专利名称：测量单元的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种按照权利要求1的前序部分所述的测量单元。
背景技术：
由现有技术已知这样的测量单元例如作为压力测量单元用于电容地探测外部的 作用在测量单元上的压力。这样的电容的压力测量单元具有基体和在基体上设置的测量膜 片，其中在测量膜片与基体的相互面对的表面上设置平面的电极用于形成电容。在压力作 用到测量膜片上时改变在测量膜片与基体之间的间距并从而改变由各电极构成的电容器 的电容，从而作用的压力的探测是可能的。在按该原则构成的测量单元中有问题的是，由于快速的温度变化(所谓热冲击) 例如从20°C向80°C的温度突变，并且由于在测量单元内的较缓慢的温度平衡导致测量单 元的机械结构的变形，由于测量膜片的由此产生的挠曲引起测量值的改变，尽管并没有发 生压力变化。在缓慢的温度变化时经由一在测量膜片与基体之间的玻璃钎焊连接的传热 平衡温度水平，从而不引起测量单元和特别是测量膜片的变形。但在快速的温度变换时，如 其例如在热冲击时产生的，只在较长的时间以后才实现测量膜片与基体之间的温度平衡， 从而由于温度梯度测量膜片相对于基体变形，改变测量单元内部的电容比并假冒一压力变 化。为了补偿这样的错误测定，由现有技术、例如由EP 1186875B已知，在玻璃钎焊连 接中，借助于它将测量膜片设置在基体上，设置一温度传感器用以检测温度变化。通过该温 度传感器可以分辨具有陡的温度梯度的温度变化和实际的压力变化，并且借助于电子的处 理来补偿输出的测量值。按照公司内部的现有技术还试图，借助测量膜片的弯曲线和由此改变的电容值识 别发生的热冲击并紧接着校正错误的测量值。但对上述补偿方法不利的是，首先借助错误的测量值识别热冲击的存在并因此需 要测量值的很快速的信号处理。此外有问题的是，不可能可靠地识别和处理在时间上重叠 的事件，例如压力冲击与热冲击的重叠。
发明内容
本发明的目的是进一步构成一种上述型式的测量单元，使其减小热冲击的影响和由其产生的测量误差。通过一种具有权利要求1的特征的测量单元达到该目的。该测量单元的优选的进一步构成是诸从属权利要求的主题。一种按照权利要求的测量单元具有基体、在基体上设置的测量膜片和测量装置， 所述测量装置包括第一测量元件和第二测量元件，其中第一测量元件设置在测量膜片上， 并且设有中间膜片，所述中间膜片设置在测量膜片与基体之间，并且在所述中间膜片上设 置第二测量元件。
这样构成的测量单元(其例如可以用作为压力测量单元)能够按纯机械结构的方 式这样实现热冲击的补偿，即在测量膜片与基体之间设置一附加的中间膜片，在所述中间 膜片上设置第二测量元件。作用到测量膜片上的压力保持对于中间膜片没有意义，但作用 到测量膜片上的热冲击由于中间膜片的相对于基体较小的厚度很迅速地传递到中间膜片 上，从而两个膜片由于其类似的热质量遭受由于热冲击引起的相同型式和大小的变形。可 以由此在机械结构上补偿对一缝隙间距的影响，该缝隙间距在电容的测量单元中决定性地 决定电容的大小并从而决定输出的压力测量值。从外面作用到测量膜片上的温度变化在热冲击时显著较快地传递到在基体与测 量膜片之间设置的中间膜片，从而中间膜片遭受一如测量膜片类似的变形，因此不仅第一 测量元件而且第二测量元件刚好遭受该方向相同的变化，从而可以避免或大大抑制热冲击 引起的测量值变化。关于测量单元作为电容的测量单元的实施形式，各测量元件可以构造成测量电 极。一个通过各测量电极构成的测量电容因此在热冲击时遭受只微小的改变，因为不仅测 量膜片而且中间膜片接近相同地膨胀并从而可以避免在各膜片之间的缝隙间距的改变。为了形成尽可能大的电容，各测量电极可以构成为相同大小的平面的镀金属件 (Metallisierimg)，其中各测量电极同心地设置在测量膜片和中间膜片上并且具有处在测 量膜片的半径的80%与95%之间的半径。各测量电极的厚度或用于各测量电极的镀金属件的厚度优选处在几微米的范围 内。除了测量电极外还可以设置基准电极，它们成环形包围各测量电极。通过基准电 极在焊接环的区域内的设置，利用该焊接环测量膜片和中间膜片在其边缘上环绕地固定在 基体上，确保不仅在压力变化时而且在温度变化时只发生通过各基准电极构成的基准电容 的微小电容变化，由此借助于各测量电极形成(aufgenommenen)的电容值的正常化是可能 的。