DE2221062C3

DE2221062C3 - Kapazitiver Druckwandler

Info

Publication number: DE2221062C3
Application number: DE2221062A
Authority: DE
Inventors: William Ronald River Edge N.J. Polye (V.St.A.)
Original assignee: Bendix Corp
Current assignee: Bendix Corp
Priority date: 1971-05-10
Filing date: 1972-04-28
Publication date: 1981-02-19
Also published as: CA923631A; IT955321B; GB1319218A; DE2221062A1; JPS5528335B1; DE2221062B2; FR2139401A5; US3715638A

Description

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Druckwandler, einen Druckmesser mit einem derartigen Druckwandler sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Druckwandlers.

Bei derartigen Druckwandlern ist die Druckdose bestimmungsgemäß aus elastisch nachgiebigem Material hergestellt. Der Elastizitätsmodul elastischer Materialien ändert sich aber mit der Temperatur, so daß ein derartiger bekannter Druckwandler nicht innerhalb eines großen Temperaturbereiches mit hoher Genauigkeit arbeiten kann.

In dem »Handbook of Transducers for Electronic Measuring Systems« von H. N. Norton, Prentice-Haü, 1969 ist schon allgemein die Verwendung von Temperaturfühlern zur Kompensation der Temperaturdrift von Wandlern angesprochen. Diese Temperaturfühler befinden sich aber entweder in einem Übertragungsnetzwerk oder in einer Meßschaltung,

ίο welche mit dem Wandler verbunden sind. Mit derart nicht direkt an den Wandler angekoppelten Temperaturfühlern wird aber keine zuverlässige Temperaturkompensation erhalten, da zwischen Wandler und Fühler ein Temperaturunterschied bestehen kann.

Bisher war eine direkte Messung der Temperatur der Wände der Druckdose eines kapazitiven Druckwandlers deshalb nicht möglich, da die Anbringung zu unerwünschten Verspannungen der empfindlichen auf Druck ansprechenden Wandteüe der Druckdose führten.

Durch die vorliegende Erfindung soll daher ein kapazitiver Druckwandler gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs I derart weitergebildet werden, daß eine direkte Messung der Temperatur der biegbaren Wand bzw. der biegbaren Wände der Druckdose möglich ist, ohne daß in diesel, biegbaren Wänden unerwünschte elastische Spannungen erzeugt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die Verwendung von Dünnfilmwiderständen, die von einem isolierenden Substrat getragen sind, zur Temperaturmessung ist zwar an und für sich bekannt, wie ebenfalls aus dem oben angegebenen Buch von Norton hervorgeht. Auch die Anbringung eines entsprechenden Temperaturfühlers auf einem bekannten Wandler führt aber zu einer Beeinträchtigung der elastisch nachgiebigen Verformbarkeit der biegbaren Wände der Druckdose, da das den Dünnfilmwidersund tragende isolierende Substrat formstabil ist und darüber hinaus auch

w einen schlechten Wärmeleiter darstellt, so daß man auch nur eine schlechte thermische Kopplung des Dünnfilmwiderstandes an die biegbare Wand der Druckdose erhält.
Bei der vorließ <nden Erfindung wurde nun erkannt.

daß auch bei sehr empfindlichen biegbaren Wänden einer Druckdose eine direkte Messung der Temperatur dann möglich ist. wenn die biegbaren Wände selbst aus dielektrischem Material gefertigt werden und wenn ein Dünnfilmwiderstand direkt auf eine solche elektrisch nichtleitende membranähnliche Wand der Druckdose aufgebracht wird. Man erhält so eine optimale thermische Ankopplung zwischen dem als Temperaturfühler dienenden Dünnfilmwiderstand und der biegbaren Wand der Druckdose, ohne daß die geringe Biegesteifigkeit der Wand erhöht wird; der Dünnfilmwiderstand selbst hat nämlich eine praktisch verschwindende Biegesteifigkeit.

In der US-PS 29 40 035 ist zwar ein elektronischer Baustein beschrieben, welcher ebenfalls einen direkt auf ein isolierendes Substrat aufgebrachten Dünnfilmwiderstand aufweist. Das Substrat ist dort jedoch dick und formstabil; es besteht aus piezoelektrischem Material. Auf die Stirnflächen der piezoelektrischen Scheibe sind zwei Paare von Elektroden aufgebracht, und die auf einer Stirnfläche liegenden Elektroden der beiden Paare sind durch den Dünnfiimwiderstand miteinander verbunden. Man erhält so insgesamt ein universell Verwendbares Bauelement, das eine Reihenschaltung

aus einem piezoelektrischen Filter, einem ohmschen Widerstand und einem Kondensator darstellt Je nach der in Aussicht genommenen Verwendung können die zwischen den einzelnen Komponenten dieses Bauelementes liegenden Netzwerksknoten mit einer externen Schaltung verbunden werden. Eine Temperaturkompensation findet bei diesem bekannten Bauelement nicht statt; uer Dünnfilmwiderstand ist auch aus elektrisch gut leitendem Metall hergestellt. Diese Metalle haben bekanntlich nur einen sehr geringen Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit.

