DE3883067T2

DE3883067T2 - Kapazitives Manometer zur Absolutdruckmessung.

Info

Publication number: DE3883067T2
Application number: DE88107751T
Authority: DE
Inventors: Richard A Benson; John A Denner
Original assignee: MKS Instruments Inc
Current assignee: MKS Instruments Inc
Priority date: 1987-05-18
Filing date: 1988-05-13
Publication date: 1994-03-03
Anticipated expiration: 2008-05-14
Also published as: EP0291885A3; JPS6479632A; EP0291885A2; EP0291885B1; SE8803590D0; CA1316010C; JP2532128B2; DE3883067D1; SE461057B; US4785669A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verbesserungen bei der kapazitätsbezogenen Messung von Fluiddrücken, insbesondere Absolutdruckwandler hervorragender Güte, mit denen weite Druckbereiche, wie nahe dem Vakuum und mit oder nahe dem atmosphärischen Druck durch eine einzige Einrichtung mit wirtschaftlicher und unkomplizierter Konstruktion vorteilhaft erfaßt werden können, bei denen eine Hauptmembran unterschiedlich sowohl als bewegbare Kondensatorelektrode über einen der Bereiche, als auch als Einrichtung zum mechanischen Einleiten von Anderungen in einer weiteren Kapazitätsanordnung über einen anderen Bereich arbeitet.
Es wurde allgemeine Praxis, bezogene Druckmessungen und insbesondere sehr niedrige Druckpegel in Werten der zwischen einem Paar dicht beieinander angeordneten Elektroden auftretenden Kapazitaten zu erfassen und zur Verfügung zu stellen, von denen eine Elektrode in Übereinstimmung mit auf eine zugehörige Membran wirkenden Druckdifferenzen in eine relative Position zur anderen eingestellt wird. Im Fall der sogenannten kapazitiven "Absolut"-Druck-Manometer ist einer der Drücke, der als Referenzdruck aufrechterhalten wird, im wesentlichen gaslos und normalerweise so dicht an einem vollkommenen Vakuum, wie es durchführbar und praktisch einzurichten und auf einer Seite der Membran aufrechtzuerhalten ist. Wenn jedoch eine derartige Einrichtung dazu benutzt werden soll sehr geringe Drücke zu erfassen und brauchbar zu bestimmen, tendieren ihre Konstruktionsmerkmale, einschließlich eines verhältnismäßig engen Elektrodenabstandes dazu, sie für zuverlässige Anzeigen der viel höheren, bei oder nahe umgebender atmosphärischer Pegel vorkommender Drücke, ungeeignet zu machen. Eine zuverlässige Kenntnis über solche Umgebungsdrücke ist jedoch für den Anwender im allgemeinen durchaus wichtig, der neben anderen Dingen in der Lage sein muß, zu bestimmen, wann einmal evakuierte, während niedrigen Drucks präzise angezeigte empfindliche Systeme, auf oder nahe atmosphärische Pegel zurückgebracht werden müssen, bei denen Systemöffnungen und "Dumping" sicher gewagt werden können. Es wurden aus diesem Grund Hilfsthermoelemente verwendet, um Systembetreiber wenigstens mit groben Informationen über Drücke nahe dem atmosphärischen auszustatten, und die hochempfindlichen kapazitiven Druckmesser wurden in Serie mit ähnlich konstruierten Druckmessern für höhere Drücke mit atmosphärischen Pegeln verwendet. Der letztere Notbehelf beinhaltet Kosten, Größe und Komplexität, die natürlich vorteilhaft vermieden werden sollten.
Das US-Patent Nr. 3 484 732 beschreibt einen Druckwandler, der 1) einen verhältnismäßig empfindlichen Niederdrucksensor zum Erfassen von Drücken innerhalb eines niedrigen Druckbereichs umfaßt und 2) einen Sensor für höhere Drücke, zum Erfassen von Drücken innerhalb eines verhältnismäßig hohen Druckbereichs. Der Bereich des höheren Drucks beginnt im wesentlichen dort, wo der Niederdruckbereich endet.
Eine Aufgabe dieser Erfindung ist es, unter Verwendung einer einzigen kleinen Mehrelektrodeneinrichtung mit geringen Konstruktionskosten, bei der es zwei verschiedene Arten des Ansprechens auf den Druck gibt, unerreichte und vorteilhafte kapazitive Druckwandlermessungen über weite Bereiche erfaßter Drücke zu ermöglichen.
Eine weitere Aufgabe ist es, einen neuen, verbesserten Absolutdruckwandler zu schaffen, der allein in der Lage ist, sowohl einen niedrigen Druckbereich zu erfassen, als auch den sehr viel höheren Druck nahe den und auf den umgebenden atmosphärischen Pegeln.
Noch eine weitere Aufgabe ist es, mit Hilfe eines Membrandruckwandlers, der mit nur einer Elektrodenkapsel auf zwei Arten zusammenwirkt, wobei eine das völlige Wirken der Membran als Kondensatorelektrode beinhaltet und die andere die Membran als kraftausübende Einrichtung umfaßt, die mechanisch die andere im Innern der Kapsel auftretende Kapazität verändert, die Komplexität und Schwierigkeit der Durchführung von sehr unterschiedliche Bereiche überspannenden Absolutdruckmessungen zu reduzieren.
Nach der vorliegenden Erfindung werden die obigen Aufgaben von einem kapazitiven Druckwandler gelöst, wie er im Anspruch 1 beschrieben ist und durch ein Verfahren, wie es im Anspruch 15 beschrieben ist.
Bevorzugte Ausführungsformen der in den Ansprüchen 1 und 15 beschriebenen Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 14 beziehungsweise 16 beschrieben.
