FI102567B - Kapasitiivinen voima-anturi - Google Patents

Description

102567

KAPASITIIVINEN VOIMA-ANTURI

Tämä keksintö koskee kapasitiivista voima-anturia, joka muodostuu rungosta, joka sisältää kapasitanssielektrodin, 5 kannesta, joka sisältää toisen kapasitanssielektrodin, ja etäisyyserottimista, jotka pitävät ne etäisyyden päässä toisistaan.

Sellainen voima-anturi on tunnettu DE 34 26 165 Alista, joka 10 esittää käsitteen vaikuttavasta voimasta kapasitanssi-elektrodien välisen kapasitanssin muutoksen kautta, kun membraaniksi muodostettu kansi taipuu. Sellaiset paine- tai voima-anturit eivät olet soveltuneet korkeita paineita ja voimia varten, koska erityisesti syntyy vaara, että 15 membraani törmää vastaseinään. Seuraava epäkohta näissä antureissa syntyy siitä, että voimien johtaminen vaatii erityisiä ulkoisia laitteita. Lisäksi ei kapasitanssin riippuvuus paineesta tai voimasta ole lineaarinen.

20 Lähtien tästä tekniikan tasosta on keksinnön tarkoituksena .‘ ' saada aikaan kapasitiivinen voima-anturi, jolle on ominaista : ·' kompakti rakenne sekä varsinkin korkeiden voimien ja painei- · den käsittelyn mahdollisuus sekä kapasitanssin lineaarinen : : riippuvuus paineesta tai voimasta.

25 Tämä tehtävä ratkaistaan keksinnön mukaisesti siten, että rungon ja kannen materiaalin vahvuus on riittävän vahva, jotta voima-anturin kuormituksissa saadaan etäisyyden • · · 1/. pieneneminen kapasitanssielektrodien välillä ilman • · « *. 30 erottimien muodostavien materiaalisiltojen taipumista • *·· ainakin yhden materiaaleista puristumisen kautta, joista :***: runko ja/tai kansi valmistetaan.

··· * • · « *”*. Erottimet on järjestetty toisiinsa osoittavia rungon ja 35 kannen pintojen kautta jaettuina. Niiden korkeudet ja pituudet ovat suhteessa rungon ja kannen materiaalivoimakkuuksiin niin pieniä, että kapasitanssimuutokset johtuvat olennaisesti rungon tai kannen materiaalin kokoonpuristumisesta. Varsinaisesti erottimet voidaan muodostaa useista poikki 102567 2 leikkaukseltaan suorakaiteen muotoisista pylväistä, jotka on järjestetty shakkilaudanomaisesti ja joilla on kulloinkin toisiinsa nähden sivusuuntainen etäisyys, joka vastaa suunnilleen niiden sivun pituutta.

5

Erottimet voidaan muodostaa listoista, jotka ulottuvat rungon yläpintaa pitkin U-muotoisia ratoja. Toinen mahdollisuus muodostuu siitä, että erottimet muodostetaan listoina, jotka ulottuvat pitkin ympyränkaarien osia.

10

Toiset tarkoituksenmukaiset sovellutusmuodot ilmenevät seuraavasta keksinnön sovellutusesimerkkien kuvauksesta piirustuksen avulla. Se näyttää: 15 Kuv. 1 pituusleikkausta keksinnön mukaista kapasitiivista voima-anturia pitkin.

Kuv. 2 päällikuvaa rungon sisäpuolelta ja erottimien poikkileikkausta.

20

Kuv. 3 päällikuvaa rungosta, jossa on listan muotoiset erottimet.

Kuv. 4 päällikuvaa rungosta, jossa on kaarenmuotoisesti 25 taivutetut listamaiset erottimet.

1 « ·

Kuv. 5 kapasitiivista voima-anturia kokoonpuristettavista ,,1 materiaaleista pituusleikkauksessa keksinnön toimintatavan • * * havainnollistamiseksi.

30

Kuv. 6 kuv. 5 vastaavaa rakennetta, jossa ainoastaan rungon I « · · materiaali on kokoonpuristettavaa.

Kuv. 7 toista voima-anturin sovellutusesimerkkiä, jonka 35 erottimet on valmistettu yhdestä kappaleesta rungon kanssa,

Kuv. 8 kuv. 7 mukaisen voima-anturin rungon päällikuvaa, 102567 3

Kuv. 9 voima-anturin sovellutusesimerkkiä, jossa on yhdestä kappaleesta muodostetut erotinpuoliskot ja eristävä yhdis-tyskerrros, joka ulottuu poikittain läpi erottimen, 5 Kuv. 10 voima-anturin sovellutusesimerkkiä, jossa on kansi ei-johtavaa materiaalia,

Kuv. 11 voima-anturin sovellutusesimerkkiä, jonka kansi muodostuu suojatusta elektrodikerroksesta, 10

Kuv. 12 voima-anturin järjestelystä, jossa on rungon läpi menevä eristekerros ja kanteen tuotu eristekerros.

Kuv. 13 voima-anturia, jonka kansi ja runko on liitetty 15 sähköisesti ja mekaanisesti toisiinsa, pituusleikkauksessa pitkin voima-anturin liitäntäjohtoja.

Kuv. 14 kuv. 13 mukaista voima-anturia pituusleikkauksessa pitkin suojaiiitäntäjohtoa.

20

Kuv. 15 kuv. 13 ja 14 mukaisen voima-anturin kannen leik-kausnäkymää.

