DE2939476A1

DE2939476A1 - Variabler kondensator und verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number: DE2939476A1
Application number: DE19792939476
Authority: DE
Inventors: Peter R Braunlich
Original assignee: Bendix Corp
Current assignee: Bendix Corp
Priority date: 1978-10-02
Filing date: 1979-09-28
Publication date: 1980-04-10
Also published as: GB2037434B; JPS5548920A; US4238661A; FR2449277B1; GB2037434A; CA1149034A; FR2449277A1

Description

Variabler Kondensator und Verfahren zu dessen Herstellung

Die Erfindung betrifft einen variablen Kondensator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung nach dem Oberbegriff des Anspruches 9.

Die genaue Messung verschiedener Parameter, beispielsweise von Drucken, wird zunehmend wichtig. Ein Gebiet, auf dem derartige Druckmessungen von Bedeutung ist, liegt beim Ansaugdruck, der einen Parameter für den Kraftstoffbedarf eines Motors darstellt.

Bei der Herstellung großer Anzahlen von Kondensatoren ist es außerordentlich schwierig, alle Parameter ausreichend genau zu kontrollieren, damit jeder hergestellte Kondensator die erforderliche Kapazität erhält. Dies gilt insbesondere, wenn Hochpräzisionskondensatoren benötigt werden. Als Folge ist es entwerder notwendig, große Zahlen von Kondensatoren wegzuwerfen, weil sie die spezifizierten Toleranzen nicht erfüllen, oder die Kondensatoren auf Wert zu trimmen.

Die US-Patentschrift 3 597 579 beschreibt ein Laser-Trimmungsverfahren für Kondensatoren, bei dem die effektive Fläche einer Elektrode dadurch eingestellt wird, daß an die Elektrode Strahlungsenergie gelegt wird, über die Elektrode des Kondensators wird während der Aufbringung der Strahlungsenergie ein Potential gelegt, damit die Bildung elektrischer Kurzschlüsse verhindert wird.

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Das Trimmen eines druckempfindlichen Kondensators wird durch die Tatsache kompliziert, daß sich die Kapazität des Kondensators mit dem Druck verändert. Demzufolge muß jede Trimmung von druckempfindlichen Kondensatoren eine reproduzierbare Sensor-Funktion über einen ganzen Bereich von Drucken ermöglichen, wobei eine vollständige Eichung einzelner Sensoren eliminiert oder jedenfalls wesentlich reduziert werden soll.

Die US-Patentschrift 3 750 476 beschreibt einen Druckwandler mit zwei abgedichteten Teilen, die einen gleichförmigen Abstand voneinander besitzen und mit einem elektrisch leitenden Material so überzogen sind, daß sie zwei Platten in einem Kondensator bilden. Die US-Patentschrift 3 858 097 beschreibt einen druckempfindlichen Kondensator, der einen hohlen Körper besitzt. Dieser weist in Abstand befindliche, einander gegenüberliegende Wände auf, welche an ihren Rändern mit elektrisch leitenden Mitteln getragen werden, die auf auslenkenden Abschnitten der Wand ausgebildet sind.

Gleichzeitig mit der vorliegenden Patentanmeldung wird eine weitere Patentanmeldung derselben Anmelderin eingereicht. Diese beschreibt einen druckempfindlichen Kondensator und ein Verfahren, bei dem ein exzentrischer Scheibenabschnitt von der Elektrode des Kondensators weggetrimmt wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Kondensator der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung sowie ein Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 9 angegebenen Art so auszubilden, daß die oben erwähnten Anforderungen an Kondensator und dessen Herstellung erfüllt sind. -10-

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Diese Aufgabe wird, was den Kondensator angeht, durch die im Kennzeichen des Hauptanspruchs beschriebene Erfindung gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kondensators sind in den Ansprüchen 2 bis 8 angegeben.

Was das Herstellungsverfahren angeht, so wird die oben skizzierte Aufgabe durch die im Kennzeichen des Anspruchs 9 beschriebene Erfindung gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Ansprüchen 10 bis 18 angegeben.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 die Draufsicht auf einen druckempfindlichen Kondensator, der nicht getrimmt werden muß;

Fig. 2 einen Schnitt durch den Kondensator von Fig.1 gemäß der Linie 1-1, wobei die Dicke der Abdichtmasse und der leitenden Schicht zu Erläuterungszwecken übertrieben ist;

Fig. 3 die Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen, druckempfindlichen Kondensator;

Fig. 4 einen Schnitt durch den zweiten, druckempfindlichen

Kondensator von Fig. 3 gemäß der Linie 4-4, wobei die Dicke der Dichtmasse und der leitenden Schichten zu Illustrationszwecken übertrieben ist;

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Fig. 5 die Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen druckempfindlichen Kondensator;

Fig. 6 die Draufsicht auf einen weiteren erfindungsgemäßen druckempfindlichen Kondensator;

Fig. 7 eine Graphik, in welcher dargestellt ist, wie die Kapazität des getrimmten Kondensators nach denFign. 5 und 6 mit von außen angelegtem Druck variiert, angegeben durch die gestrichelten Linien;

Fig. 8 eine Graphik, in welcher dargestellt ist, wie die Kapazität des getrimmten Kondensators von Fig.3 mit von außen angelegtem Druck variiert, angegeben durch die gestrichelte Linie;

Fig. 9 schematisch eine Vorrichtung, welche die zum Trimmen des Kondensators erforderlichen mechanischen Bewegungen erzeugt.