Dementsprechend stellt die vorliegende Lehre die kapazitätsbezogene Darstellung von Drücken über weit unterschiedliche Bereiche mit Hilfe nur eines einzigen unkomplizierten Wandlers zur Verfügung. Bei einer bevorzugten Ausführungsform eines derartigen Wandlers ist eine ebene Metallfolienmembran in einer allgemein herkömmlichen dichtenden Befestigung zwischen einer evakuierten Referenzkammer und einem Eingang angeordnet, der mit einem zu messenden Druck verbunden ist. Diese Membran selbst dient als Kondensatorelektrode und ist in einer üblichen Weise im Verhältnis zu einer weiteren zusammenwirkenden, nahe, verhältnismäßig stationär in der evakuierten Referenzkammer angeordneten Kondensatorelektrode beweglich positionierbar und spricht auf Änderungen der zu messenden Drücke an. Die verhältnismäßig stationäre weitere Kondensatorelektrode ist jedoch in diesem Fall ein Bestandteil einer einzigen zusammengesetzten Struktur, deren isolierender Träger eine flexible Keramikscheibe umfaßt, die peripher mit einem Vollkeramikkörper vereinigt ist, der in einem engen Abstand zur Scheibe noch eine weitere Kondensatorelektrode trägt. Diese zusammengesetzte Struktur, vorzugsweise in Form einer im wesentlichen monolithischen keramischen Kapsel, mit auf bestimmten Oberflächen plattierten Elektroden, liegt völlig in der Referenzkammer, und ihre flexible Scheibe ist keinen Druckunterschieden ausgesetzt, die ihre Ablenkung bewirken könnten und dadurch die Kapazität zwischen ihren Elektroden variieren; Nichtdestoweniger kommen solche Scheibenablenkungen und damit zusammenhängende Änderungen der Kapselkapazität vor, aber ganz unterschiedlich, als Resultat der gesamten mechanischen Aktion der gegen die Scheibe drückenden Metallmembran. Wenn sich einige gemessene Systemdrücke in einem sehr niedrigen Bereich befinden, wie 0 - 1,3 10³ Pa (0 - 10 Torr), entspricht die Wandlerkapazität hauptsächlich der zwischen der Metallmembran und der Scheibenelektrode auftretenden Kapazität. Wenn sich aber der Systemdruck viel höheren atmosphärischen Pegeln nähert, spricht die Metallmembran durch Drücken gegen die flexible Scheibe an und beaufschlagt sie so, daß der Abstand zwischen den Kapselelektroden verringert und ihre auftretende Kapazität größer wird. Die kombinierten Kapazitäten können somit den erfaßten Druck von nahe Null bis zum Umgebungs-druck in dem einen Wandler unterschiedlich darstellen.
Obwohl die als neu betrachteten Aspekte dieser Erfindung in den zugehörigen Ansprüchen dargelegt sind, können weitere Details bevorzugter Praktiken und weitere Aufgaben und Merkmale derselben durch die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen besser verstanden werden, in denen:
Fig. 1 eine Seitenansicht der prinzipiellen Bestandteile eines verbesserten kapazitiven Absolutdruckmessers in Explosivdarstellung entlang der Längsachse ist, bei der bestimmte Teile zum besseren Erkennen von Details der Konstruktion im Schnitt dargestellt sind;
Fig. 2 eine von früheren Druckwandlern bekannte Form eines Einelektrodenträgers zeigt, dessen äußere Proportionen vorteilhaft an eine Mehrmembran- Mehrelektrodenkapseleinrichtung eines verbesserten kapazitiven Absolutdruckmessers angepaßt werden können;
Fig. 3 in graphischer Form und mit zwei Skalen, die Kapazität über dem Druck, die Eigenschaften eines in Übereinstimmung mit der vorliegenden Lehre aufgebauten verbesserten Druckmessers zeigt;
Fig. 4A eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, von zwei nicht zusammengebauten Teilen einer keramischen Kapseleinrichtung für den verbesserten Druckmesser, in Verbindung mit einem Teil einer Metallmembran ist;
Fig. 4B eine Draufsicht auf den starren Oberelektrodenteil der Kapseleinrichtung der Fig. 4A ist;
Fig. 4C eine Ansicht desselben Oberelektrodenteils von unten ist;
Fig. 5A eine Draufsicht auf den Scheibenelektrodenteil des dünnen und flexiblen Membrantyps der Kapseleinrichtung der Fig. 4A ist;
Fig. 5B eine Ansicht desselben Scheibenelektrodenteils der Kapseleinrichtung von unten ist.
In der Fig. 1 sind die verschiedenen Bestandteile dargestellt, die zusammen einen verbesserten kapazitiven Absolutdrucksensor oder eine Zelle 6 bilden, bei dem sich der Meßbereich der einen Einheit von einer besonders interessierenden feinfühligen, niedrigen Region nahe dem Vakuum, bis zu und einschließlich verhältnismäßig hohen atmosphärischen Drücken erstreckt. Im allgemeinen sind Form und Größe, das Äußere und viel des Inneren der Einrichtung vorteilhaft praktisch mit dem bei bekannten kapazitiven Druckmessern des Standes der Technik gefundenen identisch, die aber nur für einen begrenzten Meßbereich dienten. Das trifft zum Beispiel auf ihre Verbindungen (geschweißt oder anderweitig verbunden), die Metallhauptkörperteile 7 und 8, die dünne, ebene, dichtend zwischen diesen Körperteilen gehaltene Metallfolienmembran 9, die abgedichtete Verbindung oder Rohrleitung 