Kuv. 16 kuv. 13 ja 14 mukaisen voima-anturin rungon leik- 25 kausnäkymää.

* · » · ·’: Kuv. 17 absoluuttimittaukseen tarkoitetun voima-anturin sovellutusesimerkkiä, jossa on seostetut alueet.

30 Kuv. 18 kuv. 17 mukaisen voima-anturin kannen leikkausnäky- .1 mää.

• · • ·

Kuv. 19 kuv. 17 mukaisen voima-anturin rungon leikkausnäky-mää.

Kuv. 20 pituusleikkausta pitkin toisen voima-anturin, jolla on yksinkertainen rakenne, voima-anturiliitäntäjohtoa.

35 102567 4

Kuv. 21 pituusleikkausta pitkin kuv. 20 mukaisen voima-anturin suojaliitäntäjohtoa.

Kuv. 22 absoluuttiseen painemittaukseen tarkoitetun voima— 5 anturin sovellutusesimerkkiä, jossa on erityisen yksinkertainen rakenne pituusleikkauksessa pitkin voima-anturin 1iitäntäjohtoa.

Kuv. 23 pituusleikkausta kuv. 22 mukaisen voima-anturin läpi 10 pitkin suojaliitäntäjohtoa.

Kuv. 24 kuv. 22 ja 23 mukaisen voima-anturin kannen leik-kausnäkymää ja 15 Kuv. 25 kuv. 22 ja 23 mukaisen voima-anturin rungon sisäpuolen leikkausnäkymää.

Kuv. 1 tunnistetaan ei-mittakaavaisessa poikkileikkauksessa ensimmäinen sovellutusesimerkki paine- ja voima-anturista. 20 Seuraavassa lyhyesti voima-anturiksi nimitetty paine- ja voima-anturi muodostuu rungosta 1, joka sisältää sisäpuolella 2 runko-kapasitanssielekterodikerroksen 3, joka on liitetty liitospintojen 4 kautta ensimmäisen anturiliitäntäjohdon 5 kanssa sähköisesti.

V 25 • ·

Kuv. 2 tunnistetaan runko-kapasitanssielektrosikerros 3 ·*: päälikuvana yhdessä liitospintojen 4 ja ensimmäisen anturi- liitäntä johdon 5 kanssa. Runko-kapasitanssielektrosipinnat 3 muodostuvat useista neliömäisistä syvennyksistä 6, jotka 30 ympäröivät kuv. 2 poikkileikkauksena ja kuv. 1 pituusleik-kauksena esitettyjä erottimia 7.

• ·

Erottimet 7 määräävät esim. 5 um olevan kannen 8 etäisyyden rungosta 1, joka sen runko-kapasitanssiielektorikerrokseen 3 35 ulottuvalla sisäpuolella 2 on varustettu kansi-kapasitans-sielektrodikerroksella 9. Rungon 1 ja/tai kannen 8 materi-aalivahvuus on esim. 500 jum ja on siten huomattavsti suurem- 102567 5 pi kuin erottimen 7 materiaalivahvuus. Kansi-kapasitans-sielektrodikerroksella 9 on, kuten runko-kapasitanssielekt-rodikerroksellakin 3, useita syvennyksiä 6 erottimen 7 läpiviemiseksi sekä liitospinta 10 sähköiseen yhdistämiseen 5 toisen anturiliitäntäjohdon 11 kanssa.

Kuv. 1 esitetyssä sovellutusesimerkissä on erottimet 7 kulloinkin liitetty alemman liitäntäkerroksen 12 ja ylemmän liitäntäkerroksen 13 kautta runkoon 1 ja kanteen 8.

10

Kuv. 3 esittää kuv. 2 vastaavaa poikkileikkausnäkymää voima-anturin rungosta 1, jonka erotin poiketen kuv. 2 mukaisesta erottimesta 7 sisältää vain erottimen 7, jossa on neliömäinen poikkileikkaus ja useampia erottimia 7 listojen 15 muodossa, joilla on päällikuvana U-muotoinen kulku pitkin rungon 1 sisäpuolta 2, joka on välittömästi yhdistetty anturiliitäntäjohdon 5 kanssa, koska runko kuv. 3 esitetyssä sovellutusesimerkissä muodostuu johtavasta materiaalista, niin että erikoinen kapasitanssielektrosikerros ei ole 20 tarpeellinen.

Kuv. 4 esittää päällikuvaa poikkileikkauksesta erottimen 7 läpi pitkin johtavan rungon 1 sisäpuolta 2, jolla on ympyrä-kiekon muotoinen hahmo suorakaiteen muotoisen hahmon sijaan, 25 kuten aikaisemmissa kuvioissa. Kuv. 4 esitetyn sovellu- ·*. tusesimerkin erottimet 7 ulottuvat kulloinkin n. 90 asteen i 0 .·. kulma-alueelle, niin että niiden välillä syntyy useampia :·, konsentrisia onkalotiloja tai ontelolta, joissa on ympyrän • · muodossa kulkevia lisäonkalotiloja.