Der erfindungsgemäße kapazitive Druckwandler liefert dagegen zwei getrennte Ausgangssignale, nämlich ein dem Abstand seiner beiden Elektroden entsprechendes und damit dem zu messenden Druck zugeordnetes erstes Ausgangssignal und ein dem Widerstandswert der Dünnfilmwiderstände zugeordnetes zweites Ausgangssignal, welches in einer externen Schaltung zur Korrektur des ersten, dem zu messenden Druck zugeordnetes Äusgangssignals bezüglich der Umgebungstemperatur verwendet werden kann. Damit kann der erfindungsgemäße kapazitive Druckwandler Drucke in einem großen Temperaturbereich mit hoher Genauigkeit messen. Die oben angesprochene Temperaturkompensation ertolgt bei Temperaturänderungen sehr rasch, da der Dünnfilmwiderstand selbst nur eine kleine Wärmekapazität darstellt und direkt thermisch an die Wände der Druckdose angekoppelt ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.

Bei einem kapazitiven Druckwandler gemäß Anspruch 2 erhält man auf einfache Weise zusätzlich die Abschirmung des durch die Elektroden gebildeten Meßkondensators gegen Streufelder zusammen mit der Ermittlung der Temperatur der biegbaren Wände der Druckdose. Es wurde erkannt, daß bei dieser Abschirmung ein hoher Temperaturkoeffizient des die Abschirmung bildenden elektrisch leitenden Materials ohne weiteres in kauf genommen werden kann, so daß für die Abschirmung und die Dünnfilmwiderstände dasselbe Widerstandsmaterial verwendet werden kann. Die koplanare Anordnung von Abschirmung und Dünnfilmwiderstand bzw. Dünnfilmwiderständen läßt sich darüber hinaus fertigungstechnisch sehr einfach erzeugen.

Ein kapazitiver Druckwandler gemäß Anspruch 3 mit zwei identischen Dünnfilmwiderständen läßt sich besonders gut in einer ein Temperaturkompensationssignal erzeugenden Brückenschaltung verwenden.

Gemäß Anspruch 5 erhält man bei minimalem Schaltungsaufwand einen Druckmesser, der ein temperaturkomptnsiertes elektrisches Signal bereitstellt, welches dem auf die Druckdose einwirkenden Druck entspricht.

Nachstehend wird die Erfindung anhand der Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In dieser zeigt

Fig. I eine Aufsicht auf einen kapazitiven Druckwandler, welcher Dünnfilmwiderstände zur Messung der Temperatur der durch Druck verformbaren Druckdosenwände aufweist;

Fig.2 einen Schnitt durch den Druckwandler nach Fig. 1 längs der dortigen Schnittlinie 2*2;

Fig.3 eine Brückenschaltung, welche die Dünnfilmwiderstände des in Fig. 1 gezeigten Druckwandlers enthält und ein elektrischesTemperaturkompensationssignal bereitstellt; und

Fig.4 eine Brückenschaltung, die sowohl den Meßkondensator als auch die Dünnfilmwiderstände des in F i g. 1 gezeigten kapazitiven Druckwandlers enthillt und direkt ein dem auf den Druckwandler einwirkenden Druck zugeordnetes, temperaturkompensiertes elektrisches Signal bereitstellt.

In den F i g. 1 und 2 der Zeichnung ist ein kapazitiver Druckwandler wiedergegeben, welcher eine aus dielektrischem Material wie Glas oder Quarz gefertigte Druckdose 1 aufweist. Diese besteht aus zwei flachen, schalenähnlichen Dosenteilen 3 und 5, die miteinander

ίο verschmolzen sind und eine Kammer 7 begrenzen, die evakuiert ist. Auf den innenliegenden Oberflächen der Dosenteile 3 und 5 sind Elektroden 9 und 11 angeordnet, welche einen Meßkondensator bilden. Dessen Kapazität ändert sich in Abhängigkeit von demjenigen Druck, welcher von außen auf die Druckdose 1 einwirkt Die Elektroden 9 und 11 sind über Steckverbinder 13,15 mit einer externen Schaltung verbindbar.

Um der» Meßkondensator gegen elektrostatische Störfelder abzuschirmen, tragen uv< außenliegenden Oberflächen der Dosenteile 3 und 5 euen Dünnfilmschirm 17 aus Widerstandsmaterial. Dieses ist im Vakuum auf die Druckdose aufgedampft oder aufgespulten.
Zugloch mit dem Dünnfilmschirm 17 werden auf die Druckdose 1 aus demselben Widerstandsmaterial Dünnfilmwiderstände 19 und 21 aufgebracht, deren Stärke in der Größenordnung von einigen Hundert Angström liegt. Die Dünnfilmwiderstände 19 und 21 sind elektrisch vom Dünnfilmschirm 17 isoliert. Hierzu kann man beim Aufdampfen oder Aufsputtern des Dünnfilmschirmes 17 entsprechende Abdeckschablonen verwenden oder zunächst eine durchgehende Schicht aufbringen, aus welcher dann Material durch Ätzen entfernt wird. Die Dünnfilmwiderstände 19 und 21 bestehen aus einem Widerstandsmateria! mit hohem Temperaturkoeffizienten der elektrischen Leitfähigkeit, z. B. aus Nickel oder Platin. Damit gebe..' die Dünnfilmwiderstände 19 und 21 ein der Temperatur der Druckdose zugeordnetes Signal ab. An ihren Enden sind die Dünnfilmwiderstände 19 und 21 mit Kontakten 23, 25, 27, 29 versehen, über welche sie an eine- externe Schaltung anschließbar sind, wie nachstehend genauer beschrieben wird.

