FI69211C - Kapacitiv styckgivare - Google Patents

Description

6921 1

Kapasitiivinen paineanturi Tämän keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdannon mukainen kapasitiivinen paineanturi.

Tekniikan tason osalta viitattakoon aluksi seuraaviin jul-kaisuhin: [1] US-patenttijulkaisu M,386,543 (Giachino et ai.).

C2] m 4,257,274 (Shimada et ai.) [3] »* 4,332,000 (Petersen) [4] „ 4,390,925 (Freud) [53 »t 3,397,278 (Pomerantz)

[6] K.E. Bean: Anisotropic Etching of Silicon. IEEE

Transactions on Electron Devices, vol. ED-25 (1978)

No. 10, pp. 1185-93.

Miniatyrisoituja kapasitiivisia paineantureita voi tunnetusti valmistaa piistä ja lasista (viitteet [1]...[4]). Tunnetut rakenteet perustuvat piin kuviointiin mikrolitografiän avulla, sen työstämiseen syövyttämällä ja lasiosien liittämiseen sähkästaattisella menetelmällä (viite [5]).

Useimmiten antureissa on käytetty vähän alkalimetalleja sisältäviä barosilikaattilaseja (esim. Corning Glass, tyyppi 7740, "Pyrex"). Se sopii tähän tarkoitukseen, sillä alkali-metalli-ionit ovat edellytyksenä sähköstaattisen liitoksen synnylle ja sen lämpölaajenemiskerroin on varsin lähellä piin vastaavaa kerrointa. Huoneen lämpötilassa lasin kerroin on 3,25 ppm/°C ja piin kerroin 2,5 ppm/°C. Suurissa lämpötiloissa piin lämpölaajeneminen kasvaa epälineaarisesti ja ohittaa lasin vastaavan kertoimen. Lämpölaajenemiskertoi-mien ero on tärkein paineanturin lämpötilakäyttäytymiseen vaikuttava tekijä.

Kuviossa 1 on esitetty kaavamaisesti lämpötilariippuvuuden synty. Lasilevyyn 1 on liitetty piikappale 2, jossa on ohut, 2 69211 paineelle herkkä osa 3· Paine-ero taivuttaa kalvoa 3 ja muuttaa sen ja lasilevyllä 1 olevan kiinteän kondensaattori-levyn 4 etäisyyttä ja niiden välistä kapasitanssia. Jos nyt lämpötilaa nostetaan ja paine-ero pidetään ennallaan, kohdistuu kalvoon 3 vaakatasossa lämpölaajenemiserosta syntyvä vetovoima. Tämä voima pyrkii pienentämään paineen aiheuttamaa taipumaa. Jos taipuman paineherkkyys ilman vetojännitystä on S0, on se jännityksen kanssa

S

1+K(a/h)2 ε ’ missä a on neliömäisen kalvon sivun tai pyöreän kalvon halkaisija, h on kalvon paksuus, e on venymä ja kerroin K on 0,27 neliömäiselle ja 0,2 pyöreälle kalvolle.

Jos venymä on lämpötilan funktio, on herkkyyden lämpötila-kerroin 1 9S K(a/h)2( 3e/3T) S 3 T 1 + K(a/h)2e Tässä tarkastelussa ei ole otettu huomioon kimmokertoimien lämpötilariippuvuuksi , sillä piillä ne ovat pieniä.

Tämän keksinnön tarkoituksena on saada aikaan paineanturi, jossa lämpölaajenemiskertoimen vaikutus on voitu eliminoida.

Keksintö perustuu seuraaviin ajatuksiin: - Paineanturirakenteessa on kaksi lasiosaa ja niiden välissä elastinen piikalvo.

- Piikalvo sijaitsee lähellä toista lasiosaa ja lasiosan pinnalla olevaa metallikalvosta muodostuvaa toista kondensaattori levyä.

- Piikalvo ei kuitenkaan ole reunoistaan välittömästi mainitun lasiosan kanssa mekaanisessa yhteydessä, vaan sijaitsee kartion, lieriön tms. muotoisen piitä olevan putkirakenteen päässä.

3 6921 1 - Putken toinen pää on kiinni toisessa lasiosassa.

- Lasiosat yhdistää ja niiden etäisyyden määrää piitä oleva tukikappale.

- Piistä valmistetut tukikappale, putki ja elastinen kalvo on valmistettu samasta piikappaleesta, jotta voitaisiin saada kyllin hyvä mittatarkkuus paineherkän kondensaattorin ilmaraolle.

Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle paineanturira-kenteelle on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

Rakenteen tärkeimpänä etuna voidaan pitää sitä, että se estää piin ja lasin erilaisesta lämpölaajenemisesta syntyvän jännitystilan vaikutuksen paineelle herkän piikalvon ominaisuuksiin.

Keksintöä ryhdytään seuraavassa lähemmin tarkastelemaan pii-rustuskuvioiden 2-4 esittämän suoritusesimerkin avulla.

Kuvio 2 esittää osittain kaaviollisesti yhden keksinnön mukaisen anturin sivuleikkauskuvantoa.

Kuvio 3 esittää kuvion 2 mukaista anturia tasoja A-A ja B-B myöten leikattuna ja alhaalta katsottuna.

