DE3811047A1 - Fuehler zur kapazitiven messung des druckes in gasen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Fühler zur kapazitiven Messung des Druckes in Gasen enthaltend zwei in räumlichem Abstand zueinander angeordnete, einen Kondensator bildende Meßelektroden.

Ein derartiger Fühler ist aus der DE-OS 35 35 904 bekanntgeworden.

Bei dem bekannten Fühler ist eine feststehende Kondensator-Elektrode auf einem Substrat aufgebracht; ihr gegenüberliegend ist in bestimmtem Abstand eine bewegliche Membranelektrode befestigt. Beide Elektroden schließen mit ihrer Randbegrenzung einen gegenüber der zu messenden Gasatmosphäre abgedichteten, unter unveränderbarem Druck befindlichen Raum ein. Die bewegliche Membran ist der zu messenden Gasatmosphäre ausgesetzt, so daß sie unter sich verändernden Druckverhältnissen einen sich entsprechend verändernden Abstand zu der feststehenden Elektrode einnimmt. Die Bewegungen der elastischen Membran werden als Kapazitätsänderungen aufgenommen und als Signal für den Druck des zu untersuchenden Gases verarbeitet.

Bei dieser bekannten Konstruktion ist die Güte der Messung abhängig von der Beweglichkeit der Membran, welche wiederum eine Funktion der Membrandicke ist. Um auch geringe Druckveränderungen messen zu können, ist eine möglichst dünne Membran erforderlich, die dann aber auch gegenüber mechanischer Beschädigung empfindlich ist. Eine verformbare Membran besitzt den meßtechnischen Nachteil, daß sie unter der Krafteinwirkung des zu untersuchenden Gases Fließeigenschaften zeigt, so daß sich ihre Meßcharakteristik langfristig unberechenbar verändert. Dies äußert sich in einem unerwünschten Driftverhalten des Meßsignals. Außerdem ist stets dafür Sorge zu tragen, daß der abgedichtete Raum bei Langzeiteinsatz des Fühlers keine Undichtheiten aufweist. Es bereitet erhebliche Schwierigkeiten, einen über der Länge der elastischen Membran gleichbleibenden Abstand für die Ruhelage zu fixieren. Insbesondere sind Membranabstände im Mikrometerbereich, die wegen ihrer kapazitiven Auswirkung zu kleinen Baugrößen der Geräte führen könnten, nur schwer zu verwirklichen und vor allem nicht gleichbleibend einzuhalten.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Fühler der genannten Art so zu verbessern, daß eine Druckmessung ohne verformbare Teile möglich ist, damit eine langfristig driftfreie Messung durchgeführt werden kann, wobei auch geringste Elektrodenabstände verwirklicht und damit Miniaturfühler geschaffen werden können.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt dadurch, daß der Zwischenraum zwischen den Elektroden dem zu untersuchenden Gas zugänglich ist und mit den Elektrodenabstand bestimmenden und diesen während der Messung aufrechterhaltenden elektrisch isolierenden Abstandshaltern zwischen den Elektroden versehen ist.

Durch die Abstandshalter wird ein während der Messung gleichbleibender Abstand zwischen den Elektroden gesichert; dabei kommt es weniger darauf an, daß dieser Abstand an allen Stellen gleich groß ist, als vielmehr auf die Tatsache, daß der einmal eingestellte Abstand unveränderlich ist. Die Kapazität des Kondensators ändert sich dann aufgrund der Veränderung der Dielektrizitätskonstanten des Gases unter Druck. Das zu untersuchende Gas liegt beiderseits der Meßelektroden vor, so daß durch das Kräftegleichgewicht keine Verformungen auftreten. Durch Wahl geeigneter bevorzugter Verfahren (strukturiertes Ätzen einer Oxidschicht; direktes Si-Si Bonding für den Fall, daß als Träger Silizium benutzt wird; vergleiche J. B. Lasky, Appl. Phys. Lett. (48), 1 (1986), Seite 78 bis 90) können die Abstandshalter im Mikrometer-Bereich dimensioniert werden. Durch Verwirklichung eines geringstmöglichen Abstandes können die meßwirksamen Flächen der Elektroden klein gewählt werden, ohne daß dadurch die Kapazität und damit das Meßsignal verringert werden. Dies ermöglicht sehr kleine Bauformen des Fühlers und eröffnet Einsatzmöglichkeiten an Meßorten geringster Abmessungen. Durch die isostatische Belastung der Elektroden sind Messungen hoher Drücke (300 bis 500 bar) ohne die Gefahr der Zerstörung des Fühlers möglich.

