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TECHNISCHES
GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft Druck-Messwandler
oder -Sensoren zur Messung von Drücken, die durch verschiedenartige
Fluida übertragen
werden, bei denen es sich um Gase und Flüssigkeiten handeln kann, und
Verfahren zum Herstellen derartiger Druck-Messwandler oder -Sensoren.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG UND STAND DER TECHNIK
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Sensorelemente für Drucksensoren auf Keramik-Basis,
die als Dehnungs- oder Spannungssensoren oder kapazitive Sensoren
ausgebildet sind, können
herkömmlicherweise
verschiedene Keramikmaterialien aufweisen. Oft wird Keramik auf
der Basis von Aluminiumoxid verwendet; es wird jedoch auch Glaskeramik
verwendet. Bei der Verwendung derartiger Sensoren treten Probleme
auf, von denen einige im folgenden anhand von 1 und 2a–2d erläutert werden.
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Die Schnittansicht gemäß 1 zeigt ein herkömmliches
kapazitives Sensorelement 1 auf Keramik-Basis, z.B. auf
Glaskeramik-Basis. Das Sensorelement weist ein dickes Gehäuseteil 1 in
Form einer Platte 3 auf, die an einer Seite an ihrem Umfang
mit einem ringförmigen
Vorsprung oder einer ringförmigen
Plattform 5 versehen ist. An dem ringförmigen Vorsprung ist eine dünne Platte 7,
d. h. eine Druckmembran, befestigt, die somit eine beträchtlich
kleinere Dicke als das Gehäuseteil 3 hat.
Das Gehäuseteil 1 und
die Membran 7 tragen an ihrer inneren, einander gegenüberliegenden
Flächen
an ihren zentralen Bereichen elektrisch leitende Bereiche 9 und 11, die
jeweils als dünne
Schichten ausgebildet sind, welche normalerweise die gleiche Konfiguration
haben und mit kleinem gegenseitigen Abstand einander gegenüber angeordnet
sind. Wenn der Abstand zwischen den einander gegenüberliegenden
Flächen der
beiden leitenden Bereiche in dem durch sie gebildeten Kondensator
verändert
wird, hat der Kondensator eine variierende Kapazität, die mittels
geeigneter elektronischer Schaltungen problemlos detektiert werden
kann. Bei einem optimal ausgebildeten Sensorelement sollte dann
die Kapazität
oder eine in einfacher Weise aus ihr abgeleitete Funktion, z. B.
der Inversionswert der Kapazität,
eine lineare Funktion z. B. des Abstandes der Platten in dem gebildeten
Kondensator sein. Das Sensorelement kann dann zur Druckmessung verwendet
werden, und dann sollte auf die entsprechende Weise die elektronisch
detektierte Kapazität
oder eine andere auf einfache Art abgeleitete Quantität dem auf
die Membran einwirkenden Druck proportional sein. Es sind jedoch
stets Abweichungen von dem Linearverhalten vorhanden, die im folgenden
noch beschrieben werden.
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Die Grundbedingung, dass eine lineare Funktion
existiert oder existieren sollte, basiert auf der Theorie der Kapazität zwischen
zwei flachen elektrisch leitenden Platten, die parallel zueinander angeordnet
sind. Bei dem Drucksensor gemäß 1 jedoch haben die bewegbare
Membran 7 und somit die Elektrodenplatte oder der Elektrodenbereich 11, die
bzw. der auf der Membran angeordnet sind, ein gekrümmtes Profil,
wenn die Membran einem Außendruck
ausgesetzt ist, der von dem Druck abweicht, welcher auf die zwischen
dem Gehäuse 3 und
der Membran 7 ausgebildete Kammer einwirkt. Die Elektroden 9, 11 in
dem gebildeten Plattenkondensator sind somit nicht flach und verlaufen
nicht parallel zueinander. Dieser Verformungseffekt kann numerisch
berechnet werden und hat bei dem vollständigen oder fertigen Drucksensor,
bei dem das Sensorelement in einem Gehäuse befestigt ist, generell
nur geringe Bedeutung. Bei Bedarf kann jedoch dieser Effekt auf
elektronische Weise kompensiert werden.
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Eine weitere Grundvoraussetzung zur
Erfüllung
der Vorbedingung einer linearen Abhängigkeit zwischen einem Ausgangssignal
und dem auf die Membran einwirkenden Druck besteht darin, dass sich
die Größe der Abweichung
oder Deflektion der Membran proportional zu der aufgebrachten Druckkraft
verhält.