Kuvio 4 esittää normalisoidun käyrästön avulla muodonmuutoksen välittymisen kartiomaisen putken päiden välillä.

Jos lämpölaajenemiseron ei haluta vaikuttavan anturin herkkyyteen, on anturin kalvo eristettävä niin, ettei siihen synny venyttävää voimaa. Kuviot 2 ja 3 esittävät paineantu-rirakennetta, jossa kalvoon vaikuttavat vaakatasossa olevat voimat on eliminoitu.

Piilevyä on työstetty tunnetuilla menetelmillä (viite [6]) niin, että sen toiselle puolelle muodostuu allas 6. Toiselle puolelle on työstetty syvennys 7. Paineherkkä kalvo 8 muo- 24 6921 1 dostuu syvennysten 6 ja 7 pohjien väliin. Kalvoa 8 (ja syvennystä 7) ympäröi sulkeutuva V-mallinen ura 10. Uran 10 ja altaan 6 välinen seinämä muodostaa kartiomaisen putken 11, jonka toinen pää on kiinni piilevyssä 5 ja toisen pään sulkee paineherkkä kalvo 8. Allas 6 on peitetty lasilevyllä 12, joka on liitetty hermeettisesti piilevyyn 5 tyhjössä niin, että allas 6 muodostaa aneroidikapselin. Vaihtoehtoisesti voi lasilevyssä 12 olla reikä, jonka avulla kammioon 6 johdetaan vertailupaine. Piilevyn 5 toiseen pintaan on liitetty lasilevy 13, joka kannattaa ohuesta metallikalvosta muodostettua kiinteää kondensaattorilevyä 14.

Kun lämpötilaa kohotetaan, syntyy piilevyn 5 pintoihin veto-jännitys vaakatasossa. Jännitys aiheuttaa muodonmuutoksen kartiomaisen putken 11 lasilevyn 12 puoleiseen päähän. Jos putki 11 on sopivasti mitoitettu, ei muodonmuutos oleellisesti välity tai välittyy pienetyneenä putken päähän, jossa paineherkkä kalvo 8 sijaitsee. Näin lämpötilan vaikutus kalvon 8 vetojännitykseen häviää tai pienenee.

Kuviossa 4 on aiemmin mainitun mukaisesti esitetty normalisoidun käyrästön avulla muodonmuutoksen välittyminen kartiomaisen putken päiden välillä. Vaaka-akseli kuvaa putken 11 pituusakselia. Putken 11 päiden välinen etäisyys on normalisoitu yksikön suuruiseksi. Pystyakseli kuvaa putken muodonmuutosta, kun alkupään muodonmuutos on yksikön suuruinen, käyrä 15 kuvaa melko lyhyttä putkea, käyrä 16 pitempää ja käyrä 17 vielä pitempää putkea. Lyhyellä putkella akselia vastaan kohtisuora muodonmuutos on pienetynyt. Sopivan pituisella putkella se pienenee nollaan, mutta päätyyn syntyy vääntöä; muodonmuutoksen derivaatta on nollasta poikkeava. Kyllin pitkällä putkella sekä muodonmuutos että sen derivaatta lähestyvät nollaa. Putken toinen pää on silloin täysin eristetty toisessa päässä tapahtuvista muodonmuutoksista.

li

Claims (3)

6921 1

1. Kapasitiivinen paineanturi, joka käsittää - levymäisen alustan (13), - alustan (13) päälle sovitetun kiinteän kondensaat-torilevyn (Hl), - alustan (13) yhteyteen sovitetun aneroidikapselin (6), jolla on alustaa (13) kohti osoittava ja paineen vaikutuksesta kiinteään kondensaattorilevyyn (14) mitattua etäisyyttään muuttava alue (8), johon liittyy liikkuva kondensaattorilevy, ja - levymäisen alustan (13) päälle sovitetun piile-vyn (5), johon on työstetty kalvomainen keskiosa (8), joka toimii liikkuvana kondensaattorilevynä ja joka on reunastaan yhdistetty piilevyn (5) reunaosaan alustasta (13) katsottuna ulospäin ulottuvalla, suhteellisen ohutseinäisellä kaulusta! putkirakenteella (11), jolloin keskiosa (8) ja kaulus- tai putkirakenne (11) ovat samaa kappaletta piilevyn (5) reunaosan kanssa, tunnettu siitä, että - piilevyn (5) päälle on hermeettisesti suljettu so-pivimmin levymäinen kansirakenne (12) niin, että kansirakenteen (12) ja piilevyn (5) väliin mainitun keskiosan (8) kohdalle jää aneroidikapselin allastila (6), ja - piilevyn (5) reunaosan ja kaulus- tai putkiraken-teen (11) erottaa toisistaan poikkileikkaukseltaan ainakin likimain V:n muotoinen, allastilaa (6) ympäröivä ura (10).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen anturi, tunnettu siitä, että levymäinen alusta (13) ja kansirakenne (12) ovat lasista valmistetut.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen anturi, tunnettu siitä, että allastilan (6) syvyys on ainakin 30 % allastilan (6) pohjan läpimitasta.