Eine besonders geeignete Form für die Abstandshalter ergeben die Elektroden verbindende Säulen in dem Zwischenraum. Sie können nach Gesichtspunkten der Festigkeit an ausgewählten Stellen der Elektrodenflächen angebracht werden und ermöglichen ungehinderten Zutritt des zu untersuchenden Gases in den Zwischenraum.

Eine ebenfalls leicht durchführbare Verwirklichung für einen Kondensator besteht darin, daß die Elektroden als metallisierte Keramikplatten ausgebildet sind, die durch nichtleitende Keramikstäbe auf Abstand gehalten werden. Die Verbindung zwischen Keramikstäben und Elektroden wird durch eine Glasschmelze erzielt.

Auf besonders einfache und genau durchführbare Weise erhält man die Abstandshalter dadurch, daß man sie aus einer Schicht aus SiO_2, welche auf eine der beiden Elektroden aufgebracht ist, herausätzt. Sämtliche noch herzustellende Verbindungen zwischen den Abstandshaltern und der noch verbleibenden Schicht können dann wieder mit Hilfe des Verfahrens des direkten Si-Si-Bondens hergestellt werden.

Eine weitere bevorzugte Möglichkeit für die Ausgestaltung der Abstandshalter besteht darin, daß sie durch eine den Zwischenraum ausfüllende poröse Matrixstruktur, vorzugsweise aus Aluminiumoxid (Al₂O₃), gebildet sind. Eine poröse Matrixstruktur ist insbesondere für solche Fälle geeignet, für die die Elektrodenflächen nicht eine Ebene, sondern eine in vielfältiger Art verwirklichbare Kurvenform oder gewölbte Fläche darstellen.

Für eine fertigungstechnisch einfache Verwirklichung der Elektroden werden diese zweckmäßigerweise als auf die Matrixstruktur, z. B. durch Aufdampfen, aufgebrachte Schichten ausgebildet.

Zur Erhöhung der Meßempfindlichkeit ist es vorteilhaft, mehrere Fühler in Form von aufeinanderfolgenden Lagen von Abstandshaltern und diesen zugeordneten Elektroden anzuordnen. Eine derartige Parallelschaltung von mehreren Fühlern kann bei Messungen kleiner Drücke zu einer Verbesserung des Signal-Rauschverhältnisses eingesetzt werden.

Da in der Regel Kapazitätsmessungen sehr aufwendig sind, will man genügend genaue Meßergebnisse erzielen, ist zur Erleichterung der Meßaufgabe vorgesehen, die Elektroden als Teil eines Feldeffekttransistors (FET) auszubilden. Die eine Elektrode kann dann der Kanal, und die andere das Gate dieses FET′s sein. Dadurch werden kurze Signalwege von der Elektrode zum Verstärker verwirklicht, die eine weitestgehende Reduktion von Störsignalen ermöglichen, die sonst über längere Signalleitungen einstreuen könnten.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer schematischen Darstellung gezeigt und im folgenden näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 die Ansicht eines einzelnen Meßfühlers,

Fig. 2 die Parallelschaltung mehrerer Meßfühler,

Fig. 3 die Ansicht eines Meßfühlers in einem Gehäuse,

Fig. 4 einen Meßfühler mit einem Feldeffekttransistor.

In Fig. 1 ist ein Meßfühler dargestellt, welcher aus zwei plattenförmigen Elektroden (1, 2) aus Silizium besteht. Eine dieser Elektroden (1, 2) ist auf einer ihrer Flächen mit einer Oxidschicht (4) versehen, aus der durch strukturiertes Ätzen mehrere zylinderförmige Abstandshalter (5) gebildet wurden, welche die beiden sich gegenüberliegenden Flächen der Elektroden (1, 2) in einem festen Abstand zueinander halten. Durch Bonden sind die beschriebenen Teile zu einem festen Fühlerkörper vereinigt. Elektrische Zuführungsleitungen (6, 7) sind an den Elektroden (1, 2) zum Anlegen der Spannung und zur Aufnahme eines entsprechenden Meßsignals befestigt. Der Zwischenraum (8) zwischen den Elektroden (1, 2) ist mit dem zu untersuchenden Gas gefüllt, z. B. durch einfaches Einbringen des Fühlers in dieses Gas.