In den Fign. 1 und 2 ist ein Kondensator, dessen Kapazität im wesentlichen gleich dem gewünschten Kapazitätswert an jedem Punkt im Variationsbereich des Druckes ist, mit 10 gekennzeichnet. Der Kondensator 10 enthält zwei in Abstand befindliche parallele Platten 12 und 14. Die Platten 12 und 14 sind kreisförmig mit Ausnahme eines kleinen Umfangsanschnittes, der von den Platten 12 und 14 entfernt ist. Der Sinn dieser Maßnahme wird weiter unten deutlich.

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Die Platten 12 und 14 umfassen polierte, geschmolzene, transparente Quarz- oder Glasplatten von im wesentlichen gleichförmiger Dicke. Die Verwendung von Quarz ist insofern vorteilhaft, als Quarz chemisch inert ist und demzufolge in widrigen ümwe1tbedingungen nicht korrodiert. Außerdem hält Quarz beträchtliche Kräfte und Kompressionen aus, wodurch hohe Drucke vermessen werden können. Gleichzeitig zeigt er im wesentlichen keine Hysteresis, wenn er Beanspruchungen oder Spannungen ausgesetzt wird. Schließlich hat Quarz einen sehr niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizient, so daß sein Ansprechverhalten auf Drucke im wesentlichen von Temperaturveränderungen nicht beeinflußt wird.

Dünne Schichten oder Blätter 24 und 26 aus leitendem Material, beispielsweise metallischem Chrom, mit einer Dicke von mehreren tausend Angstrom sind auf den Innenflächen 16 und 18 der Platten 12 bzw. 14 ausgebildet. Diese Metallelektroden oder Schichten 24 und 26 können auf den Innenflächen 16 bzw. 18 durch Vakuum-Verdampfen oder Sputtern derart gebildet werden, daß die Schichten 24 und 26 im wesentlichen gleichförmig dick und im wesentlichen identisch sind. Die Elektroden 24 und 26 sind kreisförmig und von-* einander durch einen Zwischenraum 28 elektrisch isoliert, der in bekannter Weise evakuiert ist, wodurch ein Vakuum gebildet wird.

Wenn der Kondensator 10 in ein Vakuum gebracht wird, haben die

kreisförmigen Elektroden 24 und 26 eine Kapazität, die durch die 2

Formel ^c ₀ ⁼ fjj angegeben ist (in cgs-Einheiten ist 1cm =_Q—χ pF). Hier ist S der Radius der kreisförmigen Elektroden 24 und 26 und d die senkrechte Entfernung bzw. der Abstand zwischen den beiden

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Elektroden 24 und 26. Dieser ist aufgrund der verhältnismäßig dünnen Metallelektroden 24 und 26 im wesentlichen auch der Abstand zwischen den beiden Platten 12 und 14.

Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein elektrischer Isolator, der aus einer dünnen Schicht von SiO- (nicht gezeigt) besteht, auf den gegenüberliegenden Flächen 27 und 31 der Elektroden 24 bzw. 26 ausgebildet; sie bedeckt im wesentlichen die Flächen und 31. Vorzugsweise ist diese Schicht mehrere tausend Angstrom dick; sie kann unter Verwendung derselben Masken- und Verdampfungstechnik hergestellt werden, die auch bei der Niederschlagung der Chromelektroden 24 und 26 auf den inneren Flächen 16 und 18 verwendet wird.

Die Platten 12 und 14 besitzen voneinander einen bestimmten Abstand, der allgemein im Bereich zwischen 0,1 und 1 mm liegt. Dies geschieht mittels einer Abstandseinrichtung bzw. eines Dichtteiles oder eines Ringes 30, v/elcher den Abstand d_Q im Gebiet der Elektroden 24 und 26 unmittelbar benachbart den Dichtring 30 aufrecht erhält. Vorzugsweise umfaßt der Dichtring 30 einen Ring aus einer Glasfritte, der konzentrisch um die Elektroden 24 und 26 angebracht ist. Die Glasfritte umfaßt vorzugsweise eine Borosilikat-Verbindung.

Elektrische Leiter 32 und 34 sind einstückig mit den Elektroden 26 bzw. 24 auf den inneren Flächen 18 und 16 der Platten 14 bzw. 12 ausgebildet. Die Leiter 32 und 34 sind auf nicht überlappenden Abschnitten der Platten 12 bzw. 14 angebracht, wodurch in einfacher

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Weise ein elektrischer Anschluß an sie erfolgen kann. Die ein stückige Herstellung der Leiter 32 und 34 mit den Elektroden bzw. 26 erfolgt zur selben Zeit, zu v/elcher auch die Elektroden 24 und 26 auf den inneren Flächen 16 und 18 gebildet werden. Das heißt: Die Leiter 32 und 34 und ihre entsprechenden Elektroden und 24 umfassen zwei Chromschichten, die mehrere tausend Angstrom dbk sind und die durch Vakuum ,/verdampfen oder Sputtern auf den inneren Flächen 16 und 18 der Platten 14 bzw. 12 gebildet werden.