30 ' · 0 • *

Kuv. 5 esittää kuv. 1 vastaten pituusleikkausta voima-antu-.* * rin läpi sen toimintatavn havainnollistamiseksi. Kun runko ,· 1, kansi 8 ja erotin 7 muodostuvat elastisesta kokoonpuris- tettavasta materiaalista, seuraa voimavaikutuksesta tai 35 paineen vaikutuksesta, jonka kautta runko 1 ja kansi 8 toisiinsa osoittaviin suuntiin vaikuttavien voimien kanssa joutuvat paineen alaisiksi, materiaalin muodonmuutos. Kul- 102567 6 loinkin rungon 1, erottimien 7 ja kannen 8 materiaalin puritusmodulin tai elastisuusvakioiden mukaisesti ilmaantuu tilamuutoksia, niin että etäisyys runko-kapasitanssielektro-dikerroksen 3 ja kansi-kapasitanssielektrosikerroksen 9 5 välillä lähtien kuv. 1 esitetystä etäisyydestä muuttuu esimerkiksi kuv. 5 esitetyllä tavalla.

Kuv. 5 esitetyssä sovellutusesimerkissä esiintyy puristusmo-dulin perusteella sekä rungon 1 että myös kannen 8 ja erotit) timen 7 muodonmuutoksia. Erottimia kuormitetaan erottimen kannatinlaitteistolla, jolloin tilanpienennyksen ja etäi-syysmuutoksen pienennyksen ohella seuraa kuv. 5 liioitellun vahvasti esitetty leventyminen. Sisäänpainamispaikoissa pitkin rungon 1 ja kannen 8 sisäpuolta 2 muodostuu syvennyk-15 siä rungon 1 ja kannen 8 pinnalla, jotka johtavat siihen, että kapasinassielektrodikerrosten 3 ja 9 kanssa sijaitsevat alueet lähenevät, niin että runko-kapasitanssielektrodiker-roksen 3 ja kansi-kapasitanssielektrodikerroksen 9 väliin muodostettu kondensaattorikapasitanssi suurenee. Kuvattu 20 voima-anturi on siten kapasitiivinen anturi, jossa ei kalvon taipuminen, vaan suhteellisen massiivisen rungon alueittain erilainen sulloutuminen, joka voi olla varsinkin paljon paksumpi kuin erotin 7, johtaa kapasitanssin muutokseen.

v 25 Kuv. 6 esittää kapasitiivien voima-anturin sovellu- ·· tusesimerkkiä, jossa rungon 1, erottimien 7 ja kannen 7 materiaalin puritusmoduli tai kokoonpuristuvuus ei johda T: kannen 8 ei erottimien 7 muodonmuutoksiin, vaan ainoastaan rungon 1 muodonmuutokseen. Kuv. 5 ja 6 perusteella havaitaan ··.·. 30 ilman muuta, että kapasitiivselle paineen tai voiman mit- ;·, taukselle riittää, kun rungon 1 materiaali tai kannen 8 • 0 materiaali taio erottimien 7 materiani sallii annetulla voimalla materiaalin kokoonpuristumisen. Erottimilla 7 on siten korkeus voima-anturijärjestelmän yhteenpuristuvuuden 35 suuruusluokassa ennalta annetulla mittausalueella, niin että kapasitanssielektrodikerrokset 3 ja 9 eivät satu yhteen suurimmalla vaikuttavalla voimalla. Voiman ylityksessä 102567 7 tapahtuvan oikosulun välttämiseksi voivat yksi tai molemmat kapasitanssielektorikerroksista 3 ja 9 olla varustettuja piirroksessa esittämättömällä eristyskerroksella.

5 Erottimien 7 sivuttaissuuntainen etäisyys on edullisesti sen kulloisenkin leveyden suuruusluokkaa. Erottimien 7 korkeudet on esitetty kuv. l liioitellun suurina. Voima-anturin paksuus piirustuksessa on myöskin esitetty liioitellusta, niin että voima-anturit tosiaankin ovat laakeampia kuin niiden 10 halkaisja tai niiden sivun pituus ovat. Varsinkin voi myös erottimien 7 lukumäärä olla pienempi tai suurempi kuin piirroksessa esitetty. Rungon 1 ja kannen 8 paksuus on kulloinkin valittu niin, että muodonmuutos tapahtuu sullou-tumisen tai puristumisen eikä rungon taipumisen kautta.

15

Erottimia 7 voidaan käyttää päädyissään kulloinkin yhdistys-kerroksen 14 kautta, kuten kuv. 1, 5 ja 6 on esitetty.

Erottimien 7 liitoksen sijasta rungon 1 ja kannen 8 kanssa rakennetun liitoskerroksen kautta ovat myös suorat mekaani-20 set erottimien 7 liitokset rungon 1 ja kannen 8 kanssa mahdollisia, ja tosin varsinkin sulattamisen, suoran hitsaa-misen tai anodisen sitomisen kautta.

Voiman johtaminen kapasitiiviseen voima-anturiin voi tapah-25 tua yksinkertaisesti samantasoisesti koko pinnalta rungon 1 tai kannen ulkopinnalle. Nesteiden ja kaasujen painevaiku-tusten vuoksi on silloin huomattava, että runko 1 tai kansi ♦ 8, jonka ulkopuolelle paine vaikuttaa, on mitoitettu vastaa- vasti paksusti ja venymät erottimien 7 välillä vastaavsti . 30 pieniksi, jotta vältetään mitattavaan paineeseen mahdollinen • · ,* rungon 1 tai kannen 8 kalvon samanlainen taipuminen pai- • · koissa erottimien 7 välillä ja mahdollisesti sen pakottama kapasitanssielektrodikerrosten 3, 9 koskettaminen. Silloin on mahdollista, että mitattava paine- ja voima-alue riippuu 35 käytettyjen materiaalien elastisista ominaisuuksista, poikkileikkauspinnoista, muodosta, erottimien 7 lukumäärästä sekä järjestelystä ja korkeudesta. Annetuilla voima-anturin 102567 8 materiaaleilla ja lateraalisilla ulkomitoilla voidaan mitta-alue asetella erottimien 7 geometrialla.