Zur Erzeugung eines der Temperatur der Druckdose 1 zugeordneten elektrischen Signals kann man die Dünnfilmwiderstände 19 und 21 in eine Brückenschaltung legen, wie dies F i g 3 zeigt. Dort sind R\ und Ri die beiden Dünnfilmwiderstände, deren Widerstandswert mit Referenzwidersfänden R₅ verglichen werden, welehe in die beiden anderen einander gegenüberliegenden Brückenzweige geschähet sind. An die einander gegerCojrliegenden Brückenklemmen ist eine Span nungsquelle angeschlossen, während an den beiden anderen einander gegenüberliegenden Brtukenkleiii men ein Signal eot τ bereitgestellt wird, welches Jem

WlUCl MdIlUSWUl ί del WlUCI SIdIIUC /Cl UlIlI A'; / lljil Ol t!

net ist. Dieses Signal kann zur TemperiiiurknnipeiiO tion eines elektriscnen Drucksignales verwendet «ei den, das yqh dem durch die tMlriKicu 4 uiul 11 gebildeten Meßkondensator bereitgestellt \\ ml

Fig.4 zeigt eine Schaltung zur Teinyieiniiiikoinpeii sation des Ausgangssignales des dtireh die l'U-knuilen 4 und 11 gebildeten Meßkondensalors. Die W uleisiiuule R\ und Ri entsprechen wieder den Pilnufilimwilersijtii

ft.« den und sind in einen Brilckeii/ueii» (jeseluliei; ein Referenzwiderstand R, isl in einen /«eilen /weip der Brückenschaltung gelegt, und der MeLlkomlensiiior (',■ und ein Reftrenzkondeiisiilor C liefen ·ηι dritten b/w.

vierten Zweig der Brückenschaltung. An den Netzwerksknoten zwischen Ri und R₅ sowie C_P und C₁ ist wieder eine Spannungsquelle angeschlossen, während an den beiden anderen einander gegenüberliegenden Knoten der Brückenschaltung wieder eine Ausgangsspannung eour bereitgestellt wird, welche ein temperaturkompensiertes elektrisches Drucksignal darstellt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kapazitiver Druckwandler mit zwei Elektroden, von denen mindestens eine von einer biegbaren Wand einer Druckdose getragen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dielektrischem Material bestehende biegbare Wand (3, 5) zugleich mindestens einen Dünnfilmwiderstand (19, 21) aus Widerstandsmaterial mit hohem Temperaturkoeffizienten trägt.

2. Druckwandler nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß ein auf der biegbaren Wand angeordneter Dünnfijmschirm (17) zur Abschirmung von Streufeldern und die von diesem elektrisch isolierten Dünnfilmwiderstände (19, 21) aus demselben Widerstandsmaterial bestehen.

3. Druckwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die biegbare Wand (3, 5) zwei gleiche DütJi filmwiderstände (19,21) trägt

4. Druckwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandsmaterial Ni oder Pt ist

5. Druckmesser mit einem Druckwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und mit einer mit den Elektroden des Druckwandler verbundenen Brükkenschaltung, dadurch gekennzeichnet daß die Dünnfilmwiderstände (Ri, R 2) in einen ersten Brückenzweig und die Elektroden (9, 11) in einen zweiten Brückenzweig geschaltet sind, während ein dritter, mit Hem ersten verbundener Brückenzweig einen Vergleichswiderstand (R,) und ein vierter, mit dem zweiten verbundener Brückenzweig eine Vergleichskapazisät (L',) aufweisen, wobei die Speisespannung an die Knoten ..wischen dem ersten und zweiten sowie dem dritten und vierten Brückenzweig angelegt ist und das temperaturkompensierte Drucksignal an den Knoten zwischen dem ersten und dritten Brückenzweig sowie dem zweiten und vierten Brückenzweig bereitgestellt wird.

6 Verfahren zur Herstellung eines Druckwandlers nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckdose durch Vakuumaufdampfen oder Sputtern mit einem durchgehenden dünnen Film aus Widerstandsmaterial versehen wird und danach zur Bildung isolierender Bereiche zwischen Dünnfilmwiderständen und Dünnfilmschirm Material aus dieser durchgehenden Schicht herausgeätzt wird.

7. Verfahren zur Herstellung eines Druckwandlers nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß unter Verwendung einer die Isolierbereiche zwischen Dünnfilmschirm und Dünnfilmwiderständen abdeckenden Schablone die Druckdose durch Vakuumaufdampfen oder Sputtern mit Widerstandsmaterial beschichtet wird.