Bei der Herstellung des druckempfindlichen Kondensators 10 können die Dimensionen der Platten 12 und 14 verhältnismäßig konstant gehalten werden. Der Abstand zwischen den Elektroden 24 und 26 unterscheidet sich jedoch von Kondensator zu Kondensator aufgrund von Variationen bei der Verarbeitung des Dichtringes 30. Druckempfindliche Kondensatoren sollten jedoch im wesentlichen identische Kapazität haben, wenn sie im Vakuum angeordnet sind (C_Q), wie auch bei einem Druck, welcher der erwartete maximale Betriebsdruck ist

(C(P )) . Um sicherzustellen, daß C_n für die gesamte Produktionsin ei x \J

charge ein konstanter Wert ist, werden die druckempfindlichen Kondensatoren 110, 210 und 310, die inden Fign. 3 bis 6 gezeigt sind, absichtlich mit einem etwas kleineren anfänglichen Plattenabstand als erwartet bzw. errechnet hergestellt. Dies kann durch den Ausdruck d -Δ dargestellt werden. Hier ist d der errechnete Plattenabstand des Kondensators 10 und Δ variiert aufgrund von Variationen bei der Verarbeitung des Dichtmaterials 30. Die Kondensatoren 110, 210 und 310 entsprechen baulich dem Kondensator 10 bevor sie getrimmt werden mit der Ausnahme, daß sie einen Plattenabstand von d -Δ und nicht von d besitzen. Zur Erzie-

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"¹⁵" 2939478

lung einer engen Anpassung der Kapazität der Kondensatoren 110, 210 und 310 beim maximalen Druck P_ma„ wie auch im Vakuum, muß

ITiclX

eine Trimmung erfolgen. Dabei ist zu berücksichtigen, daß nicht nur die Größe der Elektrodenfläche, die wegzutrimmen ist, sondern auch die Position der wegzutrimitienden Elektrodenfläche sorgfältig gewählt werden muß. Dies wird weiter unten anhand der Fign. 7 und 8 ausführlicher beschrieben.

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die Elektroden 124 und 126 des Kondensators 110 wie auch die Elektroden 224 und 226 des Kondensators 210 und die Elektroden 324 und 326 des Kondensators 310 dadurch getrimmt bzw. beschnitten, daß Strahlungsenergie in Form eines fokussferten Laserstrahles 41 angelegt wird. Dieser Laserstrahl 41 wird von einem Laser 42, wie in Fig. 9 gezeigt, zur Elektrode 124 durch die Quarzplatte 112 des Kondensators 110 hindurch emittiert. Die Trimmvorrichtung, die in Fig. 9 gezeigt ist, wird weiter unten ausführlicher beschrieben.

Die vorliegende Beschreibung befaßt sich zwar nur mit dem Laser-Beschneiden der oberen Elektrode 124. Es versteht sich jedoch,daß aufgrund der Nähe der Elektroden 124 und 126 auch die untere Elektrode 126 gleichzeitig mit demselben fokussierten Strahl 41 beschnitten werden kann. Für die Zwecke der nachfolgenden Beschreibung ist es unwichtig, ob die untere Elektrode 126 ebenfalls beschnitten wird, da die sich ergebende Kapazitätsveränderung, wenn auch die untere Elektrode 126 beschnitten wird, hier ohne Bedeutung ist.

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Der Laser 42 kann ein Nd:Yag-Laser (Neodym:Yttrium-Aluminium-Garnet) , ein Argon-ionenlaser oder ein ähnlicher Laser sein, der mit einem scharf fokussierten kontinuierlichen oder gepulsten Laserstrahl bei einer Wellenlänge zwischen 3CX)O und 15000 Angstrom arbeitet. Im Ergebnis kann die Breite der Laserschnitte in der Elektrode 124 kleiner als 50 Mikrometer sein.

Wie im Falle des Kondensators 10 sind die Dichtringe 130, 230 und 330 konzentrisch um ihre kreisförmigen Elektroden 124, 224 und 324 bzw. 126, 226 und 326 herum angeordnet. Die Dichtringe 130, 230 und 330, welche sich zwischen den Platten 112, 212 und 312 sowie 114, 214 und 314 befinden, halten den Abstand d -Δ zwischen den entsprechenden Platten in unmittelbarer Nachbarschaft der entsprechenden Dichtringe 130, 230, 330 aufrecht. Alle Kondensatoren 10, 110, 210 besitzen einen entsprechenden Punkt maximaler Auslenkung (nur die Punkte 44 und 144 sind gezeigt) an den inneren Flächen der flexiblen Platten 12, 112, 212 und 312. Jede dieser Platten bewegt sich um eine maximale senkrechte Entfernung auf/die andere Platte 14, 114, 214 bzw. 314 zu, wenn die Platten 12, 112, 212 und 312 an ihren Außenflächen 20, 120, 220 und 320 einem Druck ausgesetzt werden. Alle maximalen Auslenkpunkte liegen auf entsprechenden Auslenkachsen 46, 146, 246 und 346, welche senkrecht auf den inneren Flächen der entsprechenden oberen Platten 12, 112, 212 und 312 liegen. Die entsprechenden Mitten der Metallelektroden 24,124, 224 und 324 fallen mit den Mitten der Dichtringe 30, 130,230 und 330 zusammen. Sie liegen außerdem auf ihren entsprechenden Auslenkachsen. Die Mittelpunkte der Metallelektroden 24, 124, 224 und 324 biegen sich auf ihre entsprechenden Platten 14, 114,214