Dies gilt für
kleine Abweichungen von der ausgewogenen Position der Membran, bei
der die Ausgleichs- oder Ruheposition derjenige Zustand der Membran
sein kann, der bei gleichgroßen
Drücken
auf beiden Seiten der Membran herrscht. Bei größeren Deflektionen aus der
Ruheposition jedoch folgt die Deflektion der Druckkraft nicht proportional, sondern
ist kleiner, als sie im Idealfall der Proportionalität wäre. Die
Deflektion der Membran kann auf verschiedene Arten berechnet werden;
beispielsweise kann sie approximativ anhand einer Theorie wie etwa
der "Großdeflektionstherorie
(Large Deflection Theory) LDT" berechnet
werden. Dieser nonlineare Effekt kann beseitigt werden durch ein
korrektes Dimensionieren der Membran für beschränkte Druckbereiche und durch
eine gute Auflösung
der elektronischen Schaltung, die die elektrische Quantität detektiert,
welche ein Maß für den Druck
ist. Praktischerweise tritt dieser Effekt besonders bei sehr dünnen Membranen
auf, da dicke Membranen – wobei die
Dicke der Membran in Relation zu der Höhe der Deflektion gesehen wird – brechen,
bevor sie den nonlinearen Deflektionsbereich erreichen.
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Der dominierende Grund für Abweichungen von
einem nichtlinearen Verhalten kapazitiver Sensorelemente im Sinne
der obigen Erläuterungen
liegt jedoch in verschiedenen Arten von Streukapazitäten. Es
existieren sowohl Randeffekte an den Rändern der Kondensatorplatten
als auch Kapazitäten
in Relation zu anderen elektrisch leitenden Flächen und Bereichen an den Kondensatorelektroden.
Diese Effekte verursachen somit Abweichungen von dem linearen Verhalten.
eines Ausgangssignals des Sensorelements, die außerhalb dessen liegen, was
der Benutzer von Präzisions-Drucksensoren
generell akzeptieren kann. Der Einfluss der verschiedenen Streukapazitäten ist
kompliziert und lässt
sich beschreiben in Form von Kombinationen (z. B. Summen) von Funktionen
unterschiedlicher Art, in Form einer konstanten Funktion, einer
linearen Funktion und verschiedener Arten nichtlinearer Funktionen,
z. B. exponentialer Funktionen.
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Der Einfluss von Streukapazitäten kann
unterteilt werden in die Aspekte, dass sie den Maximalwert der Abweichung
von einem linearen Verhalten beeinträchtigen, und dass sie eine
Abweichungskurve beeinträchtigen,
die unterschiedliche Profile über den
Messbereich des Sensors hat. In dem Diagramm gemäß 2a, 2b, 2c und 2d sind unterschiedliche Formen von Abweichungen
von dem linearen Verhalten gezeigt. Die Abweichung ist gezeigt als
Funktion des aufgebrachten Drucks zwischen dem Wert 0 (der der Ruheposition
entspricht) und dem durch FS (= volle Skala) bezeichneten Wert,
der den oberen Grenzwert des Messbereiches angibt. Bei einem digital
arbeitenden Prozessor ist es natürlich
möglich, diese
verschiedenen Abweichungen zu kompensieren; bei einfacheren elektronischen
Komponenten eines robusteren Typs können jedoch Schwierigkeiten in
den Kompensationsvorgängen
auftreten.
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Das gewünschte Kompensationssignal,
das der Abweichung von einem linearen Verhalten des Ausgangssignal übergelegt
werden soll, lässt
sich beschreiben als Polynom der Abweichung von der normalen Position
des Eingangssignals, z. B. des Drucks. Bei einfacheren elektronischen
Schaltungen können
in dem Kompensationssignal Terme bis zu dem quadratischen Term und
einschließlich
desselben erreicht werden. Schwieriger ist die Verwendung von Funktionen
mit höheren
Graden, wenn elektronische Komponenten vom Standard-Typ benutzt
werden. Bei einer derartigen linearen Kompensation, die höchstens
quadratische Terme aufweist, wird eine signifikante Erleichterung
erzielt, wenn die Abweichungskurve symmetrisch ist; siehe 2a. Die Maximalgröße der Abweichung
kann durch Angleichung von Konstanten in der Kompensationsfunktion
eingestellt werden. Generell jedoch gilt, dass ein großer Wert
der maximalen Abweichung auch zu einer vergrößerten Asymmetrie der Kurve
führt,
wobei bei einer guten Kompensation, auch falls die Abweichung vom
Linearverhalten gemäß 2a symmetrisch ist, eine
Abweichung mit einer S-Form in dem kompensierten Ausgangssignal
entsteht; vgl. 2d.