Juuri esillä olevat liitäntäkerrokset 14 ovat vastaavasti 5 ohuita, niin että niiden vaikutus voidaan jättää yhteenpu-ristettaessa huomiotta. On myös mahdollista käyttää liitän-täkerroksia 14, joilla on itsellään vastaavat elastiset ominaisuudet, niin että ne eivät vaikuta häiritsevästi.

10 Liitäntäkerrokset 14 voidaan tuoda kulloinkin liitäntätek-niikan mukaisesti yksipuoleisesti tai molemminpuoleisesti liitäntäpaina olevaan erottimeen 7, runkoon 1 ja kanteen 8. Ne voidaan valmistaa myös usemapikerroksisiksi ja eri materiaaleista. On myös mahdollista toteuttaa liitäntäkerrokset 15 14 vastaavan ohuen liimakerroksen kautta. Liitäntäkerrokset 14 voidaan muodostaa sähköisesti eristävän kerroksen, esimerkiksi lasisulakerroksen, Pyrex-kerroksen, piioksidiker-roksen tai vastaavan, avulla, jonka kautta erotin 7 on kunkin anturirakenteen mukaisesti liitetty, hitsattu, juo-20 tettu tai anodisesti tai elektrostaattisesti liitetty rungon 1 ja/tai kannen 8 kanssa.

Liitäntäkerros 14 voi myös koostua sähköisesti johtavasta materiaalista. Tällöin voidaan käyttää hitsaus- tai juotos- .1^ 25 kerroksia tai esimerkiksi metallista tai piistä olevia, • ·· *. . höyrytyksen, sputteroinnin tai separoinnin avulla aikaansaa- • · * tuja kerroksia. Liitäntäkerrokset 14 voivat muodostua myös « ♦ *·♦·* useammista eri materiaalia olevista kerroksista. Liitäntä : *.* voi tapahtua hitsaamalla tai juottamalla, liitoksen tai ·«« *30 adheesiolla.

:***: Materiaalien valinnassa liitäntäkerroksiin 14, runkoon 1, erottimiin 7 ja kanteen 8 on niiden sähköisen johtavuuden kannalta valinnan satuttava siten, että voima-anturissa 35 muodostettava kapasitanssi ei tee oikosulkua. Kun liitäntäkerrokset 14 ovat ei-johtavia, voidaan runkoon 1, kanteen 8 ja erottimiin 7 käyttää sähköisesti johtavia materiaaleja.

102567 9

Kun runko 1 tai kansi 8 muodostuvat sähköisesti johtavasta materiaalista, niin kapasitanssielektrodikerrosten 3 ja 9 aikaansaaminen voi estyä, koska vastaten kuv. 3 ja 4 runkoa 1 ja kantta 8 itseään voidaan käyttää elektrodina voima-an-5 turikapasitanssille.

Sähköisesti johtavina materiaaleina voima-anturille voidaan käyttää metalleja, puolijohteita ja varsinkin piitä. Ei-joh-tavina materiaaleina voima-anturin valmistuksessa tulevat 10 kysymykseen varsinkin keramiikka, kvartsi, lasi ja oksidi. Kuv. 1 esitetty voima-anturi, jossa on metalliset ka-pasitanssielektrodikerrokset 3, 9, voidaan valmistaa siten esimerkiksi kvartsilasista.

15 Kuv. 7 esittää pituusleikkausta voima-anturin läpi, jossa erottimet 7 ja runko 1 on tehty yhdestä kappaleesta. Rungon 1 erottimet 7 voidaan tehdä rungosta syvennysten 15 jyrsin-nällä tai syövyttämällä. Kuv. 8 esittää päällikuvana mahdollisen erottimen pitimen 7 laitteen mallia.

: 20 . . Kuv. 7 ja 8 esitetyt sovellutusesimerkissä koostuu runko 1 johtavasta materiaalista, joka on liitetty suoraan anturi-, liitäntä johtoon 5. Runko 1 palvelee siten välittömästi • anturikapasitanssin ensimmäisenä elektrodina ja koostuu ' 25 esimerkiksi johtavasta piistä. Kansi 8 voi olla valmistettu lasista, esimerkiksi Pyrexistä, jolloin runko 1 ja kansi 8 • · ϊ.ϊ.ϊ voidaan liittää toisiinsa anodisella liitoksella. Anturika- pasitanssin toisena elektrodina on tuotu rungoksi 1 muodos- ./ tuvan kannen 8 sisäpuoleen 2 rungossa 1 olevia syvennyksiä • · · *... 30 vastaavasti rakennettu kapasitanssielektrodikerros 9, var- • · • · *** sinkin höyrystetystä tai sputteroidusta metallista, esimer- ♦ ..*·* kiksi alumiinista.

Kuv. 7 esitetyn voima-anturin erottimet 7 voidaan myös 35 valmistaa tavalla, jossa runkoon 1 tuodaan riittävän paksu kerros, joka maskaamalla ja syövyttämällä rakennetaan vastaten erottimien 7 haluttua mallia. On varsinkin mahdollista, 102567 10 materiaalien separoinnilla tai sputteroinnilla, kuten oksidien, monikiteisen piin, epitaktisen piin, lasin, Pyrexin tms., tuottaa erotinlaitteisto. Toinen mahdollisuus koostuu päällyksen tuottamisella kemiallisella prosessilla, esimer-5 kiksi rungon pinnan oksidaatiolla. Kuv. 7 mukaisen voima-anturin erottimet 7 voidaan siten tuottaa varsinkin piin termisellä oksidaatiolla.