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und 314 zu weiter aus als jeder andere Punkt an den Elektroden 24, 124, 224 und 324, wenn an den Außenflächen 20, 120, 220 und 320 der Platten 12, 112, 212 und 312 Druck angelegt wird.

In den Fign. 7 und 8 stellt die Kurve 48 die Druck-Kapazitätscharakteristik der Kondensatoren 110, 210 und 310 vor dem Trimmen dar. Die Kurve 36 stellt die Druck-Kapazitätscharakteristik des ideal gebauten Kondensators 10 dar. Die Kurve 50 stellt die Druck-Kapazitätscharakteristik des Kondensators 110 nach dem Trimmen dar. Die Kurve 40 stellt die Druck-Kapazitätscharakteristik des Kondensators 210 nach dem Trimmen dar. Die Kurve 45 stellt die Druck-Kapazitätscharakteristik des Kondensators 310 nach dem Trimmen dar.

Als allgemeine Regel gilt: Umso näher ein getrimmter Abschnitt bzw. Teil einer Elektrode sich am Umfang der kreisförmigen Elektrode befindet, umso weniger weicht die charakteristische Kurve dieses getrimmten Kondensators von der Kurve 36, insbesondere in der Nähe von P ,ab, wie dies insbesondere in Fig.7 durch die

Hl clX

Kurve 45 dargestellt ist. Demzufolge verursacht das Trimmen eines Elektrodenabschnittes, der näher am Mittelpunkt der Elektrode liegt, eine größere Abweichung der charakteristischen Kurve dieses getrimmten Kondensators von der Kurve 36, wie von der Kurve 40 gezeigt ist. Wenn außerdem der getrimmte Abschnitt der Elektrode den Mittelpunkt der Elektrode als eigenen Mittelpunkt besitzt,wie dies insbesondere in Fig. 8 gezeigt ist, weist die charakteristische Kurve 50 den gewünschten Kapazitätswert bei P_max nicht auf.

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Die Auslenkung eines Teils verklammerter Platten, wie dies die abgedichtete Platten 12 und 14 sind, unter Druck wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt:

. y = 3WS(m²-l)/16-.iE m²t³ [λ (a²-r²) ²/a²]

wobei W = Druck

m = Kehrwert des Poisson¹sehen Verhältnisses

a = Innenradius der Glasfritte (hierbei ist a = a wenn der Radius der Elektrode gleich dem inneren Radius der Glasfritte ist, v/ie dies hier dar Fall ist)

r = radialer Abstand vom Mittelpunkt der Elektrode, bei welcher die Auslenkung y vorliegt

t = Dicke der oberen und der unteren Platte (unter Annahme gleicher Dicke)

E = Young'scher Modul

S = empirisch abgeleiteter Korrekturfaktor zwischen 1 und 5,14 (der obere Grenzwert ist derjenige einer einfach getragenen Platte; der Korrekturfaktor kompensiert die Tatsache, daß das Modell der geklammerten Platte (d.h., die obige Gleichung ohne den Korrekturfaktor) den Kondensator nur annähert und y unterschätzt. Der Korrekturfaktor ist proportional zu t, wenn die Breite der Fritte größer als t ist; wenn die Breite der Fritte kleiner als t ist, ist der Korrekturfaktor umgekehrt proportional zur Frittenbreite.

Eine maximale Auslenkung der Platte 12, 112, 212 und 312 sowie 14, 114, 214 und 314 erfolgt am gemeinsamen Mittelpunkt ihrer entsprechenden Elektroden entlang den Auslenkachsen, wo r - 0. Das Auslenkverhältnis an jedem Punkt r j* 0 zur Auslenkung am Mittelpunkt(r - 0) ist ^y/y _av - 1 (a²-r²)²/a⁴. Beispielsweise sei angenommen, daß die geschmolzenen Quarzplatten 12 und 14

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einen Durchmesser von 5,08 cm besitzen und über einen unflexiblen Dichtring mit einem Innendurchmesser von 3,81 cm verklammert sind. Dann biegt die Mitte der Platte 12 unter voller Last folgendermaßen aus: y(0) = 0,15334 mm bei t=1,587 mm; y(O)=O,O417 mm bei t = 3,175 mm; y(O)=O,OO52 mm bei t = 6,35 mm.