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Dieser Effekt ist jedoch meistens
von eher theoretischer Natur und ist für den Benutzer eines Drucksensors
generell nicht beobachtbar.
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Die Größe und die Form der Kurve der
Abweichung des Ausgangssignals von einer linearen Abhängigkeit
des Eingangssignals kann durch verschiedenartige Ausgestaltungen
des Sensorelements beeinflusst werden. Ein konventioneller Ansatz
besteht darin, auf das Sensorgehäuseteil
und das Membranteil eine elektronisch leitende Schicht aufzutragen,
die an deren Außenseiten
angeordnet wird, d. h. eine Abschirmschicht, die mit der Erde verbunden
ist. Bei der Materialschicht kann es sich um Gold, Platin, Silber,
eine Legierung aus Silber und Platin, Titannitrid, Zinnindiumoxid
etc. handeln. Bei dem im Patent US-A-4,935,841 beschriebenen Drucksensor
ist die äußere, normalerweise
flache Oberfläche
des plattenförmigen
Gehäuseteils
mit einer zentral angeordneten Vertiefung versehen, die eine Bodenfläche aufweist,
welche in einem kleinen Abstand von dieser Elektrode in dem Mess-Sensor angeordnet
ist, der an der Innenseite des Gehäuseteils beschichtet ist. Die äußere, geerdete
leitende Schicht ist auch in dieser Vertiefung beschichtet und macht
die elektrischen Bedingungen um die Kondensatorelektrode des Gehäuseteils
gleichförmiger.
Dadurch wird eine Abweichung des Ausgangssignals von einem Linearverhalten
sowohl hinsichtlich der Größe als auch
der Form erzielt.
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Wenn eine derartige zentral angeordnete Vertiefung
in dem Gehäuseteil
vorgesehen ist, erhält das
Sensorelement jedoch eine reduzierte Stärke, und der Bereich am Boden
der Vertiefung kann sogar eine zweite flexible Membran bilden, die
ihrerseits ebenfalls von den Außendruckveränderungen
beeinflusst wird, z. B. bei einer Anbringung des Sensorelements,
bei der die Last des zu messenden Drucks nur an einer einzigen Seite
auftritt, d. h. derart, dass der Druck nur auf die Messmembran einwirkt,
wobei diese zweite Membran durch Druckveränderungen in der Umgebung,
d. h. der Atmosphäre,
beeinflusst wird. Die Bewegung dieser zweiten Membran verursacht
dann Inkorrektheiten in der Funktion des Sensorelements. Inkorrekte
Funktionen können
natürlich auch
aufgrund der Tatsache auftreten, dass an dem Verbindungs- oder Übertra gungsbereich
zwischen den unterschiedlich dicken Bereichen des Gehäuseteils
Risse auftreten.
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Die Empfindlichkeit gegenüber Veränderungen
des Außenatmosphäredrucks
ist unter normalen Bedingungen klein und verteilt sich über einen
weiten Zeitraum. Normalerweise ist sie von einem Benutzer nicht
zu beobachten. Bei extrem niedrigen Außendrücken, die in Verbindung mit
sehr schlechtem Wetter auftreten können, kann ein direkter Einfluss
auf das Sensorelement verursacht werden. Der mechanische Schwächungseffekt
der Vertiefung lässt
sich weitgehend beseitigen, indem die Vertiefung mit einem Stopfen
in Form einer kleinen zylindrischen Platte gefüllt wird, die in der Vertiefung
mittels eines geeigneten Verbindungsmaterials befestigt wird, bei dem
es sich im Fall von Glaskeramik um eine Paste handelt, die fein
zerteiltes Glas enthält.
Dadurch wird das Gehäuseteil
des Sensorelements mechanisch stabilisiert. Ein derartiges Sensorelement
verlangt jedoch einen komplizierten Herstellungsvorgang und zeigt
immer noch Anzeichen von Rissen an der Vertiefung.
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Ein kapazitives Sensorelement ist
in der Deutschen Patentanmeldung DE-A 1 41 36 995 (Offenlegungsschrift)
beschrieben. Bei der Ausführungsform
gemäß 5 ist die Innenfläche der
Membran 4, deren Bewegungen detektiert werden, mittels Dünnfilmverfahren
mit einer elektrisch leitenden Abschirmschicht 9 beschichtet.
