CH683034A5 - Membraneinheit für einen Drucksensor. - Google Patents
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Description
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CH 683 034 A5
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Membraneinheit für einen Drucksensor der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.
Solche Membraneinheiten werden vorteilhaft in Drucksensoren zur Messung des Druckes oder der mittleren Strömungsgeschwindigkeit in Flüssigkeiten und/oder Gasen in der Heizungs-, der Lüftungsund der Klimatechnik verwendet.
Eine Membraneinheit der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art ist aus WO 88/01 049 bekannt. Die Membraneinheit besteht aus einem in seiner ursprünglichen Form rechtkantigen Block aus einem Halbleitermaterial, in dem durch Abtragen von Material eine Messmembran ausgebildet ist, die von einem rahmenförmigen Membranträger eingefasst wird.
Im weiteren ist eine Membraneinheit dieser Art bekannt (US-PS 3 618 390), welche eine metallene Messmembran enthält, die in ein mehrteiliges Metallgehäuse eingespannt ist, und DE-OS 2 709 834 zeigt zwei komplementäre kugelige Schalenteilstücke aus Quarz, Glas oder Keramik, die zu einer Kapsel verschmolzen sind, welche unter Druck verformbar ist.
Es ist auch bekannt (DE-OS 3 734 110 A1 und US-PS 4 809 555), Abdeckmembranen aus Kunststoff zum Schutz von Drucksensoren vor aggressiven Druckmedien einzusetzen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine präzise und empfindliche Membraneinheit für Drucksensoren so zu gestalten, dass sie einzeln oder paarweise in kostengünstigen Drucksensoren einsetzbar und mit gleichen Kenndaten in grosser Stückzahl herstellbar ist.
Die Erfindung besteht in den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Membraneinheit,
Fig. 2 eine Variante einer Membraneinheit im Querschnitt,
Fig. 3 eine Variante eines Membranträgers im Querschnitt und
Fig. 4 zwei übereinander angeordnete Membraneinheiten, welche einen Hohlraum einschliessen.
Gleiche Dezimalzahlen in den Bezugszeichen bedeuten gleiche Teile.
In der Fig. 1 bedeutet 1 einen festen Membranträger, der ein durchgehendes Loch 2 mit einer Zentrumsachse 3 aufweist, wobei das Loch 2 eine erste Deckfläche 4 und eine zweite Deckfläche 5 des Membranträgers 1 durchdringt. Eine im wesentlichen parallel zur Zentrumsachse 3 auslenkbare Messmembran 6, die auf einer der beiden Seiten mindestens ein Wandlerelement 7 aufweist, ist im Loch 2 angeordnet und mit dem Membranträger 1 formschlüssig verbunden.
Eine Variante der Membraneinheit in der Fig. 2 unterscheidet sich von derjenigen in der Fig. 1 nur durch den Aufbau der Messmembran 6', welche aus einer ersten Membranschicht 8 und aus einer zweiten Membranschicht 9 besteht. Das Wandlerelement T ist zwischen den beiden Membranschichten 8 und 9 angeordnet.
Der Membranträger 1 (Fig. 1) bzw. V (Fig. 2) kann in einer in der Fig. 3 dargestellten Variante 1" ausgeführt sein, in welcher er aus einem zylindrischen Teil und einem kegelstumpfförmigen Teil besteht, so dass sich der äussere Durchmesser da des Membranträgers 1 " gegen die erste Deckfläche 4" hin verkleinert.
Die äussere Mantelfläche des kegelstumpfförmigen Teils und die Deckfläche 4" schliessen einen stumpfen Winkel a ein, der mit Vorteil 135° beträgt. Die Messmembran 6" ist wenigstens annähernd bündig mit der Deckfläche 4" am freien Ende des kegelstumpfförmigen Teils. Der Durchmesser d des Lochs 2" nimmt gegen die Deckfläche 4" hin immer mehr ab. Das Loch 2" weist innerhalb des kegelstumpfförmigen Teils vorteilhaft einen kugelzonenförmigen Raumteil mit zwei parallelen Begrenzungsflächen unterschiedlicher Grösse auf, von denen die kleinere mit einer Seite der Messmembran 6" zusammenfällt. Durch die Gestalt des kegelstumpfförmigen Teils mit dem kugelzonenförmigen Teil des Lochs 2" wird erreicht, dass die Messmembran 6" mit der ersten Deckfläche bündig und nicht zurückversetzt herstellbar ist.
