CH683377A5

CH683377A5 - Druckfühler.

Info

Publication number: CH683377A5
Application number: CH2363/91A
Authority: CH
Inventors: Martin Lanz; Matthias Schaerli; Walter Willi
Original assignee: Siemens Ag Albis
Priority date: 1991-08-09
Filing date: 1991-08-09
Publication date: 1994-02-28

Description

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CH 683 377 A5

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Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Druckfühler nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Zur Messung eines mechanischen Druckes werden oft piezoresistive Druckfühler verwendet. Die Funktion dieser Druckfühler, die meistens auf einem Silizium- oder Keramiksubstrat aufgebaut sind, besteht darin, mechanische Spannungen in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Dabei weisen diese Druckfühler normalerweise eine Membrane auf, die proportional zu einer auftretenden Druckänderung ausgelenkt wird. Mechanische Spannungen, die dabei auf der Membranoberfläche auftreten, werden in der Folge, z.B. durch Ausnutzung des piezoresis-tiven Effekts mittels Messelementen (Widerständen oder integrierten Dehnungsmesselementen (Strain Gauges)) in elektrische Signale umgewandelt. Im Gegensatz zu Widerstandsänderungen, die bei geometrischer Verformung von Metallen auftreten, entstehen Widerstandsänderungen bei der Dehnung von Halbleitern oder Dickschichtwiderständen, wie sie z.B. in Herbert Reichl, Hybridintegration, Heidelberg 1986, auf Seite 47 beschrieben werden, hauptsächlich in Abhängigkeit der auftretenden mechanischen Spannungen im Kristall.

Druckfühler bestehen dabei oft aus einer Systemscheibe, die zur Bildung einer Membrane eine entsprechend der gewünschten Membrandicke gewählte Ausnehmung aufweist. Da eine derart gebildete und aus Halbleitermaterialien bestehende Systemscheibe nicht genügend Festigkeit aufweist, wird sie oft mit einer stabilisierenden Basisplatte verbunden. Die Membrane kann ferner auch durch das Einfügen von rechteck- oder kreisförmigen Nuten in die Systemscheibe geschaffen werden. Die dadurch gebildete Membrane überträgt dabei zu einem auf sie einwirkenden mechanischen Druck proportionale Oberflächenspannungen an die vorgesehenen Messelemente.

Druckfühler dieser Art, obwohl kostspielig in der Herstellung, sind gegen Zerstörung durch Überdruck, der die Membrane überdehnt und zum Bersten bringt, nur durch die Festigkeit der verwendeten Materialien geschützt. Bei Schäden, die durch Überdruck verursacht werden, fallen dabei nebst den Kosten für den neuen Druckfühler normalerweise Kosten für den Austausch des defekten Druckfühlers an, die ein mehrfaches der ersteren betragen können.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Druckfühler zu schaffen, der gegen Zerstörung durch Überdruck geschützt ist. Die Absicherung gegen Zerstörung durch Überdruck soll dabei kostengünstig realisierbar und sehr zuverlässig sein.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Massnahmen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Ansprüchen angegeben.

Erfindungsgemässe Druckfühler sind dabei zuverlässig gegen Zerstörung durch auftretenden Überdruck geschützt und kostengünstig herstellbar. Dabei wird eine Überdehnung der Membrane nach dem Überschreiten des vorgesehenen Druckmessbereiches verhindert. Die maximale Dehnung der Membrane kann dabei entsprechend den gegebenen Erfordernissen gewählt werden. Ferner lassen sich zwei herkömmliche Druckfühler zu einem einzigen, gegen Zerstörung geschützten Druckfühler vereinigen, der ein erhöhtes Messsignal abgibt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 einen erfindungsgemässen in einem Gehäuse montierten Druckfühler