Auf die Innenfläche
dieser Schicht wird dann eine dünne
dielektrische Schicht 109 aufgetragen, die als Träger oder
Halterung der Membran-Elektroden 7,7' funktioniert.
Das bewegliche Teil wird hier von einer ziemlich komplizierten Schichtstruktur
gebildet, die dann, wenn die Temperatur schwankt, unterschiedliche
Eigenschaften hinsichtlich der Elastizität und somit gegenüber Bewegungen
zeigt, mit der Folge, dass die detektierte Größe einer Abhängigkeit
von der Temperatur unterliegt, für
die sich nur schwer eine Voraussage treffen lässt. Dies hat auch einen negativen
Einfluss auf die Null-Stabilität des Messzelle über lange
Zeiträume
hinweg.
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BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Es ist Aufgabe der Erfindung, einen
Drucksensor zu schaffen, der eine hohe Linearität aufweist, d. h. bei dem sich
das Ausgangssignal gegenüber dem
Eingangssignal, also dem auf den Sensor einwirkenden Druck, in hohem
Maß proportional
verhält.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung
besteht darin, einen Drucksensor des kapazitiven Typs zu schaffen,
bei dem die elektrischen Umgebungen in einem Sensorelement enthaltener
Kondensatorplatten in hohem Maß gleichförmig sind.
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Eine weitere Aufgabe der Endung besteht darin,
einen Drucksensor zu schaffen, der ein Sensorelement aufweist, das
eine gute Stabilität
und Stärke hat
und für
eine derartig befestigbar oder anbringbar ist, dass der Messdruck
auf eine Seite des Sensors einwirkt und der Atmosphäredruck
auf die andere Seite des Sensors einwirkt, und das große Veränderungen
des Atmosphäredrucks
toleriert, ohne dass sein Ausgangssignal signifikant beeinträchtigt wird.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung
besteht darin, einen mit hoher Präzision arbeitenden Drucksensor
zu schaffen, bei dem ein in dem Drucksensor enthaltenes Sensorelement
auf weitgehend einfache Weise hergestellt werden kann.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung
besteht darin, ein Sensorelement für einen Drucksensor zu schaffen,
bei dem die Messmembran eine gleichförmige, stabilisierte Befestigung
oder Anklemmung an einem im Sensorelement angeordneten Gehäuse aufweist.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung
besteht darin, einen Drucksensor zu schaffen, der ein kapazitives
Sensorelement aufweist, bei dem der Einfluss von Streukapazitäten minimiert
ist und die mögliche Abweichung
von einem linea ren Verhalten des Ausgangssignals des Sensorelements
eingestellt oder einer gewünschten
Form angepasst werden kann.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung
besteht darin, Verfahren zum Herstellen eines in einem Drucksensor
enthaltenen kapazitiven Sensorelements zu erstellen, mit denen Drucksensoren
hergestellt werden können,
die eine hohe Präzision
haben.
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Die vorstehend angeführten Aufgaben
werden durch die Erfindung gelöst,
deren Merkmale und Eigenschaften aus den beigefügten Ansprüchen detaillierter ersichtlich
sind.
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Ein Sensorelement für einen
Drucksensor weist, wie entsprechend der obigen Beschreibung herkömmlicherweise üblich ist,
ein dickes, stabiles Gehäuseteil
auf, an dessen Innenfläche
eine erste Kondensatorelektrode mit einer flachen Oberfläche angeordnet
ist. Ferner ist eine Membran vorgesehen, die eine Außenfläche aufweist,
die dazu vorgesehen ist, dem Medium ausgesetzt zu werden, dessen Druck
gemessen werden soll. An der Außenfläche ist eine
erste elektrisch leitende Schicht angeordnet, die zur Verbindung
mit elektrischer Masse vorgesehen ist. An der entgegengesetzten,
inneren Fläche
der Membran ist eine Kondensatorelektrode mit einer flachen Oberfläche vorgesehen.
