen Kapazitatswert im Uberdruckzustand. Die Herstellung ist einfach, da die Metallisierung der Kondensatorplatten nur auf einer Schicht zu erfolgen braucht und die Membran von Metallbelagen frei bleibt.
20 zeigt eine Drucksensoranordnung 62 fur eine Turbinentriebwerksanordnung 64. Das Turbinentriebwerk weist Turbinenschaufeln auf, wie z. B. die Schaufel 66, die in einem Turbinengehause 68 rotiert. In dem Turbinengehäuse 68 ist eine Bohrung 70 zur Messung des Drucks in dem Turbinentriebwerk angebracht. Die Drucksensoranordnung 62 ist durch einen Sockel 72 von dem Turbinengehause 68 beabstandet. Der Sockel 72 hält die Drucksensoranordnung 62 auf Abstand vom Turbinengehause, um die Drucksensoranordnung 62 in eine Umgebung mit niedrigerer Temperatur zu bringen. Ein Kanal 74 durch den Sockel 72 koppelt die unter Druck stehenden Gase innerhalb des Turbinengehauses mit der Drucksensoranordnung 62. In der Drucksensoranordnung 62 ist ein Drucksensor 74 enthalten. Der Drucksensor 74 weist ein bewegliches Dielektrikum auf. Der Drucksensor 74 weist außerdem isolierte Sensorzuleitungen 78 auf, die durch einen abgedichteten Spalt 80 im Träger hindurchgehen und durch Zuleitungen 82 mit elektronischen Umwandlungsschaltungen (nicht dargestellt) verbunden sind.
Die vorliegende Erfindung ist zwar anhand bevorzugter Ausfuhrungsbeispiele beschrieben worden, aber der Fachmann wird erkennen, daß Anderungen in Form und Detail vorgenommen werden können, ohne vom Grundgedanken und vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.

Claims

Drucksensor, der aufweist: eine erste Schicht (102) mit einer Auflagefläche (140); eine zweite Schicht (104) mit einer Membran (114) mit einer druckaufnehmenden Außenfläche (116) und einer Innenfläche (118); einen Rahmen (106), der mit der ersten Schicht (102) und der zweiten Schicht (104) verbunden ist und innerhalb dessen ein Hohlraum (108) definiert ist; einen dielektrischen Abschnitt (120, 252, 258, 290, 300), der an der Membran (114) angeordnet ist; Kondensatorplatten (122, 124; 254, 256; 262, 264; 266, 268; 284, 286; 292, 294; 302, 304), die an der ersten Schicht (102) angeordnet sind, wobei die Kondensatorplatten eine Kapazität aufweisen, die sich mit der relativen Bewegung zwischen dem dielektrischen Abschnitt (120, 252, 258, 290, 300) und den Kondensatorplatten ändert; und eine Mesainsel (136), die zwischen der Innenfläche (118) und der Auflagefläche (140) angeordnet ist.
Drucksensor nach Anspruch 1, wobei die Kondensatorplatten eine erste Kondensatorplatte (122, 254, 262, 266, 284, 292, 302) aufweisen, die in dem Hohlraum (108) durch einen Zwischenraum von einer zweiten Kondensatorplatte (124, 256, 264, 268, 286, 294, 304) getrennt ist, wobei der bewegliche dielektrische Abschnitt (120, 252, 258, 290, 300) durch den Zwischenraum beweglich ist, um das elektrische Ausgangssignal zu verändern.
Drucksensor nach Anspruch 2, wobei sich der Zwischenraum in dem Hohlraum (108) mit einer Geraden zwischen der ersten und der zweiten Kondensatorplatte schneidet.
Drucksensor nach Anspruch 2, wobei sich der Zwischenraum in dem Hohlraum (108) nicht mit einer Geraden zwischen der ersten und der zweiten Kondensatorplatte schneidet.
Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das bewegliche Dielektrikum (120, 252, 258, 290, 300) frei von elektrischen Leitern ist.
Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Hohlraum (108) evakuiert und abgedichtet ist.
Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Rahmen (106) langgestreckt ist und ein erstes Ende (130), nahe der Membran (114), sowie ein dem ersten Ende (130) gegenüberliegendes zweites Ende (132) aufweist, das von dem Überdruckzustand getrennt bzw. isoliert ist und elektrische Anschlüsse für die Kondensatorplatten aufweist.
Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Kondensatorplatten ineinandergreifen.
Drucksensor nach Anspruch 8, der ferner eine Trägerplatte (270, 306) aufweist, auf der die Kondensatorplatten angeordnet sind, und der auf der Trägerplatte angeordnete Abschirmelektroden aufweist.
Drucksensor nach Anspruch 9, der ferner Puffer (276, 278) mit dem Verstärkungsfaktor 1 aufweist, die mit den Abschirmelektroden gekoppelt sind.
Drucksensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Rahmen (106) und zumindest die erste oder die zweite Schicht einstückig ausgebildet ist.