10, durch die eine Seite der Membran über ein Fluid mit einem gefüllten Raum verbunden und somit Verfahrensdrücken ausgesetzt ist, die durch den Sensor erfaßt werden sollen und auf eine obere Metallabdeckung 11 zu, die ständig mit dem dazwischenliegenden Körperteil 7 verbunden und abgedichtet ist, sowie auf das normalerweise abgedichtete Evakuierungsrohr 12, die Getterzuführung 13 und die mit einer schwachen, mit einer Elektrode in Kontakt befindlichen Feder 14A zusammenwirkende isolierte elektrische Durchführung 14. Die letztere Feder hängt von der inneren (unteren) Seite der Abdeckung, wo sie angeordnet ist, herab. Sie liegt auf einer Kondensatorelektrode in einer evakuierten, abgedichteten Kammer oberhalb der Membran 9 auf, in der ein nahe dem Vakuum liegender Referenzdruck aufrechterhalten wird, und ist mit ihr verbunden.
Eine Anordnung der beschriebenen Bestandteile wurde und wird noch erfolgreich im Zusammenhang mit einer monolithischen inneren Elektrodenstruktur, wie der in der Fig. 2 verwendet, bei der ein mit einer Schulter versehenes scheibenförmiges vollkeramisches Isolierteil 15 auf seiner ebenen Unterseite eine plattierte Elektrodenschicht 16 trägt, die in einem Abstand der oberen ebenen Oberfläche der nahen kreisförmigen Metallfolienmembran 9 (entsprechend der oben erwähnten Membran 9) gegenübersteht.
Die Membran und die über ihr angebrachte Metallschicht bilden Elektroden eines Kondensators, dessen auftretende Kapazität zu jeder Zeit als Funktion des erfaßten Drucks variiert, der auf die Unterseite der Membran wirkt, während auf ihre Oberseite ein Referenzdruck (nahe dem Vakuum) wirkt. Wenn sich die an ihren Kanten festgehaltene abgedichtete Membran mit zunehmendem erfaßtem Druck in größerem Maße aufwärts biegt, vermindert sich ihr Abstand von der feststehenden Elektroden-"Platte" 16 und bewirkt damit, daß der Kondensator höhere Kapazitätswerte annimmt, die mittels einer konventionellen elektronischen Hilfsschaltung in Displayzeichen des erfaßten Drucks umgewandelt werden. Räumliche Abstände sind natürlich sehr kritisch, insofern, als ihre unkontrollierten Änderungen Fehler verursachen, und eine präzise Dimensionierung und Anordnung des mit Schultern versehenen Keramikteils 15 in einem Körperteil, z. B. 7, ist deshalb entsprechend kritisch. Folglich werden sowohl die Schulter 15A als auch andere Teile des Keramikteils 15 und die Gegenschulter 7A und andere abmessungsmäßig in Wechselwirkung stehende Teile des Sensors mit den engsten ausführbaren Toleranzen hergestellt. Bei Nutzung bestimmter hochpräziser physikalischer Parameter, die sich schon beim Entwurf der Körper- und Membranstruktur eines solchen Sensors zeigen, werden die durch die vorliegenden Lehren offenbarten Verbesserungen sehr vorteilhaft durch eine kapselförmige zusammengesetzte Elektrodenstruktur 17 dargestellt, die äußerlich genau so aussieht, wie die des bekannten Keramikteils 15, und die eine gleiche Schulter 17A besitzt und andererseits in bestimmten Abmessungen praktisch so identisch ist, als sollte sie für diese in einer Reihe von Wandleranordnungen, die verschiedene Bereiche abdecken, eingesetzt werden.
Die Elektrodenstruktur 17 ist jedoch nicht nur im Bezug auf ihren konstruktiven Aufbau deutlich verschieden, sondern die Art ihrer funktionellen mechanischen und elektrischen Zusammenwirkung mit der üblichen Sensormembran 9 ist ebenso einzigartig. Insbesondere bildet die zusammengesetzte Elektrodenstruktur 17 eine flache, im allgemeinen zylindrische Kapsel, in der sich ein separater innerer variabler Kondensator befindet, dessen zwei in einem Abstand angeordnete ebene Kondensatorelektroden 18 und 19A als dünne metallische Filme auf der unteren ausgesparten Oberfläche 17B des Vollkeramikkapselteils 17C beziehungsweise auf der Oberseite eines verhältnismäßig dünnen und elastisch verformbaren scheibenförmigen Keramikkapselteils 19 ausgebildet sind (Fig. 4A). Die diese zwei Kondensatorelektroden tragenden Kapselteile sind stets dem gleichen vakuumnahen Referenzdruck ausgesetzt, weil die dichtende Membran 9 sie von den am Meßort herrschenden Drücken trennt, und weil der Druck in dem inneren, zwischen dem oberen Vollkeramikkapselteil 17C und dem fest angebauten scheibenförmigen unteren Kapselteil 19 gebildeten Hohlraum 20, gleich dem Referenzdruck ist, da er ständig durch die Kapsellöcher 17D und 19B ausgeglichen wird. Deshalb verhält sich die elastische Scheibe 19 der Kapsel nicht in der erwarteten Weise, obwohl sie die dünne, flache Konfiguration einer auf Druck ansprechenden Membran hat, weil sie keinen Druckunterschieden ausgesetzt ist. Statt dessen wird sie durch mechanisch ausgeübte Kräfte beaufschlagt und kann dichter an die Elektrode 13 abgelenkt werden, wenn die nahe elastische Membran 9 durch den erfaßten Druck unter ihr ausreichend gedehnt wird, sich an sie anlegt und sie bezogen auf die Längsachse 20-21 des Wandlers nach oben bewegt (Fig. 1).