Die Kondensatorelektroden sind einander gegenüberliegend und mit kleinem
gegenseitigem Abstand angeordnet, um einen elektronischen Kondensator
zu bilden, dessen Kapazität
verändert
wird, wenn sich der Abstand zwischen den Elektroden ändert. Die
verschiedenen Oberflächen
verlaufen generell parallel zueinander, und das Gehäuseteil
und die Membran sind als Platten ausgebildet, die an ihren Außenrändern im
wesentlichen die gleiche Kontur oder Form haben, und die Platten sind
insbesondere als kreisförmige
Platten mit gleichem Durchmesser. Ferner ist eine zweite elektrisch leitende
Schicht vorgesehen, die innerhalb des Gehäuseteils angeordnet ist, so
dass sie an ihren beiden Seiten von dem Material oder Bereichen
des Gehäuseteils
umgeben ist, und die parallel zu der ersten Kondensatorelektrode,
zumindest zu deren flacher Flä che,
angeordnet ist. Die zweite leitende Schicht bildet einen Bereich,
der eine beträchtlich
größere Erstreckung
hat als die erste Kondensatorelektrode und die diese Elektrode umgibt,
und zwar in Blickrichtung rechtwinklig zu der Schicht und der Fläche der Elektrode,
so dass bei Betrachtung in dieser Richtung ein Abstand von dem Rand
oder dem Umfang der Elektrode zu dem Rand der leitenden Schicht existiert,
der mindestens so groß ist
wie der Durchmesser oder die größte Bemessung
der Elektrode und vorzugsweise noch größer ist, z. B. das 2- bis 3fache
dieser größten Bemessung
beträgt.
Die Kondensatorelektrode ist somit im wesentlichen einem Innenbereich
der zweiten elektrisch leitenden Schicht gegenüberliegend angeordnet, die
wie die erste Schicht zur Verbindung mit elektrischer Masse vorgesehen
ist.
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Der Abstand der zweiten elektrisch
leitenden Schicht in dem Gehäuseteil
zu der an dem Gehäuseteil
angeordneten Kondensatorelektrode ist vorteilhafterweise von der
gleichen Größenordnung
wie der Abstand der an der Membran angeordneten ersten elektrisch
leitenden Schicht zu der an der Membran angeordneten Kondensatorelektrode;
oder er ist kleiner als dieser Abstand und kann sogar beträchtlich kleiner
als dieser Abstand sein, um die elektrischen Verbindungen um den
Kondensator herum gleichförmiger
zu machen.
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Das Gehäuseteil muss hinreichende Stabilität dahingehend
aufweisen, dass es nicht aufgrund irgendeiner dieser Druckdifferenzen,
denen das Sensorelement ausgesetzt wird, deformiert wird. Dies wird
erreicht, indem das Gehäuseteil
aus einer dickeren Trägerplatte
und einer dünneren
Abschirmplatte gebildet wird und die zweite elektrisch leitenden Schicht
dazwischen angeordnet wird.
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Die verschiedenen Träger- oder
Haltekomponenten des Gehäuseteils
und der Membran werden vorzugsweise aus Keramikmaterial und insbesondere
aus Glaskeramik gebildet. Im letzteren Fall werden sie durch Glas-Verbindungselemente
miteinander verbunden.
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Bei für niedrige Drücke vorgesehenen Drucksensoren,
die dünne
Messmembranen aufweisen, kann es vorteilhaft sein, wenn an der Außenseite der
Membran ein zusätzlicher
Teil in Form einer Gegenplatte oder eines Gegenrings platziert ist,
wobei derjenige Teil der Platte oder des Rings, der an dem Randbereich
der Membran vorsteht oder an der Kante der Membran angeordnet ist,
mit der dünnen
Membran als Verbindungsteil aus geeignetem Material, z. B. als Glas-Verbindungselement,
verbunden ist. Eine Gegenplatte ist diesem Fall mit Durchgangsöffnungen
versehen, damit der Druck von dem Medium, an dem die Druckmessung
vorgenommen werden soll, die Messmembran selbst erreicht und beeinflusst.
Indem ein Gegenelement dieser Art vorgesehen wird, wird die Messmembran
an ihrem am Umfang gelegenen Bereich gleichförmiger befestigt oder angeklemmt.
Die Gegenplatte oder der Gegenring stabilisiert die dünne Membran
und verringert das Risiko, dass die Membran bricht, wenn ein Sensorelement verwendet
wird.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Im folgenden wird die Erfindung anhand
nicht beschränkender
Ausführungsformen
und im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen detaillierter
beschrieben.
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1 zeigt
eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen Drucksensorelements,
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2a, 2b, 2c und 2d zeigen
typische Kurvenformen der Abweichung des Ausgangssignals von einem
Linearverhalten,
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3 zeigt
eine Querschnittsansicht verschiedener Teile zur Bildung eines Drucksensors
mit niedriger Beeinflussung durch Streukapazitäten,
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4 zeigt
eine geschnittene Teilansicht des Sensorelements gemäß 3, mit Bildung eines elektrischen
Anschlusses einer inneren Abschirmschicht, und
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5 und 6 zeigen die Sensorelement-Teile gemäß 3 unter Ergänzung durch
verschiedene Halteelemente.