Die Fig. 4 zeigt zwei gleiche Membraneinheiten, deren Membranträger 1 a und 1 b bündig übereinander angeordnet sind, so dass ihre Zentrumsachsen 3a und 3b zusammenfallen und ein Hohlraum 10 gebildet wird, welcher an die beiden Messmembranen 6a und 6b grenzt. Der Hohlraum 10 ist gasdicht verschlossen oder über einen Einlass 11, welcher mindestens in einem der beiden Membranträger 1a oder 1 b ausgebildet ist, einem Druckmedium von aussen zugänglich.
Die Messmembran 6 bzw. 6' bzw. 6" bzw. 6a bzw. 6b besteht aus einem Polymer. Gut geeignet ist ein als AF-Polymer bezeichnetes Fluorpolymer, das aus einer ersten Gruppe mit einer Anzahl n Strukturen von
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und einer zweiten Gruppe mit einer Anzahl m Strukturen von
(F3C)2-C-(0-C-F)2
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aufgebaut ist und folgende Strukturformel aufweist:
rF
Fi
Fi
-C- -
F FJ n L _J m
O O
F-C-F F-C-F
(S1 )
AF-Polymer ist beispielsweise unter der Bezeichnung Teflon (geschützte Marke von Du Pont) AF in unterschiedlich löslichen Varianten auf dem Markt und beispielsweise in der Schrift «Teflon AF, Amor-phous Fluoropolymer, A New Generation Of Teflon Fluorocarbon Resins For High Performance» der Firma Du Pont und im Fachartikel «Teflon AF, eine neue Generation von Fluorpolymeren» von Dr. Paul Korinek (cav, Juni 1990, Seite 21 bis 23) beschrieben.
Dadurch, dass die Messmembran 6 bzw. 6' bzw. 6" bzw. 6a bzw. 6b aus einem geeigneten Polymer ist, kann zu deren Herstellung mit Vorteil das im folgenden beschriebene Verfahren angewendet werden.
Das Polymer wird in einem geeigneten Lösemittel derart gelöst, dass eine blasenfreie Lösung mit einer bestimmten Konzentration entsteht. Der eingehend entfettete Membranträger 1 bzw. 1 ' bzw. 1 " wird bis zu einer bestimmten Eintauchtiefe in die Lösung getaucht und mit vorbestimmter Geschwindigkeit derart aus der Lösung herausgezogen, dass das Loch 2 bzw. 2' bzw. 2" durch einen membranartigen Film, welcher mindestens eine erste Schicht der Messmembran 6 bzw. 6' bzw. 6" ist, verschlossen wird. Die Dicke des Films und seine mechanischen Eigenschaften sind durch die Konzentration, die Eintauchtiefe und die Geschwindigkeit beim Herausziehen beeinflussbar.
Die auf diese Weise hergestellte Messmembran 6 bzw. 6' bzw. 6" ist frei von Verspannungen und formschlüssig fest mit dem Membranträger 1 bzw. V bzw. 1" verbunden. Es werden keine zusätzlichen Befestigungsmittel benötigt, welche die Messmembran 6 bzw. 6' bzw. 6" nachträglich verspannen könnten oder welche die guten Elastizitätseigenschaften des Polymers am Rand der Messmembran 6 bzw. 6' bzw. 6" verdecken würden.
Nach einem Trocknungsvorgang kann die Dicke des Films durch weitere Schichten wiederholt ver-grössert werden, indem der Film erneut in die Lösung getaucht wird oder indem die Lösung auf den Film aufgetropft oder aufgesprüht wird. Eine besonders glatte Oberfläche des Films wird erreicht, wenn dieser abschliessend in eine Polymer-Lösung geringer Konzentration, oder gar in reines Lösungsmittel getaucht wird.
Bevor das Wandierelement 7 bzw. 7' bzw. 7" angebracht wird, muss die Messmembran genügend getrocknet sein.
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Bei der Herstellung der Messmembran 1 bzw. V bzw. 1" werden gute Resultate erreicht, wenn das Polymer Teflon AF 1600 ist, welches in einem Konzentrationsbereich von 1 bis 10 Gewichts-Prozenten im umweltverträglichen (für die Ozonschicht unschädlichen) Lösemittel Fluorinert FC-75 oder FC-77 gelöst ist. Der Trocknungsvorgang vor dem Vergrössern der Dicke des Films wird mit Vorteil in einer ersten Stufe bei Raumtemperatur und in einer zweiten Stufe etwa 40 K unter dem Siedepunkt des Lösungsmittels ausgeführt. Abschliessend wird vorteilhaft in einem Vakuumofen bei einer Temperatur zwischen 50°C und 150°C und einem Druck zwischen 10 Pa und 100 Pa getrocknet.