Da die auch am Eingang 10 auftretenden Drücke eines Meßverfahrens, bei einem besonders interessierenden niedrigen Meßbereich zwischen einem extrem niedrigen Druck nahe 0 Torr und etwas höheren Werten wechseln, wie ungefähr 10 Torr, ändert sich die zwischen der Metallfolienmembran 9 und dem nahen metallischen Bodenelektrodenfilm 19C auf der Scheibe 19 auftretende Kapazität des Wandlers ziemlich gleichförmig, ungefähr so, wie durch die gestrichelte Linie 22 in der Fig. 3 dargestellt (in pF). Diese Ausgangskapazität stellt in erster Linie eine Kombination (Summe) dar, aus einer ersten Kapazität zwischen der Membran 9 und der Filmelektrode 19C, die über diesen niedrigen Bereich verhältnismäßig stark veränderlich ist, mit der weiteren Kapazität zwischen den Filmelektroden 19A und 18 der Kapsel, die über denselben niedrigen Bereich im wesentlichen fest und nicht so groß ist, so daß die durch die erste Kapazität gezeigten Änderungen korrigiert werden. Wenn ein verhältnismäßig niedriges oberes Ende des niedrigen Meßbereichs von speziellem Interesse erreicht ist, sichern eingebaute physikalische Parameter des beschriebenen Wandlers, daß der obere Mittelteil der kreisförmigen Membran zuerst mit dem unteren Mittelteil der Kapselstruktur 17 in Berührung kommt und sich danach ihre Scheibe 19 weiter nach oben dichter zur Elektrode 18 biegt, wenn der Druck weiter ansteigt. Wenn schließlich der atmosphärische Druck erreicht ist, wurde die flexible Scheibe durch die Membran zu einer im wesentlichen benötigten maximalen Ausdehnung nach oben gedrückt, und der dann zwischen der oberen Filmelekrtode 19A und der fixierten Elektrode 18 auftretende verringerte Abstand resultiert in einer vom Wandler angezeigten maximalen Ausgangskapazität.
Auf einer anderen und breiteren Skala, in Fig. 3, charakterisiert die Kurve 23 die Ausgangskapazität des Wandlers, die über den interessierenden niedrigen Meßbereich steil ansteigt, wie entlang des Kurvenastes 23A gezeigt, und über den bis zum und durch den atmosphärischen Druck (ungefähr 100 10³ Pa (760 Torr)) ansteigenden oberen Bereich langsamer, wie entlang des Kurvenastes 23B gezeigt. Der "Knie"-Bereich 23C stellt den Übergang dar, wenn die Metallfolienmembran 9 mit der Kapsel 17 in Berührung kommt und beginnt, sich gegen diese aufzubiegen.
Ein solches Aufbiegen kann etwas kritisch sein, weil die Berührungen und das Lösen der Oberflächen der Metallmembran und der Kapsel voneinander zu einer unerwünschten "Hysteresys" führen können (das heißt, sie sind nicht immer genau die gleichen für die gleichen Druckwechsel); eine unvermeidbare Rauheit der berührten Kapseloberflächen steuert zu diesem Problem bei und eine Verbesserung wird erreicht, wenn der Bereich der Berührung absichtlich klein gehalten und nicht zugelassen wird, daß er sich über den größten Teil der exponierten Bodenoberfläche der Kapsel ausbreitet. Dieser kleine Bereich der Berührung entwickelt auch eine bevorzugte Aufbiegungscharakteristik für die Scheibe 19 und ein geeigneter Weg zur Förderung der gewünschten Wirkungen besteht darin, einen flachen aber trotzdem hervorstehenden "Knopf" 19D auf der Unterseite der Kapselscheibe vorzusehen. Die flexible Isolierscheibe 19 besteht vorzugsweise aus keramischem Material, wie Aluminiumoxid, das aus kapazitiven Druckmesserstrukturen des Standes der Technik als brauchbar bekannt ist. Das gleiche gilt für den zusammenwirkenden getragenen starren Kapselteil 17, mit dem sie an ihrem Umfang vereinigt ist. Die Materialien und die Verbindungstechiken für solche Keramik sind im Stand der Technik umfassend festgelegt und werden deshalb hier nicht erläutert; dasselbe gilt auch für die Bildung der Elektrodenmetallfilmdicken auf den verschiedenen Oberflächen. Der vorerwähnte flache Isolier-"Knopf" oder Ausbuchtung 19D kann ein an der Unterseite der Scheibe 19 befestigtes, separates, dünnes, kreisförmiges Keramik- oder Glaselement enthalten, oder er kann, wie dargestellt, die Form einer Schmelzglas- Glasurschicht 19F haben. Vorzugsweise haben die zentralen kreisförmigen Elektrodenschichten 19A und 19C auf der Scheibe 19 ungefähr die gleiche Größe und sind im Verhältnis zum Gesamtdurchmesser der Scheibe verhältnismäßig klein, wie ungefähr ein Drittel, oder normalerweise ungefähr 1,25 cm im Durchmesser, im Verhältnis zu einem effektiven Scheibendurchmesser von ungefähr 3,75 cm. Die gewünschte glatte Glasurschicht 19E des "Knopfs" 19D überlagert nun den unteren Elektrodenfilm 19C (Fig. 5B). Das kleine (normalerweise 1,6 mm (1/16 Zoll)) zentrale Loch 19B durch die Scheibe 19 ermöglicht es, die die obere Elektrode 19A und die untere Elektrode 19C bildenden metallischen Filmschichten mit einem gleichen und gleichzeitig aufgebrachten metallischen Film, der sich durch das Loch erstreckt, elektrisch zu verbinden. Es können viele der Vorteile des verbesserten Wandlers realisiert werden, wenn nur eine obere Elektrode, wie 19A, verwendet wird, weil eine Keramikscheibe 19 aus Aluminiumoxid eine sehr hohe Dielektrizitätskonstante hat (ungefähr 9,5, bezogen auf 1 für Vakuum), und deshalb wirkt, als hätte sie nur ungefähr 1/10 ihrer wirklichen geringen Dicke von ungefähr nur 1,1 mm (0,045 Zoll). Es scheint allgemein eine bessere Praxis zu sein, die untere Elektrode 19C an der Stelle zu haben, um die Kapazität für den Hauptempfindlichkeitsbereich mit der Metallmembran 9 zu bilden; die Glasurschicht 19E verhindert natürlich jeden elektrischen Kurzschluß dieser Membran mit der Elektrode 19C, wenn sie in Berührung kommen und die Membran ausgebogen wird, während sie die flexible Scheibe unter den Bedingungen einer Messung höherer Drücke nach oben bewegt.