为了单独地探测热冲击，合理的是，在中间膜片和基体的相互面对的平面上设置 其他的测量元件、例如测量电极，从而借助于其他的测量元件可以求得中间膜片相对于基 体的变形或位移。由此还有可能探测热冲击并且实施热冲击的附加的补偿。为了中间膜片的热质量并从而中间膜片不敏感地匹配于测量单元内部的压力变 化，可以有利的是，各中间膜片构造有凹槽或形式为通口的空隙。当中间膜片的厚度处在测量膜片的厚度的100%与150%之间时，得到热冲击效 应的有利的影响。通过焊接环宽度在2mm与5mm之间的变化可以达到各膜片的传热或挠曲的另一影 响。通过焊接环的厚度在10 μ m与20 μ m之间的变化还可以达到，将测量电容和基准 电容的数值最好地校准到一探测，从而由此测量误差较小有重要性。减小来自热冲击的影响的另一可能性在于，在测量膜片与基体之间的间隙中用一 种具有比空气高的热导率的流体、例如氦、氢、水或甘油注满。特别是当在流体中涉及液体 时，其按其性质是不可压缩的，有利的是，设有一压力平衡装置，例如以经由通道连接的压 力平衡膜片的形式、以无加载(fehlerbelasteten)的压力平衡容器的形式或以容积可变的压力平衡容器的形式，以便在测量单元内确保一致的压力条件。
以下借助各实施例参照附图更详细地说明本发明。其中图Ia示出按照本发明的包括中间膜片的测量单元的第一实施例，图Ib示出按照本发明的包括中间膜片的测量单元的第二实施例，图2示出热冲击对传统的测量单元的影响的夸大的视图，图3示出热冲击对按照本发明的测量单元的影响的夸大的视图，图4在从20向80°C的热冲击时包括测量膜片、中间膜片和基体的温度分布的曲线 图，图5不同的测量膜片和中间膜片的偏移的比较；图6不同的中间膜片时最大的缝隙间距的时间上的发展的比较，图7按照现有技术的测量单元和按照本发明的测量单元的测量电容和基准电容 的发展的比较，图8在按照现有技术的测量单元和按照本发明的测量单元中测量电容和基准电 容的变化的比较，以及图9在按照现有技术的测量单元和按照本发明的测量单元中测量值的变化的比较。
具体实施例方式图2以夸大的视图示出热冲击对如由现有技术已知的测量单元1的影响。测量单 元1简化示于图2中并且由一个包括测量膜片5的基体3构成，该测量膜片经由一焊接环 16连接于基体3。通过热冲击、例如在少于一秒内从20°C向80°C的温度突变由于测量膜片 5和基体3的不同的温度水平而在测量单元1中引入一张力，从而测量膜片5如图中所示向 上拱起并由此加大在测量膜片5与基体3的面向测量膜片5的上侧面之间的缝隙间距d。 这样的温度冲击改变测量电容Cm的数值，该电容通过在该图中未示出的测量电极10、11形 成，由于缝隙间距d的改变，而探测到一压力降，尽管并不存在外部的压力变化。按这种方 式产生测量误差，其只通过耗费很大的补偿装置、例如借助于温度传感器才可以检测和补 偿例如测量误差。图Ia示出按照本发明的压力测量单元1，其由一个基体3构成，在该基体上经由焊 接环16以夹层构造方式的型式设置一个中间膜片7和一个测量膜片5。测量膜片5在压力 测量单元1的应用中向外定向并且在压力作用时相对于中间膜片7和基体3变形，从而测 量电容Cm根据压力作用而改变，该电容通过在测量膜片5上和在中间膜片7上设置的测量 电极10、11形成。按这种方式可以探测并按大小确定一个从外面作用的压力。作用到测量 膜片5上的压力保持对中间膜片7没有影响，它可以有利地构成有多个通口，从而处在测量 膜片5与中间膜片7之间的缝隙间距d的改变和由其产生的电容变化对于作用的压力是具 有代表性的。从外面作用到测量膜片5上的温度变化，由于中间膜片7相对于基体3较小的热 质量显著较快地传递到中间膜片7上，从而测量膜片5和中间膜片7与基体3相比由于热作用遭受相同大的和相同快的变形，借此在测量电极10、11之间的缝隙间距d基本上保持 不变。通过中间膜片7的热质量(thermischen Masse)的合适的匹配，亦即，与测量膜片 5的一厚度m相比合适地选择中间膜片7的厚度z，以及通过合适地确定缝隙间距d的尺寸 可以进一步降低压力测量单元1对热冲击的敏感性。在具有约^mm的膜片直径的压力测 量单元1中证实，当中间膜片7的厚度ζ为650 μ m时，其大致为测量膜片5的厚度m的1. 