Fig. 2 einen aus zwei Systemplatten bestehenden Druckfühler

Fig. 1 zeigt einen aus einer Systemplatte SP und einer Basisplatte BP bestehenden Druckfühler, der in ein Gehäuse GH eingefügt ist, welches über eine Gehäuseöffnung GOE mit einer Druckleitung DL verbunden ist. In die Systemplatte SP sind in sich geschlossene, z.B. kreis- oder rechteckförmige Membrannuten MN eingelassen, wodurch ein durch die Membrannuten MN eingeschlossener Teil der Systemplatte SP die Wirkung einer Membrane übernimmt, die unter Druck senkrecht zur Systemplatte SP ausgelenkt wird. Insbesondere an den den Membrannuten MN gegenüberliegenden Stellen entstehen beim Auslenken der Membrane Biegezonen mit starker positiver oder negativer Oberflächendehnung. An diesen Stellen werden vorzugsweise piezoresistive Widerstände RP vorgesehen, deren Widerstandswert jeweils proportional zur Änderung des Druckes bzw. zur Auslenkung der Membrane ändert und die über Leitungen VL zu einer Messbrücke zusammengeschaltet und über eine elektronische Schaltung, z.B. über einen Operationsverstärker mit einer Anzeige entsprechend verbunden sind.

Die Richtung und das Mass der Auslenkung der Membrane wird dabei durch den Unterschied der an der Ober- und Unterseite der Membrane auftretenden Druckverhältnisse bestimmt. Der Druck auf der der Basisplatte BP gegenüberliegenden Seite der Systemplatte SP wird dabei vorzugsweise bei der Fertigung des Druckfühlers festgelegt. Dabei wird die Systemplatte SP z.B. in einem unter einer Normdruck stehenden Raum derart mit der Basisplatte BP verbunden, dass zwischen der Basisplatte BP und der Systemplatte SP, anschliessend an die Membrane eine dicht abgeschlossene Kammer KS entsteht, in deren Innerem der genannte Normdruck herrscht. Der gewünschte Normdruck in der Kammer KS kann ferner auch nach dem Zusammenfügen der Platten BP, SP durch eine zusätzlich vorgesehene Öffnung in einer der Platten BP, SP zugeführt werden, die anschliessend verschlossen wird.

Die beiden Platten BP, SP werden dabei vorzugsweise mit einem Glaslot GL1 derart verbunden, dass die piezoresistiven Widerstände RP und die Verbindungsleitungen VL innerhalb der dicht abgeschlossenen Kammer KS angeordnet und daher vor äusseren Einflüssen geschützt sind. Die mit den Membrannuten MN versehene Seite der System5

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platte SP ist dabei dem Druck ausgesetzt, der innerhalb des Gehäuses GH herrscht bzw. über die Leitung DL zugeführt wird. Falls letzterer den in der Kammer KS herrschenden Druck übersteigt, wird die Membrane hin zur Basisplatte BP ausgelenkt. Die Basisplatte BP, die keine Membrannuten aufweist, bleibt dabei vorzugsweise über den ganzen Druckmessbereich nahezu starr. Bei einer zu weiten Auslenkung der Membrane, die beim Auftreten von Drücken ausserhalb des vorgesehenen Messbereiches auftreten kann, besteht die Gefahr des Überdehnens und Aufreissens der Systemplatte SP, was zur Zerstörung des Druckfühlers führt. Daher wird der Abstand a zwischen den Platten BP und SP derart gewählt, dass die Membrane entsprechend dem Abstand a nur soweit ausgelenkt werden kann, dass keine übermässige Dehnung der Membrane auftreten kann. Eine weitere Auslenkung bei steigendem Druck wird dabei durch die der Membrane entgegenstehende Basisplatte BP verhindert.

Durch die Volumenänderung in der Kammer KS beim Auslenken der Membrane ändert sich ferner der in der abgeschlossenen Kammer KS herrschende Normdruck, wodurch der über die Druckleitung DL zugeführte Druck nicht mehr relativ zum ursprünglichen Normdruck, sondern relativ zu einem entsprechend der Volumenverkleinerung in der Kammer KS erhöhten Druck gemessen wird. Diese Änderung des Normdruckes ist bei der Druckmessung entsprechend zu berücksichtigen.