Die durch die Metallfolienmembran 9 gebildete Elektrode ist sowohl elektrisch, als auch mechanisch zum Beispiel durch peripheres Schweißen mit dem Metallgehäuse des Wandlers oder den Körperteilen 7 und 8 verbunden, und sie haben auch mit Hilfe eines plattenförmigen metallischen Rings 17E (Fig. 4B) um die obere periphere Oberfläche der festen Keramikschulter 17A eine gute elektrische Verbindung mit der oberen inneren Kapselelektrode 18. Dieser Ring ist durch eine durch das Loch 17D im Kapselelement 17 hindurchgehende Beschichtung 17F mit der Elektrode 18 verbunden und steht, zusammen mit der Membran 9, über leitende Pfade wie die darüberliegende feste Abstandsscheibe 24 und den Federring 25 zwischen dem Schulterring 17E und der metallischen Abdeckung 11 (Fig. 1), die an den Körperteil 7 angeschweißt wird, wenn die Wandlereinrichtung komplettiert wird, mit dem Wandlerkörper elektrisch in Verbindung. Sowohl die Membran 9, als auch die fest positionierte Elektrode 18 bilden die oben erwähnten bedeutenden kapazitätsvariablen Verhältnisse mit den verbundenen Scheibenelektroden 19C beziehungsweise 19A, und es ist natürlich erforderlich, daß eine sichere und separate elektrische Verbindung mit diesen verbundenen Elektroden vorhanden ist; die innere leitende Feder 14A, verbunden mit der äußerlich zugängigen Ausgangsleitung 14, bewirkt eine solche Verbindung indem sie mit einem plattierten leitfähigen radialen Streifen 19F (Fig. 5A), der integral und gleichzeitig mit der Scheibenelektrode 19A (und 19E) aufgebracht wurde, in Verbindung steht und einen guten Kontakt herstellt. Zu diesem Zweck muß die Kontaktfeder 14A den Streifen 19F durch das Kapselelement 17 erreichen, ohne mit einer der metallischen Plattierungen ihrer Elektrode 18 und des Verbindungsrings 17 sowie der durchgehenden Beschichtung 17F in Verbindung zu kommen, und sie tut das durch freies Hindurchtreten durch die verhältnismäßig große Durchgangsöffnung 17D und festes Andrücken an den Streifen 19F.
Die obere Elektrode 18 auf der Innenseite der Kapsel 17 weist im wesentlichen die gleiche Form und Größe wie die damit zusammenwirkende parallele untere innere Kapselelektrode 19A auf, und der normale Abstand zwischen ihnen, ist bei nichtabgelenkter Scheibe 19 normalerweise nur sehr klein, ungefähr in der Größenordnung einiger Zehntel mm (tausendstel Zoll) (zum Beispiel 0,2 mm (0,008 Zoll)). Dieser Abstand wird im wesentlichen durch die Tiefe des Kapselhohlraums 20 bestimmt, wobei die Filmelektroden selbst außerordentlich dünn sind. Sogar ein noch engerer normaler Abstand zwischen der nichtabgelenkten Membran 9 und der darüber befindlichen Kapselelektrodenoberfläche 19C wird durch geeignete Abmessungen aufrechterhalten, die dazu führen, daß die äußere Oberfläche der Kapsel und die innere Schulteroberfläche des Wandlerkörpers 7 einander gegenüberstehen, wenn erforderlich unterstützt durch eine Hilfsausgleichscheibe 26 (Fig. 1).
Bei anderen Konstruktionen können die plattenförmigen filmartigen Elektroden statt dessen dickere und/oder spezifisch unterschiedliche leitfähige Materialbereiche haben, und die Kapsel kann eine Metallfolienmembran einschließen und keine Keramikscheibe. Anstelle der dargestellten Kontaktfeder können flexible Leitungen verwendet werden, und eine Durchgangsöffnung für ihre Einführung ins Innere der Kapsel kann getrennt von der plattierten Durchführung angeordnet sein. Die zwei unterschiedlichen Kapazitäten können unabhängig voneinander durch separate Leitungen herausgeführt werden, wenn es zweckmäßig erscheint. Um eine gute Ablenkung der Kapselscheibe durch die Hauptmembran zu erreichen, kann eine Fluidfüllung wie Silikon angewendet werden. Darüber hinaus können die gleichen Prinzipien und Merkmale der Konstruktion auch bei anderen kapazitiven Druckmessern als Absolutdruckmessern verwendet werden. Es ist folglich verständlich, daß die hier beschriebenen speziellen Ausführungsformen und Praktiken der Offenbarung dienen und nicht als Begrenzung und daß verschiedene Modifikationen, Kombinationen und Ersatzlösungen durch Fachleute durchgeführt werden können, ohne von der Erfindung in ihren breiteren Gesichtspunkten und den Ansprüchen abzuweichen.