Zur Bestimmung der Kapazität eines getrimmten Ringes 354, wie in Fig. 6 gezeigt, wird der Wert der Kapazität einer Scheibe, die konzentrisch zur Elektrode 324 ist und einen Radius a₁ besitzt, vom Kapazitätswert der Scheibe abgezogen, die konzentrisch zur Elektrode 324 ist und einen Radius a, besitzt. Auf dieselbe Weise wird die angenäherte Kapazität eines getrimmten Abschnittes 256, wie in Fig. 5 gezeigt, bestimmt. Mathematisch wird dies durch die folgende Gleichung ausgedrückt:

»a.

S₁ )

C^_ λ. \ j **» λ. cir

Γ/2

0 2nr cl

⁽⁶ ν*1-

Hier sind y.. und y~ die Auslenkungen der oberen und der unteren Platte, wie sie durch die oben gegebene Auslenkgleichung angegeben sind, und r ist eine Polarkoordinate.

Nunmehr wird auf die Fign. 7 und 8 Bezug genommen. C_fl(d - Δ ) ist eine leicht zu messende Größe; C_o(d.) ist der gewünschte Kapazitätswert. Die Größe d_ beim Druck Null ist ein bekannter gewünschter Wert und wird nach der folgenden Gleichung bestimmt:

-4 )

(^a2 - ^a1

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Wenn der Druck beim Maximalwert liegt (d.h.:P=P ), gilt die

ITl ei X

folgende Gleichung:

a₂ a₁

C(P, d_Q-A )-C(P,d_o)=C(P,d_o-/^ , ^)-C(P₁U₀-A , ^) = Δ0_ρ

Die Größe C(P, d -Δ) kann gemessen werden. Die Größe C(P,d) ist der gewünschte Kapazitätswert beim maximalen Druck. Die Größe

^a2

C(P,d_.-A,—) stellt die Kapazität einer konzentrischen Scheibe KJ a

des Radius a₂ bei P dar und wird durch die folgende Gleichung dargestellt:

^a2, Ia^) ._

Dabei wird die Konstante k durch die folgende Gleichung ausge drückt:

_und

_k . 2§£i w _=vap _{und D} . _m

Der Wert des Ausdruckes C(P, d^-Δ,— ) ist genau der gleiche wie

^a2

der Ausdruck für C(P, d - Δ, —) mit der Ausnahme, daß die Größe

υ a

a.. anstelle der Größe a- gesetzt wird. Die Ausdrücke, welche a.. und a₂ enthalten, v/erden nach den beiden Unbekannten a.. und .a_ aufgelöst.

In dem besonderen Falle, indem a.=0 ist, indem also mit anderen Worten eine Scheibe 152 mit dem Radius a„ von der Elektrode weggetrimmt wird, wie in Fig. 3 gezeigt, wird die Druck-Kapazi-

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tätscharakteristik so reduziert, wie dies in Fig. 8 durch die Linie 50 angedeutet ist. a und t werden so gewählt, daß bei P=P gilt k=1/2 d^ (dies bedeutet, daß die maximale Gesamtauslenkung beider Platten 112 und 114 gleich dem halben gewünschten Plattenabstand ist). Unter der Annahme daß Δ =0,1 d ist, reduziert die Entfernung des Hittelabschnittes 152 mit dem Radius aj die Kapazität bei P=P auf einen VJert, der nur 4,4 % unter dem gewünschten Wert bei P=P ist. Im allgemeinen gilt, daß der Kondensator 10 umso stärker druckempfindlich ist, umso näher die Konstante k bei d liegt. Bei dem obigen Beispiel, in welchem k=1/2 d ist, betragen die gesamten Veränderungen der Kapazität bei einer Druckerhöhung zwischen P und P nur 24,6% von C-.

ο max O

Wenn k=O,75 d_o ist, erfolgt eine Erhöhung von 52% gegenüber C». Umso näher jedoch k an d_ herankommt, wird bei P=P die Abweichung zwischen der getrimmten charakteristischen Kurve 50 und der gewünschten bzw. idealen Kapazitäts-Druckkurve 36 größer.Beispielsweise reduziert bei k=O,75 d_Q die Entfernung eines Mittelabschnittes mit dem Radius a_ die Kapazität bei P auf einen Wert, der 16,2% unter dem gewünschten Wert liegt, wobei wiederum A=0,1d_o angenommen wird.

Wenn a.,^0 ist, wie in den Fign. 5 und 6 gezeigt ist, ist eine vollkommene Anpassung bei C(P=O) und C(P=P__„) möglich. Wenn, wie in

ITl el Λ

Fig. 3 gezeigt, a-^0 ist, ist eine perfekte Anpassung bei den beiden Drucken dadurch möglich, daß die Integrationsformel verändert wird, in welcher die andere Polarkoordinate (Θ) betrachtet wird und die Integration zwischen θ=0 und Θ=36Ο -Δ erfolgt. Hier ist A° der Winkel zwischen radialen Schnitten 358 welche

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eine elektrische Verbindung zwischen der Scheibe 352 und einem Leiter 3 34 über einen Verbindungsabschnitt 360 ermöglichen. Letzterer wird von den radialen Schnitten 358 begrenzt. In derselben Weise kann eine perfekte Anpassung bei den beiden Drucken für den Kondensator 210 erzielt werden, wobei man eine elektrische Verbindung der Scheibe 2 52 mit dem zugehörigen Leiter 234 über einen Verbindungsabschnitt 260 zuläßt, der von den radialen Schnitten 258 begrenzt wird.