Eristävän liitäntäkerroksen 14 käytöllä voidaan toteuttaa 10 voima-anturi, jossa on kuv. 9 esitetty pituusleikkaus. Kuv. 9 esitetyllä voima-anturissa on käytetty kahta johtavaa piikiekkoa, jolloin erotin 7 on osana rungon 1 rakenneosaa ja toisena osana kannen 8 rakenneosaa. Erottimet 7 ovat siten kulloinkin valmistettu puoliksi yhtä kappaletta rungon 15 1 tai kannen 8 kanssa, jossa on tehty syvennykset 15 rungon 1 ja kannen 8 pinnalle. Voima-anturin valmistuksessa on esimerkiksi runko 1 varustettu eristävällä liitäntäkerrok-sella 14, esimerkiksi Pyrex-kerroksella, joka on suoraan liitetty kannen 8 kanssa, esimerkiksi anodisella liitoksel-20 la. Toinen mahdollisuus on siinä, että sekä runko 1 että myös kansi 8 varustetaan eristävällä liitäntäkerroksella 14, esimerkiksi piidioksidista, ja liitäntäkerrokset 14 liite-; ; tään yhdistämällä riittävän paineen ja riittävänä lämpötilan alaisena toisiinsa. Tällä tavoin saadaan yksinkertainen ; : 25 voima-anturi, jonka runko 1 ja jonka kansi 8 kulloinkin muodostavat elektrodit.

• · • · · • · · • ·

Kuv. 10 esittää toisen sovellutusesimerkin materiaalien yhteenpuristuvuutta hyväksikäyttävästä kapasitiivisesta • " 30 voima-anturista.

• · · • · • · · ·· Kuv. 10 esitetyn voima-anturin runko 1 muodostuu johtavasta • · · · piistä, jolloin runko 1 on liitetty elektrodina välittömästi anturiliitäntäjohtoon 5. Johtavasta piistä olevat eristimet 35 7 on valmistettu yhdestä kappaleesta yllä mainitulla taval la .

102567 11

Kansi 8 koostuu kuv. 10 esitetyssä sovellutusesimerkissä ei-johtavasta materiaalista, varsinkin keramiikasta, kvartsista tai lasista, jonka alapuolelle on tuotu kultakerros 16. Parempaan kultakerroksen liitokseen tai adheesioon 5 kanteen 8 on mahdollista käyttää kromia tai nikkeliä olevaa välikerrosta. Kansi 8 kuv. 10 esitetyssä sovellutusesimerkissä liitetty kultakerroksen 16 avulla kulta-pii-eutektikumin kautta piistä olevaan erottimeen 7. Kultaker-roksena 16 muodostettu liitäntäkerros koostuu tässä kuvatus-10 sa sovellutusesimerkissä syvennyksistä erottimien 7 ympärillä ja voi siten toimia samanaikaisesti kapasitanssielektro-dina. Liitännän valmistamiseksi voi olla tarkoituksenmukaista varustaa myös piitä olevat erottimet 7 kultakerroksella.

15 Materiaalien yhteenpuristuvuutta hyväksikäyttävien ka-pasitiivisten voima-antureiden valmistuksessa voi olla tarkoituksenmukaista käyttää hyväksi eristävien ja johtavien kerrosten yhdistelmiä liitäntäkerroksina 14. Kunkin käytetyn materiaalin mukaan voidaan esimerkiksi metallikerroksen ja : _ 20 rungon 1 tai kannen 8 ja eristimien 7 välissä olevan eristä vän kalvon avulla saavuttaa parempi adheesio. Useammanlaiset liitäntäkerrokset 14 voivat olla myös termisten laajenemis-ten ja jännitysten perusteella edullisia. Tällä ja muilla : ' perusteilla, esimerkiksi määrätyn elastisen tilan saavutta- '.· ·' 25 miseksi tai lisäsuojauselektrodin saavuttamiseksi (vrt. kuv.

11) voi olla tarkoituksenmukaista valmistaa runko 1 tai : : : kansi 8 ja/tai erottimet 7 ei yhtenäisestä materiaalista, vaan useammanlaisesta.

• · « · • · · *... 30 Kuten jo yllä on mainittu, voi olla lisäksi tarkoituksenmu- • · *·;·* kaista vetää kapasitanssielektrodikerros 3 ja/tai 9 tai ’l· kapasitanssielektrodina toimivan johtavan rungon 1 tai :·· kannen 8, jossa on eristekerros, sisäpuoli 2 yli, jotta vältetään vastaavasti suuremmassa muodonmuutoksessa elektro-35 dien koskettaminen ja siten sähköinen oikosulku vältetään.