Claims

1. Kapazitiver Druckwandler mit einer verschiedene Fluiddrücke aufweisende Bereiche fluiddicht trennenden Membran (9), die damit bewegbare elektrisch leitfähige Kondensatorelektroden-Oberflächen aufweist und einer in einem der Bereiche angeordneten, zusammengesetzten Kondensatoreinrichtung (17), die ein flexibles Element (19) mit damit in engem Abstand zu den Elektrodenoberflächen der Membran (9) bewegbaren, elektrisch leitfähigen Kondensatorelektroden-Oberflächen (19A, 19B) umfaßt und einen ersten variablen Kondensator damit bildet, und einem relativ starren Element (17C), das in einem Abstand zu den Elektrodenoberflächen (19A, 19C) des flexiblen Elements (19) relativ stationäre elektrisch leitende Kondensatorelektroden-Oberflächen (18) aufweist und einen zweiten variablen Kondensator damit bildet, und einer Einrichtung (7), die die zusammengesetzte Kondensatoreinrichtung im Verhältnis zu der Membran (9) in Position hält, so daß die Membran das flexible Element (19), in Abhängigkeit von und um Werte, bezogen auf die über einen vorbestimmten Wert hinausgehenden Druckdifferenzen zwischen den Bereichen physikalisch verschiebt, wobei der erste variable Kondensator auf Drücke innerhalb eines vorbestimmten Bereiches bezogene Kapazitäten annimmt und der zweite variable Kondensator auf Druckdifferenzen über diesem Bereich bezogene Kapazitäten.