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BESCHREIBUNG
BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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3 zeigt
als Schnittansicht die verschiedenen Teile eines Sensorelements,
die für
einen Präzisions-Drucksensor
vorgesehen sind und auf Glaskeramik-Basis ausgebildet sind, wobei die Teile
aufeinander platziert werden, bevor durch Erwärmen in einem Ofen, in dem
das Glasmaterial in den Verbindungsbereichen geschmolzen wird, die
endgültige Verbindung
hergestellt wird. Das dicke Gehäuseteil 3' weist hier
zwei separate kreisförmige
Keramikplatten, eine dickere obere Trägerplatte 13 und eine
dünnere
untere Abschirmplatte 15 auf. An einer Seite der Abschirmplatte 15 ist
an deren Innenflächen
sowie an deren Mitte, wie bereits beschrieben wurde; eine Kondensatorelektrode 9 in
Form einer dünnen
elektrisch leitenden Schicht angeordnet. An der entgegengesetzten
Seite der Abschirmplatte ist eine elektrisch leitende Schicht 17 vorgesehen,
die sich über die
gesamte Fläche
hinweg erstreckt und als Abschirmebene wirkt, und die mit einem
Masse-Leiter elektrisch verbunden wird; vgl. die nachfolgenden Erläuterungen.
Auf der Oberseite der Abschirmschicht 17 ist eine Verbindungsschicht
vorgesehen, die fein verteiltes Glasmaterial aufweist, das durch
ein im wesentlichen organisches Bindemittel zurückgehalten wird. Eine entsprechende
Verbindungsschicht 19 kann auch auf der Oberfläche der
dickeren Trägerplatte 13 vorgesehen
sein, die der Oberfläche
der Abschirm platte 15, welche mit der elektrisch leitenden Schicht 17 versehen
ist, gegenüberliegt.
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Die kreisförmige Membran 7 hat
gemäß herkömmlicher
Ausgestaltung eine Dicke, die für
den zu messenden Druckbereich geeignet ist, und ist an einer ihrer
Fläche
mittig mit einer dünnen
Schicht versehen, die eine zweite Kondensatorelektrode 11 bildet,
und über
die gesamte entgegengesetzte Fläche hinweg
ist sie mit einer elektrisch leitenden dünnen Abschirmschicht 21 versehen,
die ebenfalls mit dem Masse-Leiter verbunden ist.
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An dem äußeren Rand derjenigen Seite
der Abschirmplatte 15, die mit der Kondensatorelektrode 11 versehen
ist, ist ferner ein Bereich 22 angeordnet, der Glasmaterial
zur Bildung einer Glasverbindung aufweist, und dieser Bereich 22 hat
die Form eines kreiszylindrischen Rings mit kleiner Erstreckung
in Axialrichtung. Diese Erstreckung oder Höhe ist exakt eingestellt und
auf konstante Länge
maschiniert, um nach dem Erwärmen
und Bilden der Glasverbindung einen gewünschten Abstand zwischen den
Flächen der
Abschirmplatte 15 und der Membran 7 zu bilden, die
die Kondensatorelektroden 9 bzw. 11 tragen oder halten.
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Wie bereits oben erwähnt, werden
die in 3 gezeigten verschiedenen
Teile unter moderater Kompressionsbelastung in einem Ofen platziert und
erwärmt,
und dann schmelzen das Material in den Glasverbindungsbereichen,
bei denen es sich um die über
die gesamten Flächen
der Abschirmplatte 15 bzw. der Trägerplatte 13 hinweg
angeordneten Verbindungsbereiche 18 und 19 handelt,
und der ringförmige
abstandserzeugende Bereich 22 auf der Abschirmplatte, und
dadurch verdunstet das organische Bindemittel, oder zumindest der
Großteil
des Bindemittels verschwindet oder tritt aus. Somit wird ein Sensorelement 1' als integrierte
Einheit gebildet.
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Die Abschirmschichten 17 und 21 können Goldfilme
aufweisen, die in herkömmlicher
Weise wie bei der Herstellung elektronischer Dünnfilmschaltungen aufgetragen
oder befestigt werden. Die Abschirmschichten 17, 21 können typische
Dickenbemessungen in der Größenordnung
von 1 μm
oder weniger haben. Die Verbindungsschichten zwischen der Abschirmplatte 17 und
der Trägerplatte 3 können jeweils
eine Größenordnung
im Bereich von 5 μm aufweisen.