12 102567

Kun runko 1 ja/tai kansi 8 muodostuu eristävästä materiaalista, niin nämä voivat sisältää ulomman johtavan kerroksen tai ulomman johtavan rakenneosan kautta lisäelektrodin, jolloin voima-anturin yhden tai molemman sivun suojaus tulee 5 mahdolliseksi. Tämä voidaan saavuttaa esimerkiksi siten, että nämä elektrodit laitetaan maapotentiaaliin. Sellaisen voima-anturin sovellutusesimerkki on esitetty kuv. 11. Kuv. 11 esitetyssä voima-anturissa on runko 1 muodostettu useampikerroksiseksi. Kuv. 11 esitetty rungon 1 alempi puolisko 10 20 on johtava, kun taas ylempi puolisko 21 muodostuu ei-joh- tavasta materiaalista. Johtava alempi puolisko 20 on yhdistetty suojajohdon 21 kanssa, joka on yhteydessä maapotentiaaliin. Rungon 1 ei-johtava ylempi puolisko 21 on päällystetty runkokapasitanssielektrodikerroksella 3, joka on 15 yhteydessä anturiliitäntäjohtoon 3. Toinen anturiliitäntä-johto 11 on liitetty kansikapasitanssielektrodikerrokseen 9, joka on ei-johtavan kannen 8 sisäpuolella 2. Kuten kuv. 11 havaitaan, on kannen yläpuolella suojaelektrodikerros, joka tällöin voidaan yhdistää suojajohdolla 22 maapotentiaaliin.

20

Kuv. 12 esittää sovellutusesimerkkiä, jossa kansi 8 on johtava ja suojaelektrodikerroksen 23 ja kannen 8 välillä on eristekerros 24. Koska kansi vaikuttaa kapasitanssielekt-rodina, on se välittömästi liitetty anturiliitäntäjohtoon v 25 11. Erotin 7 koostuu kuv. 12 esitetyssä sovellutusesimerkis sä ei-johtavasta materiaalista, kun taas rungon 1 ylempi puolisko 21 koostuu johtavasta piistä, joka on erotettu sähköisesti Pyrex-kerroksella 25 piistä koostuvan rungon 1 alemmasta puoliskosta 20. Alemman puoliskon 20 ja ylemmän • · 30 puoliskon 21 Mekaaninen kytkentä tapahtuu anodisella sidok- • · *·;·’ sella. Suojaelektrodirunkona toimiva alempi puolisko 20 on *:* kytkettävissä suojajohdon 22 kautta maapotentiaaliin.

Kuv. 13 - 16 havainnollistavat kapasitiivisen voima-anturin 35 sovellutusesimerkkiä, jonka kansi 8 ja jonka runko 1 muodostuu johtavasta materiaalista, varsinkin piistä. On ymmärrettävä, että sähköisesti johtavasta materiaalista oleva runko „ 102567 1 tai kansi 8 voidaan hyödyntää suojaelektrodirunkona. Kapasitanssielektrodikerros 3 tai 9 on silloin erotetusti tuotu johtavasta rungosta 1 tai kannesta 8. Tällä perusteella on runkoon 1 ja kanteen 8 tuotu rakennellut eristysker-5 rokset 26, 27. Eristekerrosten 26 ja 27 rakennelmien ja kapasitanssielektrodikerrosten 3 ja 9 rakennelmien mitat on valittu siten, että niiden ja johtavan, leikkaukseltaan trapetsinmuotoisen erottimen 7, joka on valmistettu syövyttämällä syvennyksiä runkoon, välillä on riittävä etäisyys.

10

Johtavasta piistä olevat erottimet 7 on yhdistetty sähköisesti johtavan liitäntäkerroksen 14 kautta mekaanisesti ja sähköisesti kannen 8 alapuoleen 2.

15 Kapasitanssielektrodikerrokset 3 ja 9 koostuvat edullisesti metallikerroksesta tai sähköisesti johtavasta monikiteisestä piikerroksesta, joka on varustettu erottimien 7 alueella syvennyksillä. Eristekerrokset 26 ja 27 on valmistettu termisesti kasvaneella piioksidilla. Sähköisesti johtava 20 liitäntäkerros 14 muodostuu edullisesti pii-eutektikumista, esimerkiksi kulta-pii- tai alumiini-pii-eutektikumista. Sellaisessa muodossa on runko 1 ja kannen 8 muodostava piirunko sekä mekaanisesti että myös sähköisesti liitetty toisiinsa, niin että voidaan estää molempien piirunkojen ' 25 kosketus. Kuv. 14 havaitaan, että suojajohto 22 on liitetty ohmisesti runkoon 1. Kun kuv. 13 esittää pituusleikkausta anturiliitäntäjohtojen 5 ja 11 alueella, esittää kuv. 14 • · · : pituusleikkausta voima-anturin läpi suojajohdon 22 alueella.

;·. Kuv. 15 esittää päällikuvaa kannen 8 sisäpuolelle 2, kun • · · .···. 30 taas kuv. 16 esittää leikkausnäkymää rungosta 1.

• ·

Ominainen mekaaninen kytkentä rungon 1 ja kannen välillä saadaan myös, jossa liitäntäpaikat on varustettu piioksidilla ja on liitetty paineen ja lämpötilan avulla. Sellaisessa 35 tapauksessa ovat kuitenkin sekä runko 1 että myös kansi 8 yhdistettävissä suojajohtoon 22 tai ne ovat toisella tavalla, esimerkiksi bumpseilla tai ulkopuolisesta 102567 14 sähköisesti toisiinsa liitettävissä, mitä ei piirroksessa ole esitetty. Toinen mahdollisuus, joka yhdistää kuv. 13 ja 14 mukaiset voima-anturien piirungot mekaanisesti toisiinsa, käyttää piin suorasidosta.

5

Rungon 1 ja kannen 8 ulkopuolet voi poiketen kuv. 13 ja 14 esityksestä olla varustettu kovalla suojakerroksella.