2. Kapazitiver Druckwandler nach Anspruch 1, bei dem die Membran (9) ein Blechelement enthält, dessen dem einen Bereich ausgesetzte Seite leitende Elektrodenoberflächen aufweist; sowie mit einer Einrichtung zum Halten des einen Bereichs auf einem niedrigen Referenzdruck und einer Einrichtung (10) zum Anlegen der gemessenen Drücke an die andere Region.

3. Kapazitiver Druckwandler nach Anspruch 2, bei dem der niedrige Referenzdruck im wesentlichen ein Vakuum ist und auf einem Zustand nahe dem Vakuum gehalten wird, und bei dem sich der vorbestimmte Druckbereich von nahe dem Vakuum bis zu einem für die Messung interessierenden maximalen Niederdruck erstreckt, und bei dem die zweite variable Kapazität meßbare, auf den in der anderen Region herrschenden atmosphärischen Druck bezogene Werte abgibt.

4. Kapazitiver Druckwandler nach Anspruch 1, bei dem die Membran (9) ein Blechelement enthält, dessen dem einen Bereich ausgesetzte Seite leitfähige Elektrodenoberflächen aufweist, und Isoliermittel die leitfähigen Elektrodenoberflächen des Diaphragmas von den leitfähigen Elektrodenoberflächen des flexiblen Elements elektrisch trennen, wenn die Membran damit in Berührung tritt und das flexible Element in Abhängigkeit von den Druckdifferenzen über dem vorbestimmten Wert physikalisch verschiebt.

5. Kapazitiver Druckwandler nach Anspruch 4, bei dem die zusammengesetzte Kondensatoreinrichtung als flexibles Element (19) eine relativ dünne, flache, flexible Isolierscheibe enthält, deren Kondensatorelektroden-Oberflächen als leitfahige dünne Metallbeschichtungen ausgebildet sind und als starres Element (17C) einen harten Körper aus Isoliermaterial, dessen Kondensatorelektroden-Oberfläche (18) durch eine leitfähige dünne Metallbeschichtung auf einer im wesentlichen ebenen Oberfläche desselben, in engem Abstand und im wesentlichen parallel zu der Scheibe, ausgebildet ist.

6. Kapazitiver Druckwandler nach Anspruch 5, bei dem die zusammengesetzte Kondensatoreinrichtung in Form einer hohlen Kapsel, mit der flexiblen Scheibe (19) und dem harten Isolierkörper (17C) peripher in einer festen Relation zueinander, mit einem definierten inneren Hohlraum dazwischen, ausgebildet ist, wobei sich die Kondensatorelektroden-Oberflächen (19A, 19C) der Scheibe und des Isolierkörpers über den inneren Hohlraum gegenüberstehen und dabei den zweiten variablen Kondensator bilden.

7. Kapazitiver Druckwandler nach Anspruch 6, bei dem die Isolierscheibe (19) und der Isolierkörper (17C) aus Keramikmaterial bestehen, wobei die Kondensatorelektroden- Oberflächen (19a, 19C) als Beschichtungen auf das Keramikmaterial aufgebracht sind, und weiterhin Einrichtungen (7, 8) zum elektrischen Verbinden der Kondensatorelektroden- Oberflächen der Membran (9) und des Isolierkörpers (17C) enthalten sind, wobei die auftretende Gesamtkapazität zwischen den Kondensatorelektroden-Oberflächen der Scheibe und den miteinander verbundenen Oberflächen der Membran und des Isolierkörpers im wesentlichen die Summe der Kapazitäten des ersten und zweiten variablen Kondensators ist.

8. Kapazitiver Druckwandler nach Anspruch 7, bei dem die Scheibe (19) und der Isolierkörper (17C) kreisförmige Umfangslinien haben und miteinander vereint der hohlen Kapsel eine im wesentlichen zylindrische Form verleihen, wobei die Kondensatorelektroden-Oberflächen der Kapsel im wesentlichen kreisförmig und zentrisch zu der Scheibe und dem Isolierkörper (17C) angeordnet sind und die Durchmesser der kreisförmigen Elektrodenoberflächen (19A, 19C) im wesentlichen gleich sind, und bei dem der Zwischenraum zwischen den Elektrodenoberflächen (18) des Isolierkörpers (17C) und der nicht verschobenen Scheibe (19) größer ist, als der zwischen der nicht verschobenen Scheibe (19) und der nicht verschobenen Membran (9).

9. Kapazitiver Druckwandler nach Anspruch 7, bei dem die Scheibe (19) und der Isolierkörper (17C) kreisförmige Umfangslinien haben und miteinander vereint der hohlen Kapsel eine im wesentlichen zylindrische Form verleihen, wobei die Kondensatorelektroden-Oberflächen der Kapsel im wesentlichen kreisförmig und zentrisch zu der Scheibe und dem Isolierkörper angeordnet sind, und bei dem die Elektrodenoberflächen (19A, 19C) der Scheibe (19) auf der der Membran zugewandten Seite weiterhin beschichtete Oberflächen aufweisen, wobei eine Isoliereinrichtung zwischen den weiteren beschichteten Oberflächen und der Membran (9) angeordnet ist.