5 倍，则达到很好的补偿结果。中间膜片的最好的厚度ζ取决于焊接环的尺寸。所选择的缝 隙间距d在这样的测量单元中约为16 μ m，从而通过确定测量电极10、11的适合大的尺寸可 以达到在50pF范围内的测量电容。图Ib示出图Ia的压力测量单元的进一步构成，其中一方面在测量膜片5与中间 膜片7之间设有成环形围绕测量电极10、11设置的基准电极14、15，而另一方面在基体3与 中间膜片7之间设有其他的测量电极12。通过在边缘区域在焊接环16内设置的基准电极 14、15形成一个附加的基准电容Ck，其数值不仅在压力作用时而且在热作用时由于到焊接 环16的位置只发生不大的改变。通过基准电容Ck有可能将借助于测量电极10、11求得的 测量电容Cm的数值正常化，从而得到一个无量纲的测量值M。通过在中间膜片7与基体3之间设置的其他的电极12形成一用于探测热冲击的 电容，以下称为热电容CT。由于虽然作用到测量膜片5上的压力保持对于中间膜片7没有 影响，但由中间膜片7与测量膜片5几乎相同地接受热作用，可以通过热电容Ct探测热冲 击并因此除了通过中间膜片7的补偿外也在进一步的处理中考虑例如通过另一补偿。按这 种方式可以进一步优化由按照本发明构成的测量单元1得到的测量值M。与另一以上所述图2相比较，图3示出热冲击对按照本发明构成的压力测量单元 1的影响。如由图3中的视图与由图6的曲线图相结合可以得出的，在测量膜片5与中间 膜片7之间的缝隙间距d在与测量膜片5的厚度m相比最佳地选择中间膜片7的厚度的情 况下只微不足道地改变，从而如图7中所示，在热冲击的最大的影响的时刻达到测量电容Cm 的数值的改善高达80%。如图7中还可得出的，在按照本发明的具有中间膜片7的测量单 元1中也较少地影响基准电容Ck的数值，从而总的来说，如这由图9可得出的，可以达到测 量值M的改善高达83%。图4中在测量单元1的中心对于测量膜片5以特性曲线41、对于中间膜片7以特 性曲线42和对于基体3以特性曲线43示出在从20°C向80°C的热冲击时温度θ的变化。 用于评价的测量单元1构成有一个厚度m = 430 μ m的测量膜片5和一个厚度ζ = 650 μ m 的中间膜片7。如由图4中的特性曲线41可看出的，测量膜片5在约一秒内接受一从20°C 向80°C的温度突变并接着在80°C的温度时停留不变。与基体3的较缓慢的温度接受(参 见特性曲线430)相比较，中间膜片7已在约11秒以后达到70°C的温度，那时相反基体3只 在约25秒的时间t以后才达到该温度θ。通过这样的显著较快的温度接受以及通过测量 膜片5的机械的应力向中间膜片7的传递，中间膜片7与测量膜片5几乎相同地向上偏移。图5示出四个测量单元的比较，它们分别具有一个厚度m = 430 μ m的测量膜片和 一个厚度ζ在210μπι至650μπι范围内的中间膜片。在图5的曲线图中示出在作用热冲击 时在时间t内膜片5、7从初始位置的偏移a。示出的是，在作用热冲击时中间膜片7与 测量膜片5相比较从其初始位置相应地向上偏移。如由图5可看出的，利用一个厚度ζ=650 μ m的中间膜片7得到最好的结果。图6中以如图5中相同的时间比例示出缝隙间距d，其由测量膜片5和中间膜片7 的偏移a的差值得出并且这样能够进行不同的厚度ζ的中间膜片的比较。为了能够与现有 技术已知的测量单元1相比较，除图6中比较的各中间膜片厚度ζ之外还示出具有一个厚 度ζ为10000 μ m的中间膜片的测量单元，其性能由于很大的厚度ζ和大的热质量相当于测 量单元1的基体3。在按照现有技术的测量单元1中，缝隙间距d(如在图6的特性曲线61 中所示出的)在热冲击的作用下从原来的16 μ m改变为超过18 μ m,这导致测量电容Cm在 图7中所示的从50. 6pF到约45. 5pF的波动。最大的电容波动在标准测量单元中因此为约 5. 3pF，亦即超过实际测量的电容值的10%。这样的波动可以利用一个具有例如ζ = 650 μ m 的厚度ζ的中间膜片7 (如其以特性曲线63在图6中说明的)减到约士 0. 4μ m并从而减 到最大的电容波动士 1F。图7中还示出一个按现有技术的测量单元1和一个具有厚度ζ = 650 μ m的中间 膜片7的测量单元1的基准电容Ck的波动。