Das Wandlerelement 7 bzw. 7' bzw. 7" ist bekannterweise ein Dehnungsmessstreifen, ein optischer Reflektor oder eine leitende Schicht, welche als eine der Platten eines Kondensators dient.
Ein optischer Reflektor oder eine leitende Schicht wird durch ein bekanntes Dünnfilmverfahren, beispielsweise durch Aufdampfen, galvanisches Abscheiden oder Sputtern von Aluminium, Gold, einem Platinmetall oder einem anderen geeigneten Metall angefertigt. Die Dicke der leitenden Schicht liegt mit Vorteil im Bereich von etwa 20 nm bis 200 nm.
Die zweite Membranschicht 9 (Fig. 2) wird nach dem Anbringen des Wandierelements 7' durch Tauchen in die Lösung oder durch Aufsprühen oder Auftropfen der Lösung aufgebracht.
Wenn das Wandlerelement 7 bzw. 7' ein Dehnungsmessstreifen ist, wird der Membranträger bevorzugt nach der Fig. 2 ausgeführt. Dabei wird der Dehnungsmessstreifen auf die erste Membranschicht 8 gelegt und in seiner Lage durch Fixierung seiner elektrischen Anschlüsse festgehalten, worauf die zweite Membranschicht 9 so aufgebracht wird, dass der Dehnungsmessstreifen zwischen den beiden Membranschichten 8 und 9 liegt.
Auf Wunsch kann der Dehnungsmessstreifen in einer bekannten Art, beispielsweise durch Ätzen eines fototechnisch angebrachten Musters in eine an der ersten Membranschicht 8 bzw. auf der Messmembran 6 bzw. 6" aufgebrachten Metallschicht, direkt mit der Membraneinheit hergestellt werden.
Die Messmembran 6 bzw. 6' bzw. 6" kann auch durch Giessen eines flüssigen Polymers - vorteilhaft durch Giessen des flüssigen AF-Polymers - hergestellt werden. Dabei wird mit Vorteil der Membranträger 1 bzw. 1' bzw. 1" mindestens als ein Teil der Giessform benutzt, so dass zwischen der Messmembran 6 bzw. 6' bzw. 6" und dem Membranträger 1 bzw. V bzw. 1" eine formschlüssige Verbindung entsteht.
Bei der in der Fig. 1 bzw. in der Fig. 2 gezeigten Membraneinheit wird die Messmembran 6 bzw. 6' in einem Drucksensor auf der einen Seite von einem ersten Druckmedium mit einem Druck pi beaufschlagt, während auf der andern Seite der Messmembran 6 bzw. 6' ein Druck p2 eines zweiten Druckmediums wirkt. Eine Druckdifferenz P1-P2 verursacht in den Messmembranen 6 bzw. 6' eine Kraft, welche im Wandlerelement in bekannter Art einen von der Druckdifferenz pi-p2 abhängigen Signalhub bewirkt.
Die in der Fig. 4 gezeigte Membraneinheit ist besonders vorteilhaft, wenn die Membranträger 1a und 1b gemäss der in der Fig. 3 gezeigten Variante ausgebildet sind und wenn die Wandlerelemente 7a und 7b leitende Schichten sind, welche zusammen einen Kondensator bilden, dessen Kapazität relativ hoch sein kann, da ein Abstand der beiden leitenden Schichten durch diese Bauweise auf Wunsch sehr klein gestaltet werden kann.
Ein erstes Druckmedium mit einem Druck p2 im Hohlraum 10 beaufschlagt die Messmembran 6a bzw. 6b auf der einen Seite, während auf der anderen Seite der Messmembran 6a bzw. 6b ein Druck pi eines zweiten Druckmediums wirkt. Eine Druckdifferenz pr-p2 verursacht in den Messmembranen 6a und 6b einander entgegengesetzte Kräfte, welche die Messmembranen 6a und 6b gegengleich auslenken und dadurch beim Kondensator eine grosse Kapazitätsänderung und damit einen von der Druckdifferenz pi-p2 abhängigen grossen Signalhub bewirken.