Voima-anturin toinen sovellutusesimerkki on esitetty kuv. 10 17, 18 ja 19. Näissä kuvioissa esitetty voima-anturi muodos taa absoluuttisen voima- tai paineanturin. Tämän kuv. 17 pituusleikkauksessa esitetyn voima-anturin runko 1 ja kansi 8 muodostuvat edullisesti piistä. Erottimilla 7 on kuv. 17 tunnistettava trapetsinmuotoinen poikkileikkaus ja ne on 15 muodostettu rungosta 1 syvennyssyövytyksellä. Ei-johtava erottimen 7 liitäntä piistä kannen 8 kanssa tapahtuu sähköisesti eristävällä liitäntäkerroksella 14.

Kuten kuv. 18 ja 19 havaitaan, ovat useimmat erottimista 7 20 poikkileikkaukseltaan neliömäisiä. Kuv. 17 aivan vasemmalla ja aivan oikealla olevilla erottimilla 7' on kuitenkin kuv. 18 ja 19 tunnistettava neliömäisen kehyksen muoto, joka antaa mahdollisuuden sulkea voima-anturi hermeettisesti, ; ’ jotta voidaan suorittaa absoluuttinen voiman tai paineen : 25 mittaus. Koska päällikuvana kehyksen muotoisen erottimen 7' muodon kautta ei ole käytössä mitään avointa kanavaa ulos « · : : : välitilasta erottimien 7 välillä, ovat kuv. 17 - 19 esite- • · tyssä sovellutusesimerkissä rungon 1 ja kannen 8 piikiekois- ..* sa seostettuja alueita 30 ja 31. Seostettu alue 30 muodostaa • · • · · 30 rungossa 1 vasten piiperusmateriaalia eristävän P-N-sillan, « * ’·;·* joka on eristävä vastaavalla esto jännitteellä. Vastaava *:* pätee seostetulle alueelle 31 kannessa 8, joka ulottuu ·;·: tasomaisesti pitkin kannen 8 sisäpuolen 2 osaa, kun taas rungon 1 seostettu alue 30, kuten kuv. 17 ja 19 on havaitta-35 vissa, ulottuu kaistaleen muotoisesti siltana päällikuvana kehyksenmuotoisesta erottimesta 7'.

15 102567

Runkokapasitanssielektrodikerros 3 on tuotu rungosta 1 eristekerroksen 26 ja kansikapasitanssielektrodikerros 9 eristekerroksen 27 kautta eristetysti piimateriaaliin. Eristekerroksilla 26 ja 27 on kuitenkin ikkunat 32, 33, 34 5 ja 35, joiden kautta kapasitanssielektrodikerrokset 3 ja 9 ovat sähköisessä yhteydessä seostettuihin alueisiin 30 ja 31. Tällä tavoin on seostetut alueet 30 ja 31, runkoka-pasitanssielektrodikerros 3 ja kansikapasitanssielektrodi-kerros 9 kulloinkin mahdollista yhdistää sähköisesti anturi-10 liitäntäjohtoihin 5 ja 11. Seostetut alueet 30 ja 31 toimivat siten siinä, että kapasitanssielektrodit voima-anturin sisällä johdetaan ulos ulomman, suljetun erottimen 7' kautta, jossa se voi olla yhteydessä anturiliitäntäjohtoihin 5 ja 11.

15

Kuv. 20 ja 21 esittävät sovellutusesimerkkiä aika yksinkertaisesta voima-anturista, joka mukautuu siihen, jossa voima-anturin kapasitassielektrodit asetetaan suojapotentiaa-liin. Kuv. 20 ja 21 esittävät pituusleikkausta sellaisen 20 anturin läpi, jonka runko 1 päällikuvana vastaa esitystä . . kuv. 16. Kuv. 20 ja 21 esitetyn voima-anturin runko 1 ja kansi 8 muodostuu edullisesti piistä. Kansi 8 toimii samalla ; samanaikaisesti kapasitanssielektrodina ja suojaelektrodina ·’ ' ja on sekä mekaanisesti että myös sähköisesti johtavan v ' 25 liitäntäkerroksen 14 kautta liitetty rungon 1 piimateriaa liin. Liitäntäkerros 14 koostuu edullisesti kulta-pii-eutek- • · tikumista tai alumiini-pii-eutektikumista. Runkokapasitans-:T: sielektrodikerros 3 on eristetty sähköisesti eristekerroksen 26 kautta alustastaan. Kuv. 20 tunnistettava anturiliitäntä- • · • · · 30 johto 5 esittää sähköisen kontaktin tähän ensimmäiseen « · kapasitanssielektrodiin. Toinen kapasitanssielektrodi muo-dostetaan kannen 8 ja rungon 1 piimateriaalin kautta, joka ·:··: on kytketty suoja- ja anturijohdon 40 kautta.

35 Tässä voima-anturissa mitattu kapasitanssi muodostuu eristetysti tuodun runkokapasitanssielektrodikerroksen 3 kannen 8 toisaalta, joka on voimalle tai paineelle herkältä osalta 102567 16 kannalta muutettavissa, ja kapasitanssin voimalle tai paineelle ei-herkän kapasitanssin osan välille, joka dielektri-syys muodostetaan eristekerroksen 26 kautta eikä välitilan kautta kannen 8 ja runkokapasitanssielektrodikerroksen 3 5 välillä.