如由图7可看出的，对于基准容器Ck通过中间 膜片7也显著地减小其波动。图8中绘出测量电容Cm和基准电容Ck彼此相对的变化。由按现有技术的特性曲 线81和对于按照本发明的测量单元1的特性曲线82显而易见的是，对于按照本发明的具 有650 μ m的补偿膜片的测量单元1，测量值M (其包括测量电容Cm对基准电容Ck的比例) 的变化在一个显著较小的范围内波动并且与标准测量单元相比具有较大的线性。图9中示出对由测量单元1输出的测量值M的影响，其按公式M = 1_CK/CM构成。 如由图9中各特性曲线显而易见的，通过650 μ m的中间膜片在热冲击时可以显著减小测量 值波动，从而达到由测量单元1输出的测量值M的较大的可靠性。如以上所述，还有可能的是，通过在测量膜片5与基体3之间形成的间隙填满一种 热导率比空气高的流体，达到热作用向中间膜片7和基体3的较快的传递，从而由于较快的 热传递，图4至9中所示的过程在时间上迅速地终止。由此达到，热冲击的影响只在较短的 时间间隔内作用到由测量单元1输出的测量值M上并由此进一步减小测量误差的危险。附图标记清单1力测量单元affl测量膜片偏移3基体az中间膜片偏移5测量膜片C电容7中间膜片Cm测量电容10第一测量元件/‘电极Ce基准电容11第二测量元件/‘电极d缝隙间距14基准电极e测量电极厚度15基准电极m测量膜片厚度16焊接环M测量值30力平衡膜片r半径a偏移t时间a0初始位置ζ中间膜片厚度
权利要求
1.测量单元，包括 基体⑶，测量膜片(5)，所述测量膜片设置在基体C3)上，测量装置，所述测量装置具有第一测量元件(10)和第二测量元件(11)，其中第一测量 元件(10)设置在测量膜片( 上；其特征在于，设有中间膜片(7)，所述中间膜片设置在测量膜片(5)与基体(3)之间，并 且在所述中间膜片上设置第二测量元件(11)。
2.按照权利要求1所述的测量单元(1)，其特征在于，各测量元件(10、11)是测量电极。
3.按照权利要求2所述的测量单元，其特征在于，各测量电极(10、11)构造成相同大小 的平面的镀金属件并且形成测量电容Q。
4.按照权利要求3所述的测量单元(1)，其特征在于，所述测量电极(10、11)同心地设 置并且具有处在4mm与7mm之间的半径(r)。
5.按照权利要求3或4之一项所述的测量单元(1)，其特征在于，测量电极(10、11)的 厚度(a)处在1 μ m与10 μ m之间。
6.按照权利要求4所述的测量单元(1)，其特征在于，设有成环形构造的基准电极 (14)。
7.按照上述权利要求之一项所述的测量单元(1)，其特征在于，在中间膜片(7)上和在 基体C3)上设置其他的测量元件(12)。
8.按照上述权利要求之一项所述的测量单元(1)，其特征在于，中间膜片(7)具有多个空隙。
9.按照上述权利要求之一项所述的测量单元(1)，其特征在于，中间膜片(7)的厚度 (ζ)处在测量膜片(5)的厚度(m)的100%与150%之间。
10.按照上述权利要求之一项所述的测量单元(1)，其特征在于，在测量膜片(5)与中 间膜片(7)之间设置的焊接环(16)具有在2mm与5mm之间的宽度。
11.按照上述权利要求之一项所述的测量单元(1)，其特征在于，焊接环(16)具有在 ΙΟμπι与20μπι之间的厚度。
12.按照上述权利要求之一项所述的测量单元(1)，其特征在于，在测量膜片( 与基 体(3)之间的间隙用热导率比空气高的流体填充。
13.按照权利要求12所述的测量单元(1)，其特征在于，设有压力平衡装置。
全文摘要
本发明涉及一种测量单元，包括基体(3)；测量膜片(5)；所述测量膜片设置在基体(3)上；测量装置，其具有第一测量元件(10)和第二测量元件(11)，其中第一测量元件(10)设置在测量膜片(5)上；其中设有中间膜片(7)，所述中间膜片设置在测量膜片(5)与基体(3)之间，并且在所述中间膜片上设置第二测量元件(11)。
文档编号G01L9/12GK102052988SQ20101028109
公开日2011年5月11日 申请日期2010年9月9日 优先权日2009年11月2日
发明者H·格吕勒 申请人:Vega格里沙贝两合公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