Das Verfahren und die Vorrichtung zur Trimmung der Kondensatoren 110, 210 und 310, die in den Fign. 3, 4, 5 und 6 gezeigt sind, wird nun anhand der Fig.9 beschrieben. Die in Fig. 9 gezeigte Anordnung enthält einen Argon-Ionen-Laser 42, der vorzugsweise ein Modell 164 der Firma Spectra Physics ist und auf einer Basis 64 montiert ist. Die vom Laser 52 emittierte Strahlungsenergie wird von einer Linse (nicht gezeigt) fokussiert. Die Anordnung enthält zwei Translationsstufen t und t~ sowie eine Rotationsstufe Θ. Der Laser 42 arbeitet kontinuierlich oder schnell gepulst, wobei er ausreichend Energie an einen Brennpunkt minimaler Größe abgibt, wie zuvor beschrieben.

Ein Kondensator, beispielsweise der Kondensator 110 wird auf t₁, in der aufrechten Stellung dargestellt, zentriert. Die Einstellung von t wird während des gesamten Trimmvorgangs konstant gehalten. Die Einstellung der Stufe t₂ entspricht einer ersten bestimmten Entfernung von der Auslenkachse 146 oder einem der Scheibenradien, beispielsweise a₁, während diejenige der Stufe t₁ der Mitte der

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Elektrode 124 entspricht, θ wird um eine volle Umdrehung verdreht; t₁ wird konstant gehalten, wenn eine Kreisscheibe 152 von der Mitte der Elektrode 124 weggetrimmt werden soll, wie in Fig.3 gezeigt ist. Der Laserstrahl 41 schneidet dabei vollständig durch die Elektrode 124 hindurch.

θ wird in einer ersten Richtung um einen Wert verdreht, der kleiner als 360 ist (d.h., 360 - A , wobei t~ eine Konstante ist). Auf diese Weise erfolgen die in Fig. 5 gezeigten Schnitte. Danach wird die Stufe t_ bewegt, wodurch ein radialer Schnitt 258 durch die Elektrode 224 bis zu einer zweiten bestimmten Entfernung abewirkt, wobei θ konstant gehalten wird.Dann wird θ um 360 -Δ in der entgegengesetzten Richtung verdreht, während t₂ auf dem Wert a- gehalten wird. Zur Herstellung des Kondensators von Fig.5 wird der Laser 42 während dieser Gegenverdrehung betrieben. Schließlich wird die Stufe t- so bewegt, daß ein zweiter radialer Schnitt 258 zurück zur ersten bestimmten Entfernung a. erfolgt, θ wird dabei konstant gehalten, wodurch der Trimmvorgang geschlossen wird. Der Laser 42 wird während der Gegenverdrehung nicht betrieben, da die Entfernung a_ dieselbe wie a bzw. der Radius der Elektrode 324 ist. Genau die gleichen Schritte werden beim Trimmen der Elektrode 324 des Kondensators 310 ausgeführt, mit der Ausnahme, daß die radialen Schnitte 358 derart erfolgen, daß der Verbindungsabschnitt 360 als Teil des Leiters 334 auftritt.

Wie in Fig. 5 gezeigt, umfaßt der elektrisch isolierte Abschnitt der Elektrode 224 den Abschnitt 256 mit dem inneren Radius a.. und dem äußeren Radius a», die zuvor bestimmt wurden. Die radialen

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Schnitte 258 begrenzen den Verbindungsabschnitt 260, der Teil der Elektrode 224 ist und den Scheibenabschnitt 252 mit einem äußeren Ringabschnitt 262 verbindet, mit welchem der elektrische Leiter 234 elektrisch verbunden ist. Die Fläche des Verbindungsabschnittes 260 ist typischerweise ein kleiner Prozentsatz der Fläche des Abschnittes 256.

Als Ergebnis des beschriebenen Laser-Trimmungsverfahrens ist eine Massenproduktion dieser Kondensatoren 110, 210 und 310 möglich, ohne daß eine vollständige Eichung der Kondensatoren, die unterschiedliche anfängliche Plattenabstände besitzen (d.h., d_-Δ, wobei Δ ein unbekannter Wert ist und variieren kann), die aber

lieh ist, sonst in ihren physikalischen Abmessungen identisch sind ,erfordert Die Bestimmung der Radien a^ und a₂, beispielsweise durch Computerberechnung, reicht zur Durchführung des Laser-Trimmens aus, so daß die charakteristische Kurve des Kondensators eng der gewünschten charakteristischen Kurve folgt. Tatsächlich läßt sich der oben beschriebene Trimmungsvorgang leicht unter Computersteuerung ausführen. Die Ausdrücke für a.. und a₂ können in ein Computer-Trimmungsprogramm eingebaut werden. Der Computer steuert dann die Messung der ungetrimmten Kapazität, vergleicht diese mit der gewünschten Ansprech-bzw. Zielkurve, wertet a.. und a, ausuid aktiviert die Trimmungs-Hardware.