Die äussere Form des Membranträger 1 bzw. V bzw. 1" bzw. 1a bzw. 1b ist, ohne dessen Funktion zu beeinträchtigen, in weiten Grenzen an die besonderen Erfordernisse anpassbar, welche sich beispielsweise durch Einbaumittel eines Gehäuses ergeben. Gut anpassbar ist die Deckfläche 5 bzw. 5' bzw. 5" bzw. 5a bzw. 5b.
Je nach den gewünschten Eigenschaften ist der Mernbranträger 1 bzw. V bzw. 1" bzw. 1a bzw. 1b aus einem Metall oder aus einem Kunststoff.
Die beschriebene Membraneinheit lässt sich einzeln oder auch paarweise in unterschiedlich gestaltbaren Drucksensoren bei verschiedenen Wandlerprinzipien einsetzen. Durch die Wahl eines geeigneten Polymers für die Messmembran 6 bzw. 6' bzw. 6" bzw. 6a bzw. 6b ist diese in vielen Druckmedien korrosionssicher einsetzbar. Im weiteren ist das Wandlerelement 7' zwischen den beiden Membranschichten 8 und 9 gegenüber dem Druckmedium elektrisch isoliert und korrosionssicher angeordnet. Der Membranträger 1 bzw. V bzw. 1" bzw. 1a bzw. 1b ist mit bekannten Verfahren wie beispielsweise Stanzen oder Prägen in grosser Stückzahl kostengünstig herstellbar.
Es ist vorteilhaft auf einem Blechstreifen eine grössere Anzahl a Löcher 2 bzw. 2' bzw. 2" bzw. 2a bzw. 2b auszubilden, in mindestens einem Tauchvorgang oder durch Giessen die Anzahl a Messmembranen 6 bzw. 6' bzw. 6" bzw. 6a bzw. 6b gemeinsam in der beschriebenen Art auszubilden, die Wandlerelemente 7 bzw. 7' bzw. 7a bzw. 7b anzuordnen und abschliessend die Anzahl a Membraneinheiten auszustanzen. Werden die Membraneinheiten paarweise (Fig. 4) für einen kapazitiven Drucksensor eingesetzt, so wird die mittlere Kapazität durch die Dicke des Blechstreifens bestimmt.
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Claims (9)
1. Membraneinheit für einen Drucksensor, mit einer Messmembran (6; 6'; 6"), die mit einem elektrischen Wandlerelement (7; 7'; 7") versehen ist, und mit einem Membranträger (1; 1'; 1"), der ein durchgehendes Loch (2; 2'; 2") aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Messmembran (6; 6'; 6") aus einem Polymer besteht, im Loch (2; 2'; 2") des Membranträgers (1; 1'; 1") aufgespannt ist und mit diesem ohne zusätzliche Befestigungsmittel fest verbunden ist.
2. Membraneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messmembran (6; 6'; 6") aus AF-Polymer ist.
3. Membraneinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wandlerelement (7; 7'; 7") an einer Seite an die Messmembran (6; 6'; 6") angebracht ist.
4. Membraneinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messmembran (6') aus zwei Membranschichten (8; 9) besteht und das Wandlerelement (7') zwischen den beiden Membranschichten (8; 9) angeordnet ist.
5. Membraneinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Wandlerelement (7; 7'; 7") ein Dehnungsmessstreifen ist.
6. Membraneinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Wandlerelement (7; 7'; 7") eine elektrisch leitende Schicht ist.
7. Membraneinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messmembran (6; 6'; 6") wenigstens annähernd bündig in eine erste von zwei vom Loch (2; 2'; 2") durchstosse-nen Deckflächen (4; 4'; 4"; 5; 5'; 5") des Membranträgers (1; 1'; 1") übergeht und dass sich der Durchmesser des Lochs (2; 2'; 2") und der äussere Durchmesser des Membranträgers (1; 1'; 1") gegen die erste Deckfläche (4; 4'; 4") hin verkleinern.
8. Verfahren zur Herstellung einer Membraneinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Membranträger (1; 1'; 1") in flüssiges Polymer getaucht und mit vorbestimmter Geschwindigkeit derart wieder herausgezogen wird, dass sich die Messmembran (6; 6'; 6") ausbildet.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Messmembran (6; 6'; 6") durch mehrmaliges Tauchen in flüssiges Polymer vergrössert wird.
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1992
- 1992-03-17 CH CH85392A patent/CH683034A5/de not_active IP Right Cessation
- 1992-04-09 DE DE19924211993 patent/DE4211993A1/de not_active Withdrawn
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| DE4211993A1 (de) | 1993-09-23 |
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