In Fig. 2 ist ein zylindrisches Gehäuse (10) im Schnitt dargestellt, in dessen Innerem eine mehrschichtige Anordnung von mehreren parallel verschalteten Fühlern aufgenommen ist. Eine Trägerplatine (11) aus isolierendem Material besitzt zu beiden Seiten jeweils drei Lagen eines Fühlers (12), dessen Aufbau mit demjenigen nach Figur übereinstimmt. Jeder der Fühler (12) ist von seinem benachbarten durch eine Isolierschicht (13) getrennt. Die beiden Elektroden (1, 2) eines jeden Fühlers (12) sind durch die schematisch, in Form einer Linie, dargestellten Abstandshalter (5) voneinander in definiertem Abstand gehalten, so daß das im Inneren des Gehäuses (10) befindliche Meßgas in den Zwischenraum zwischen den Elektroden (1, 2) eindringen kann.

Der Fühler nach Fig. 3 ist ebenfalls beidseitig einer Trägerplatine (111) aufgenommen und befindet sich in einem Sensorgehäuse (110), welches auf der einen Seite einen Gaseinlaßstutzen (114) und auf der anderen Seite einen Einschraubsockel (115) trägt. Jeder Sensor besitzt die beiden Elektroden (1, 2) und die Abstandshalter (5). Die Elektroden (1) sind mit dem Gehäuse (110) über Kontaktleitungen (116) in Verbindung gebracht, die Elektroden (2) sind durch den Sockel (115) nach außen zu einer nicht dargestellten Auswerteeinheit über die Signalleitungen (117) durchgeführt. Der Stutzen (114) besitzt einen mit einem Filter (118) versehenen Einlaßkanal (119), über den das nachzuweisende Gas, von möglichen Verschmutzungen gereinigt, in den Fühlerraum (120) gelangen kann. Am äußeren Ende des Stutzens ist ein Schraubgewinde (121) für die Montage des Gehäuses (110) an eine dafür geeignete Probenahmestelle vorgesehen. Der Sockel (115) seinerseits ist in das Gehäuse (110) eingeschraubt.

Schließlich zeigt die Fig. 4 eine Ausführungsform, bei der die eine Elektrode durch das Gate (202) und die andere durch den Kanal (201) eines Feldeffekttransistors gebildet ist. Der Kanal (201) ist der Verbindungsbereich zwischen der p-leitenden Quelle (203) und der ebenfalls p-leitenden Senke (204). Die Abstandshalter (205) sind aus einer auf n-leitendem Siliziumsubstrat (208) aufgebrachten SiO₂-Schicht (207) herausgeätzt. Gate (202), Kanal (201), Quelle (203) und Senke (204) sind jeweils mit einem nicht dargestellten elektrischen Anschluß versehen.

Claims (10)

1. Fühler zur kapazitiven Messung des Druckes in Gasen, enthaltend zwei in räumlichem Abstand zueinander angeordnete, einen Kondensator bildende Meßelektroden, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum (8) zwischen den Elektroden (1, 2) dem zu untersuchenden Gas zugänglich ist und mit den Elektrodenabstand bestimmenden und diesen während der Messung aufrechterhaltenden elektrisch isolierenden Abstandshaltern (5) zwischen den Elektroden (1, 2) versehen ist.

2. Fühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter als die Elektroden (1, 2) verbindende Säulen (5) ausgebildet sind.

3. Fühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden aus metallisierten Keramikplatten (1, 2) bestehen, die mit Keramikstäben (5) als Abstandshalter über eine Glasschmelzverbindung verbunden sind.

4. Fühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter (5) durch Ätzen aus einer auf einer der Elektroden (1, 2) aufgebrachten zusammenhängenden Schicht (4) aus SiO₂ gebildet sind.

5. Fühler nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die leitenden Elektroden (1, 2) mit den isolierenden Abstandshaltern (5) durch ein direktes Si-Si-Bonden miteinander verbunden sind.

6. Fühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter durch eine den Zwischenraum (8) ausfüllende poröse Matrixstruktur gebildet sind.

7. Fühler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrixstruktur aus Aluminiumoxid gebildet ist.

8. Fühler nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden als auf die Matrixstruktur aufgebrachte Schichten (1, 2) gebildet sind.

9. Anordnung von Fühlern nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Lagen von Elektroden (1, 2) und Abstandshaltern (5) aufeinander folgen.

10. Fühler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Elektroden (1, 2) durch den Kanal eines Feldeffekttransistors gebildet und die andere dessen Gate ist.