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, ^5S-

L e e r s e 11 e

Claims

Di pi. I,. c. :-. \-ά ick C iti. F"■■■'. . , . >itz L-iι i. I *. ·.. :· ^.'s Li; ι. i. .. . .rt · ο Γ3 8000 München 2 The Bendix Corporation Executive Offices Bendix Center München, 27.September 1979 Southfield,Mich.48076,USA Anwaltsakte: M-5064 Variabler Kondensator und Verfahren zu dessen Herstellung Patentansprüche

1. Variabler Kondensator mit einer ersten leitenden Platte, die gegenüber einer zweiten leitenden Platte gemäß einer bekannten Verschiebungscharakteristik bei Veränderungen im Wert einer variablen physikalischen Größe bewegbar ist, wobei der Kondensator an jedem Punkt im Variationsbereich der physikalischen Größe einen Kapazitätswert besitzt, der eine Funktion der
physikalischen Größe ist, dadurch gekennzeichnet, daß er umfaßt:

Zwei leitende Platten (112,124;212,224;312,324;114,126;214,
226;314,326), die in Abstand einander gegenüberliegen;

wobei die erste leitende Platte eine dünne leitende Schicht
(124; 224; 324) umfaßt, die von einem nicht leitenden Substrat (112;212;312) getragen wird und zwei Teile enthält, die von-

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einander isoliert sind, wobei der erste Teil (152;252;352) der leitenden Schicht derartige Dimensionen und eine solche Position besitzt, daß die zweite leitende Platte (126;226;326) mit dem zweiten Teil der ersten leitenden Platte (124;224;324)eine bestimmte Kapazität bildet, wenn der Kondensator (110;210; 310) einem ersten Wert der physikalischen Größe innerhalb des Variationsbereiches ausgesetzt ist, und wobei die zweite leitende Platte (126;226;326) mit dem zweiten Teil der ersten leitenden Platte (124;224; 324) an jedem anderen Punkt im Variationsbereich der physikalischen Größe einen Kapazitätswert besitzt, der im wesentlichen gleich entsprechenden, bestimmten Kapazitätswerten ist, wenn der Kondensator den verbleibenden Vierten der physikalischen Größe innerhalb des Variationsbereiches ausgesetzt ist.

2. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Abschnitt der leitenden Schicht (124;224;324)sich weiterbewegt als ein zweiter Abschnitt der leitenden Schicht, und zwar entlang einer Auslenkachse (146;246;346) bei Veränderungen im Wert der variablen physikalischen Größe, wobei der erste Teil (152;252;352) der leitenden Schicht (124;224; 324) auf dem nicht leitenden Substrat (112;212;312) in Bezug auf die Auslenkachse (146;246;346) positioniert ist..

3. Kondensator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,daß die Verschiebungscharakteristik des zweiten Abschnittes symmetrisch um die Auslenkachse (146;246;346) herum ist, und daß

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mindestens ein Abschnitt des Umfanges des ersten Teiles (152; 252;352) gekrümmt ist, wobei jeder Punkt des gekrümmten Abschnittes des Umfanges einen bestimmten ersten Abstand von der Auslenkachse besitzt.

4. Kondensator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der gekrümmte Abschnitt ein Teil des Außenumfanges des ersten Teiles (152;252;352) ist, wobei die Auslenkachse (146;246; 346) durch den ersten Teil der leitenden Schicht (124;224; 324) hindurchläuft.

5. Kondensator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der gekrümmte Abschnitt ein Teil des Außenumfanges des ersten Teiles (152;252;352) ist, wobei die Auslenkachse (146;246;346) durch den geometrischen Mittelpunkt des ersten Teiles der leitenden Schicht (124;224;324) verläuft.

6. Kondensator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der gekrümmte Abschnitt ein Teil des Innenumfanges des ersten Teiles (252,352) ist, wobei der erste Teil einen gekrümmten Außenumfang besitzt, von dem jeder Punkt einen bestimmten

zweiten AbstandÄron der Auslenkachse (246;346) besitzt, der größer als der erste bestimmte Abstand ist.

7. Kondensator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Rest des Umfanges zwei Linienabschnitte umfaßt, die in einer Richtung von der Auslenkachse (246,346) wegzeigen.

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8. Kondensator nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenumfang des ersten Teiles der leitenden Schicht mit mindestens einem Abschnitt des Umfanges der leitenden Schicht zusammenfällt.