10. Kapazitiver Druckwandler nach Anspruch 9, bei dem die dünne Scheibe (19) eine Durchgangsöffnung (19B) aufweist, bei dem dasselbe, zur Bildung der Elektrodenoberflächen auf beiden Seiten der Scheibe (19) verwendete, Beschichtungsmaterial zur Beschichtung der Öffnung (19B) zur elektrischen Verbindung der Elektrodenoberflächen (19A, 19C) auf beiden Seiten der Platte (19) aufgetragen ist, und bei dem die Elektrodenoberflächen (19A, 19C) auf beiden Seiten der Platte (19) im wesentlichen den gleichen Durchmesser haben.

11. Kapazitiver Druckwandler nach Anspruch 10, bei dem der Isolierkörper auf der der Membran (9) zugewandten Seite der Scheibe (19) eine relativ dünne isolierende Glasur (19E) über der Elektrodenoberfläche aufweist.

12. Kapazitiver Druckwandler nach Anspruch 11, bei dem die Durchmesser der Elektrodenoberflächen (19A, 19C) ungefähr ein Drittel des Durchmessers der Isolierscheibe betragen; bei dem die Scheibe und der Isolierkörper (19C) aus Aluminiumoxid bestehen, und bei dem die Glasur (19E) aus Glas besteht und einen flachen, knopfartigen Vorsprung bildet, dessen Durchmesser auf der der Membran (9) zugewandten Seite der Scheibe (19) den der Elektrodenoberflächen (19A, 19C) geringfügig überschreitet.

13. Kapazitiver Druckwandler nach Anspruch 9, bei dem die Elektrodenoberfläche (19A) auf der dem Hohlraum gegenüberliegenden Seite der Scheibe (19) in einen integriert mit ihr ausgebildeten schmalen, radialen, leitenden Streifen (19F) ausläuft; bei dem der Isolierkörper (17C) wenigstens eine, mit dem radialen Streifen (19F) auf der Scheibe (19) ausgerichtete Durchgangsöffnung (17D) in den Hohlraum hat und weiterhin einen sich von dem radialen Streifen durch die genannte Öffnung (17D) in dem Isolierkörper (17C) aus dem Hohlraum heraus erstreckenden flexiblen elektrischen Kontakt (14A) enthält.

14. Kapazitiver Druckwandler nach Anspruch 13, umfassend einen weiteren, auf der Außenseite des Isolierkörpers aufgebrachten, sich durch die Öffnung (17D) in dem Isolierkörper (17C) erstreckenden und elektrisch mit den Elektrodenoberflächen (19A, 19C) des Isolierkörpers (17C) innerhalb des Hohlraums verbundenen leitenden elektrischen Kontakt, wobei sich der flexible elektrische Kontakt (14A) durch die Öffnung im Isolierkörper erstreckt, ohne mit der, durch diese hindurchgehenden Beschichtung (17F) in Berührung zu kommen.

15. Verfahren zur kapazitiven Druckbestimmung über einen weiten Bereich, bei dem die entgegengesetzten Seiten einer Membran in unterschiedlichen Bereichen, die durch die Membran voneinander getrennt werden, herrschenden Drücken ausgesetzt werden, wodurch die Membran entsprechend verschoben wird; eine erste variable Kapazität zwischen ersten, mit der Membran bewegbaren Kondensatorelektroden-Oberflächen und zweiten, von einem flexiblen Isolierkörper in einem der Bereiche getragenen, Kondensatorelektroden-Oberflächen ausgebildet wird; eine zweite variable Kapazität zwischen den zweiten Kondensatorelektroden-Oberflächen und dritten Kondensatorelektroden-Oberflächen ausgebildet wird, während die dritten Elektrodenoberflächen in der einen der Regionen in ihrer Position fixiert werden, wobei der Schritt der Ausbildung der zweiten variablen Kapazität das physikalische Verschieben des flexiblen Isolierelements in Übereinstimmung mit der Verschiebung der Membran umfaßt, wenn die Verschiebung des Diaphragmas einen vorbestimmten Bereich überschreitet.

16. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem in einem der Bereiche ein im wesentlichen evakuierter Zustand aufrechterhalten wird und der andere Bereich dem zu messenden Druck in Werten des absoluten Drucks ausgesetzt wird; und bei dem der Schritt der Ausbildung der zweiten variablen Kapazität die physikalische Verschiebung von Elektrodenoberflächen des flexiblen Elements durch eine elektrische Isolierung umfaßt, die einen elektrischen Kontakt der ersten mit der zweiten Elektrodenoberfläche verhindert; und das weiterhin eine additive Kombination der ersten mit der zweiten variablen Kapazität, zur kapazitiven Bestimmung des Drucks in dem anderen Bereich in Werten des absoluten Drucks einschließt.