Funktionsprinzip und Aufbau des kapazitiven Drucksensors

Der kapazitive Drucksensor besteht aus zwei beweglichen Teilen (elastische Metallmembranen), zwei festen Teilen (Metallbeschichtung auf dem konkaven Glas der oberen und unteren elastischen Membranen), Ausgangsanschlüssen und Gehäuse. Zwischen der beweglichen Membran und den beiden festen Membranen sind zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren angeordnet. Wirkt der Ansaugdruck auf die elastische Membran, dehnt sich diese aus. Dadurch verringert sich der Abstand zu einem der festen Teile und vergrößert sich zum anderen (beispielsweise mit einem Blatt Papier). Der Abstand zwischen den beiden Metallelektroden beeinflusst maßgeblich die Kapazität: Je größer der Abstand, desto geringer die Kapazität; je kleiner der Abstand, desto höher die Kapazität. Diese Art von Aufbau wird als Differenzialstruktur bezeichnet, da sich die Parameter der beiden Sensorelemente aufgrund der Messgröße um denselben Betrag, aber entgegengesetzt, ändern.

Wird die elastische Membran zwischen Seitendruck und Atmosphärendruck platziert (der obere Hohlraum der Membran steht unter Atmosphärendruck), wird der in der Tabelle angegebene Druck gemessen. Befindet sich die Membran hingegen zwischen Seitendruck und Vakuum (der obere Hohlraum der Membran durchdringt das Vakuum), wird der absolute Druck gemessen. Die Kapazität des Kondensators ist proportional zum Dielektrikum und dessen relativer effektiver Fläche zwischen den beiden Kondensatorplatten und umgekehrt proportional zum Plattenabstand, d. h. C = ε A / D, wobei ε die Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums, A die relative effektive Fläche zwischen den beiden Metallelektroden und D der Plattenabstand ist. Aus dieser Beziehung lässt sich ableiten, dass sich die Kapazität mit der Änderung des dritten Parameters ändert, wenn zwei Parameter konstant bleiben.
Es gibt viele verschiedene Messschaltungen für kapazitive Drucksensoren. Am Beispiel einer Brückenschaltung lässt sich das Funktionsprinzip eines kapazitiven Differenzdrucksensors veranschaulichen. Da die Kapazität eine Wechselstromgröße ist, wird die Brücke über einen Transformator mit Wechselstrom gespeist. Der Transformator besteht aus zwei Spulen und einer Brückenkapazität. Ohne Eingangsdruck befindet sich die Brücke im Gleichgewicht, und beide Kapazitätswerte sind gleich C₀. Bei Druckeinwirkung ändert sich der Kapazitätswert einer der beiden Kondensatoren zu C₀ + ΔC, der andere zu C₀ – ΔC (ΔC = Änderung der Kapazität durch den externen Druck). Die Brücke gerät aus dem Gleichgewicht. An der Stelle mit dem höheren Kapazitätswert ist auch die Spannung hoch. Zwischen den beiden Kondensatoren entsteht eine Spannungsdifferenz, aus der die Brücke eine Ausgangsspannung U generiert, die den Eingangsdruck repräsentiert.