Auch die Elektroden 9 und 11 und deren Verbindungen,
die jeweils an den Oberflächen,
an denen die Elektroden 9 bzw. 11 angeordnet sind,
in Form geeigneter gedruckter Leitermuster ausgebildet sind, welche
in der Figur nicht gezeigt sind, können mittels der gleichen bereits
bekannten Verfahren aufgetragen oder aufgeschichtet werden. Das
Material, das die über
die gesamten Flächen
verlaufenden Verbindungsbereiche 17 bzw. 19 bildet,
kann punktförmig
oder gemustert aufgetragen werden, so dass, wenn anfangs das Glasmaterial
aufgetragen wird, Bereiche oder Kanäle gebildet werden, die frei
von Glasmaterial sind. Dies erleichtert das Auflösen oder Austreten flüchtiger
Substanzen beim endgültigen Erwärmen, so
dass keine Einschlüsse
von Gasen oder anderen Substanzen entstehen. Zwecks Bildung eines
geeigneten Designs und einer geeigneten Temperatur während des
Heizvorgangs kann weiterhin erreicht werden, dass die von diesen Schichten 17 und 19 gebildete
Verbindung im wesentlichen homogen und frei von eingeschlossenen Hohlräumen ist.
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Bei dem fertigen Sensorelement 1' ist die innere
Abschirmschicht 17 nicht an einer Stelle angeordnet, an
der sie leicht zugänglich
wäre, um
in elektrischen Kontakt mit einem Masse-Leiter gebracht zu werden;
vielmehr ist dazu eine spezielle Vorkehrung erforderlich. Diese
ist in 4 detailliert
gezeigt. In der oberen Trägerplatte 13 ist
eine Durchgangsöffnung 23 ausgebildet,
die sich zwischen den beiden großen Flächen dieser Platten erstreckt.
Innerhalb des kleinen Bereichs, der dem Austrittsbereich oder der
Ausmündung
dieser Öffnung 23 in
dem Glasverbindungsbereich 18 der Abschirmplatte 15 entspricht,
ist Lötzinn 25 vorgesehen,
das sich in elektrisch leitendem Kontakt mit der auf der Abschirmplatte 15 angeordneten
Abschirmschicht 17 befindet. Somit werden vor der Kompression
und dem Erwärmen
der gesamten Vorrichtung die Teile in der bereits beschriebenen
Weise in gegenseitiger Anlage platziert, und eine elektrischer Leiter 27 wird
abwärts
in die Öffnung 23 eingeführt, wobei
eventuell, wie bei 29 gezeigt, etwas Haltematerial an den
Seiten der Öffnung
angeordnet wird. Beim Erwärmen
oder Brennen der Glasverbindungsbereiche schmilzt der Lötzinn und
gelangt in elektrisch Kontakt mit dem elektrischen Leiter 27.
Der Leiter 27 wird dann elektrisch mit der Erde verbunden.
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Die Dicke des keramischen Basismaterials
in der Abschirmplatte 15 kann in der gleichen Größenordnung
liegen wie die Dicke der Membran 7, ist jedoch in vielen
Fällen
kleiner, wie in 3 gezeigt
ist. Die Verbindungsschicht 19 auf der Trägerplatte 13 kann
gemäß 4 beseitigt werden, wenn
zum Herstellen der Glasverbindung zwischen der Abschirmplatte 15 und
der Trägerplatte 13 nur
die Verbindungsschicht 18 an der Abschirmplatte 15 vorgesehen
ist.
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Es kann sogar vorteilhaft sein, die
Abschirmplatte mit sehr kleiner Dicke auszubilden, um die elektrischen
Bedingungen in der Nachbarschaft der Kondensatorplatten 9 und 11 einander
gleich zu machen oder auszugleichen. Die Stabilität wird durch die
obere Trägerplatte 13 erzeugt.
Auf diese Weise kann der Einfluss von Streukapazitäten minimiert werden,
und ferner kann die verbleibende Abweichung des Ausgangssignals
von einem Linearverhalten auf eine gewünschte Form angepasst oder
eingestellt werden. Somit kann das Sensorelement in einen Drucksensor
eingebaut werden, der ohne kompliziere Kompensationselektronik ausgebildet
ist und nur einfache elektronische Standard-Bauteile enthält, so dass für den gesamten
Drucksensor, der das Sensorelement, ein nicht gezeigtes Gehäuse bzw.
eine Umhüllung
und die zugehörige
Treiberelektronik enthält,
niedrige Herstellungskosten und ein geringer Stromverbrauch ermöglicht werden.