Kuv. 22 - 25 esittävät samanlaisen yksinkertaisen voima-an-turirakenteen absoluuttiselle voima- tai painemittaukselle. Rakenteen yksityiskohdat ilmenevat kuv. 22 - 25, jotka 10 esittävät joukkoa jo edellä kuvatuista tunnusmerkeistä. Pohjamateriaalina rungolle 1 ja kannelle 8 on jälleen käytetty edullisesti piitä. Sisällä olevan alueen erottimet 7 ovat kehyksen muotoisen erottimen 7' sisätilan sulkemista varten ympäröimiä.

15

Kansi 8 muodostaa yhden molemmista kapasitanssielektrodiker-roksista. Runkokapasitanssielektrodikerros 3 on tuotu runkoon 1 eristekerroksen 26 kautta sähköisesti eristetysti, joka ikkunoiden 32 ja 33 kautta määrää, mikä runkoka-20 pasitanssielektrodikerroksen 3 kytkentä seostetun alueen 30 kanssa käy, mikä, kuten kuv. 22, 23 ja 25 on havaittavissa, käsittää kehyksenmuotoisen erottimen 7’ samoin kuin reuna-kaistaleet 41 ja 42. Sellaisen rakenteen avulla on mahdollista kytkeä anturiliitäntäjohto 5 ikkunan 33, seostetun . : 25 alueen 30, joka P-N-sillan perusteella rungon piimateriaa- liin on eristetty tästä sähköisesti, ja ikkunan 32 kautta *.V: runkokapasitanssielektrodikerrokseen 3.

• · · • · · • · · »

Kannen seostettu alue 31 on havaittavissa kuv. 22 - 24.

• · 30 Sillä on päällikuvana neliömäisen kehyksen muoto, joka • · *···’ nousee erottimen 7' sisään. Tällä tavoin on varmistettu, *:* että seostettu alue 30 huolimatta johtavasta liitäntäkerrok- ;··· sesta 14, jonka kautta runko 1 ja kansi 8 on liitetty me kaanisesti ja sähköisesti keskenään, on sähköisesti suojana 35 toimivaan kanteen 8 eristetty. Kansi 8 ja runko 1 on kytketty suoja- ja anturijohdon 40 kautta. Johtava liitäntäkerros 102567 17 14 koostuu edullisesti jälleen yksi edellä mainituista eutrektikoista.

Kuvatulla voima-anturilla on harvinaisen yksinkertainen 5 rakenne, koska ulomman erottimen 7' liitäntäpinnat ovat täysin seostetun alueen sisällä, jotka muodostavat piiperus-materiaaliin eristävän P-N-sillan. Kiitos seostettujen alueiden 30, 31 on mahdollista runkokapasitanssielektrodi- kerros 3 johtaa sisältä suljetun erottimen 7' kautta sähköi-10 sesti ulos, ja kytkeä siellä anturijohtoon 5. Kuten yllä on kuvattu käsittävät seostetut alueet 30 ja 31 molemmissa piikiekoissa suljetun erottimen 7' koko liitäntäpinnan, jotta vältetään sähköinen oikosulku seostetun alueen (ka-pasitanssielektrodi) ja piiperusmateriaalin (suojaelektrodi) 15 välillä johtavan liitäntäkerroksen 14 kautta. Piiperusmateriaalin sähköinen liitäntä suojaelektrodina onnistuu sisällä olevien erottimien 7 ja johtavan liitäntäkerroksen 14 avulla.

• · • · · • · · • · • · · • « · « ♦ · • · • · ··· • · • · ··♦ ♦ ·· t · « ·

Claims (5)

18 102567 PÄTENTTIVAATIMUKSET

1. Kapasitiivinen voima-anturi, jossa on toisen kapasitanssielektrodin käsittävä runko (1) ja toisen 5 kapasitanssielektrodin käsittävä kansi (8) sekä ne välimatkan päässä toisistaan pitävä välimatkaerotin (7), tunnettu siitä, että rungon (1) ja kannen (8) materi-aalivahvuus on riittävä vahva pitämään voima-anturin kuormituksissa etäisyyden pienenemisen kapasitanssi- 10 elektrodien (2, 3, 9) välillä ilman erottimien (7, 7') välille muodostettujen materiaalisiltojen taipumista ainakin yhden niistä materiaaleista puristumisen johdosta, joista runko (1) ja/tai kansi (8) on valmistettu.

2. Vaatimuksen 1 mukainen kapasitiivinen voima-anturi, tunnettu siitä, että rungon (1) ja kannen (8) materiaalivah-vuus on suurempi kuin erottimien (7, 7') sivuttainen etäi syys .

3. Vaatimuksen 1 tai 2 mukainen kapasitiivinen voima-anturi, tunnettu siitä, että erottimet (7) ovat poikkileikkaukseltaan neliömäisiä, muotoaan muuttamattomia syvennyksiä, joiden korkeus vastaa suunnilleen sivuttaisia etäisyyksiä. * 25 4. Vaatimuksen 1 tai 2 mukainen kapasitiivinen voima-anturi, tunnettu siitä, että erottimet (7) on muodostettu listoiksi, • · ;.V jotka ulottuvat U-muotoisesti pitkin rungon (1) yläpintaa 0': (2) · « • · • · • · ·

5. Vaatimuksen 1 tai 2 mukainen voima-anturi, tunnettu • · • · Ί* siitä, että erottimet (7) on muodostettu listoiksi, jotka ..*·* ulottuvat pitkin ympyrän kaaren osia. 19 102567