9. Verfahren zur Herstellung eines variablen Kondensators, der eine erste leitende Platte aufweist, die aus einer von einem nicht leitenden Substrat getragenen leitenden Schicht gebildet wird und die in Abstand einer zweiten leibenden Platte gegenübersteht und die gegenüber der zweiten leitenden Platte gemäß einer bekannten Verschiebungscharatkeristik bei Veränderungen im Wert einer variablen physikalischen Größe bewegbar ist, wobei die Kapazität zwischen den Platten um einen unbekannten Betrag größer als der gewünschte Wert der Kapazität an jedem Punkt im Variationsbereich der physikalischen Größe ist und die Kapazität eine Funktion der physikalischen Größe ist, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

Messen der Kapazität, während der Kondensator einen bestimmten Wert der physikalischen Größe ausgesetzt ist; Errechnen der Position und der Abmessungen eines ersten Teiles (152;252;352) der leitenden Schicht (124;224;324) nach einer bestimmten Funktion des gemessenen Kapazitätswertes und der bekannten Verschiebungscharakteristik zwischen den beiden leitenden Platten (124,126;224,226;324,326) , wobei der erste Teil einen Kapazitätsbeitrag zwischen den Platten liefert, dessen Wert gleich der Größe ist, um welche die gemessene Kapazität die gewünschte Kapazität übersteigt; __

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Durchschneiden der leitenden Schicht (124;224;324) entlang eines Weges, der durch die genannte Position und die Abmessungen des ersten Teiles (152;252;352) der leitenden Schicht (124;224;324) bestimmt ist, wobei der erste Teil von einem zweiten Teil der Schicht abgetrennt wird, so daß der Wert der Kapazität zwischen der zweiten leitenden Platte (126; 226;326) und dem zweiten Teil der leitenden Schicht (124; 224; 324) im wesentlichen gleich dem gewünschten Wert der Kapazität ist, wenn der Kondensator dem bestimmten Wert der physikalischen Größe ausgesetzt ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert der Kapazität des Kondensators gemessen wird, während der Kondensator einen zweiten bestimmten Wert der physikalischen Größe ausgesetzt ist, wobei derjzweite gemessene Kapazitätswert ebenfalls zur Errechnung der Position und der Abmessungen des ersten Teiles (152;252;352) der leitenden Schicht (124;224;324) verwendet wird, so daß der Wert der Kapazität zwischen der zweiten leitenden Platte (126;226;326) und dem zweiten Teil der leitenden Schicht im wesentlichen gleich den entsprechenden gewünschten Werten der Kapazität ist, wenn der Kondensator den beiden bestimmten Werten der physikalischen Größe ausgesetzt ist, wobei der erste Teil (152;252;352) einen Kapazitätsbeitrag zwischen den Platten beiträgt, dessen Wert gleich der Größe ist, um welche die gemessene Kapazität die gewünschte Kapazität bei beiden bestimmten Werten der physikalischen Größe übersteigt.

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11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Abschnitt der leitenden Schicht (124;224;324) sich relativ weiter entlang einer Auslenkachse (146;246;346) als ein zweiter Abschnitt der leitenden Schicht bei Veränderungen im Wert der physikalischen Größe bewegt und daß die Position des ersten Teiles gegenüber der Auslenkachse errechnet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebungscharakteristik des zweiten Abschnittes symmetrisch um die Auslenkachse (146;246;346) herum ist und daß ein erster gekrümmter Weg durch die leitende Schicht (124;224;324) geschnitten wird, von dem jeder Punkt eine erste, errechnete Entfernung von der Auslenkachse besitzt.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der erste gekrümmte Weg in sich selbst geschlossen ist und vom Umfang des ersten Teiles (152) der leitenden Schicht (124) begrenzt ist, wobei sich die Auslenkachse (146) durch den ersten Teil der leitenden Schicht hindurch erstreckt.

14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Einschneiden des ersten gekrümmten Weges ein Verfahrensschritt enthalten ist, mit dem ein in sich geschlossener gekrümmter Weg geschnitten wird, der vom Urtfang des ersten Teiles (152) der leitenden Schicht (124) definiert wird, wobei die Auslenkachse (146) durch den Mittelpunkt des ersten Teiles der leitenden Schicht hindurch verläuft.

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15. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter gekrümmter Weg durch die leitende Schicht (224,324) geschnitten wird, wobei jeder Punkt dieses Weges einen bestimmten errechneten Abstand von der Auslenkachse (246;346) besitzt.

16. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter gekrümmter Weg durch die leitende Schicht (224,324) geschnitten wird, wobei jeder Punkt dieses Weges einen zweiten bestimmten Abstand von der Auslenkachse (246;346) besitzt, der größer als der erste errechnete Abstand ist.

17. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch Gekennzeichnet, daß zwei nicht zusammenfallende Wege durch die leitende Schicht (224;324) geschnitten werden, von denen jeder den ersten gekrümmten Weg schneidet.

18. Verfahren nach Anspruch 12 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß zwei nicht zusammenfallende Wege durch die leitende Schicht (224,226) geschnitten werden, wobei jeder Punkt auf den nicht zusammenfallenden Wegen mindestens einen ersten errechneten Abstand von der Auslenkachse (246;346) besitzt und die nicht zusammenfallenden Wege sich in radialer Richtung von der Auslenkachse wegbewegen und den ersten gekrümmten Weg schneiden.

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