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Im Fall von Doppelmembranen, die
zum Messen sehr niedriger Drücke
verwendet werden, kann eine weitere Verstärkung für die Membran bewirkt werden,
indem ein Verstärkungselement
an dem Randbereich der dünnen
Membran befestigt wird. Dies ist schematisch in 5 und 6 gezeigt,
in denen im Sensorelement enthaltene Teile in der gleichen Weise
wie in 3 gezeigt sind.
An derjenigen Seite der Membran 7, die dem Gehäuseteil 3' abgewandt ist
und die in dem Medium zugewandt sein soll, ist somit ein Verstärkungselement
in Form einer Platte 31 vorgesehen, die an einer ihrer
großen
Flächen
an einem Randbereich der Platte mit einem ringförmigen Vorsprung 32 versehen
ist, und die ferner in dem eher zentral gelegenen inneren Bereich der
Platte 31 Durchgangsöffnungen 33 aufweist.
Die Gegenplatte 31 kann aus einem geeigneten Material gebildet
werden, beispielsweise wie die anderen Teile dieses Sensorelements 1' aus Glaskeramikmaterial,
und wird dann mittels eines geeigneten Glaskeramikmaterials an der
Abschirmschicht 21 der Membran befestigt. Das Verstärkungselement
kann auch durch ein ringförmiges
Element 31' gemäß 6 gebildet werden, das dem
ringförmigen
Vorsprung 32 an der Gegenplatte 31 gemäß 5 entspricht.
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Im folgenden werden kurz die verschiedenen Schritte
der Herstellung der Sensorelemente beschrieben. Ein Gehäuseteil
wird aus zwei plattenförmigen
Teilen elektrisch leitenden Materials wie z. B. Glaskeramik, einer äußeren dickeren
Trägerplatte und
einer dünneren
Abschirmplatte gebildet, und auf eine Oberfläche, der Innenfläche des
Gehäuseteils, d.
h. auf der Innenseite der dünnen
Abschirmplatte, wird z. B. mittels üblicher Dünnfilmverfahren in einem geeigneten
Muster ein elektrisch leitendes Material aufgetragen, um eine erste
Kondensatorelektrode zu bilden, die eine flache Oberfläche hat.
Eine Membran wird im Prinzip aus dem gleichen elektrisch isolierenden
Material in Form einer Platte gebildet, und auf einer Fläche der
Membran, der Innenfläche,
wird ebenfalls ein elektrisch leitendes Material in einem geeigneten
Muster befestigt oder aufgetragen, um eine zweite Kondensatorelektrode
zu bilden, die ebenfalls eine flache Fläche aufweist. Das Gehäuseteil
und die Membran sind derart miteinander verbunden, dass die Kondensatorelektroden
einander gegenüberliegen
und ihre flachen Flächen
mit kleinem gegenseitigem Abstand angeordnet sind, so dass ein elektrischer
Kondensator gebildet wird, dessen Kapazität verändert wird, wenn sich der Abstand
zwischen den Elektroden und insbesondere den flachen Flächen der
Elektroden ändert.
Die beiden Teile, die das Gehäuseteil
bilden, werden miteinander verbunden, und anschließend wird zwischen
ihnen eine elektrisch leitende Schicht platziert. Die elektrisch
leitende Schicht ist derart abzuordnen, dass sie parallel zu der flachen
Fläche
der ersten Kondensatorelektrode verläuft, und ferner sollte sie
eine beträchtlich
größere Erstreckung
haben als die erste Kondensatorelektrode, die im wesentlichen an
oder gegenüber
einem inneren, zentral gelegenen Bereich der elektrisch leitenden
Schicht angeordnet ist, so dass die leitende Schicht die Kondensatorelektrode
umgibt. An einer Außenfläche der
Membran kann zwecks zusätzlicher elektrischer
Abschirmung eine weitere elektrisch leitende Schicht angeordnet
werden. Ferner kann ein aus elektrisch leitendem Material bestehendes
Verstärkungselement
in Form einer Ringplatte oder einer Platte mit ringförmigem Vorsprung
an einem Bereich am Umfang der Außenseite der Membran angeordnet
werden, um die Membran zu stabilisieren.