Durch die Integration des Druckfühlers in das Gehäuse GH lassen sich mechanische Spannungen auf der Systemplatte SP vermeiden, die beim direkten Verbinden des Druckfühlers mit der Druckleitung normalerweise entstehen. Dabei wird der Druckfühler bevorzugt nur an einer Seite der Systemplatte SP und/oder der Basisplatte BP in dem mit der Druckleitung DL verbundenen Gehäuse GH festgehalten. Das Einfügen und Befestigen des Druckfühlers im Gehäuse GH ist dabei auf verschiedene vorteilhafte Weisen möglich. Nebst der Öffnung GOE, kann wie in Fig.1 gezeigt, eine weitere Öffnung vorgesehen werden, durch die der Druckfühler in das Gehäuse GH eingeführt und befestigt wird. Vorteilhaft kann auch das Einführen und/oder Befestigen des Druckfühlers durch die entsprechend ausgebildete Öffnung GOE sein, die ferner zum Verbinden mit der Druckleitung DL vorgesehen ist.

In Fig. 2 ist ein Druckfühler gezeigt der aus zwei mittels Giaslot zusammengefügten Systemplatten SP1, SP2 besteht. Falls die Systemplatten SP1, SP2 identisch sind, lassen sich deren Membranen maximal je entsprechend dem halben Abstand a zwischen den Platten SP1, SP2 gegeneinander auslenken. Die maximale Auslenkung der Membranen (a/2) wird dabei erfindungsgemäss immer kleiner gewählt als diejenige, die zur Zerstörung des Druckfühlers führt. Letztere wird einfachheitshalber durch praktische Versuche ermittelt. Zur Befestigung des Druckfühlers können beide oder nur eine Systemplatte SP durch das Gehäuse GH nach aussen geführt werden. Die Zusammenschaltung der mit den piezoresistiven Widerständen verbundenen

Leitungen VL erfolgt dabei innerhalb oder ausserhalb des Gehäuses GH. Vorzugsweise sind an den Seiten der Systemplatten SP1, SP2 Kontakte vorgesehen, durch die sich die Widerstände RP nach Wunsch (seriell, parallel oder gemischt) zu einer Messbrücke zusammenschalten lassen. Die zugehörige Schaltung inklusive einer allfälligen Korrekturschaltung zur Kompensation der Änderung der Temperatur und/oder des Druckes in der Kammer KS wird vorzugsweise innerhalb des Gehäuses GH zumindest auf einer der beiden Systemplatten SP1, SP2 vorgesehen. Falls die Systemplatten SP1, SP2 Membranen aufweisen, die unterschiedliche Dehnungsfaktoren aufweisen, so ist der Abstand a entsprechend anzupassen. Ferner können auf den Systemplatten SP bzw. SP1, SP2 auch weitere Membranen vorgesehen sein, deren Messelemente einzeln oder entsprechend zusammengeschaltet mit einer Messschaltung verbunden werden.

Das Gehäuse GH kann durch den Druckfühler ferner auch in zwei Kammern mit je einer Öffnung GOE unterteilt werden, so dass durch den Druckfühler die Differenz zweier Drücke bestimmt werden kann.

Claims

Patentansprüche

1. Druckfühler mit einer ersten Systemplatte (SP), die zumindest eine Membrane und zumindest ein damit verbundenes Messelement aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Systemplatte (SP) mit zumindest einer Basisplatte (BP) und/oder zumindest einer weiteren zweiten Systemplatte (SP2) in einem Abstand (a) derart verbunden ist, dass die Auslenkung der Membrane der ersten Systemplatte (SP) nach der Überschreitung eines vorbestimmten Maximaldruckes durch die Basisplatte (BP) begrenzt wird bzw. dass die Membranen der beiden Systemplatten (SP, SP2) nach der Überschreitung eines vorbestimmten Maximaldruckes aufeinandertreffen.

2. Druckfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Systemplatte (SP) mit der Basisplatte (BP) und/oder der zweiten Systemplatte (SP2) in einem Abstand (a) derart verbunden ist, dass zumindest eine abgeschlossene Kammer (KS) zwischen der ersten Systemplatte (SP) und der Basispiatte (BP) bzw. der zweiten Systemplatte (SP2) gebildet wird.

3. Druckfühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kammer (KS) ein konstanter oder variabler Referenzdruck vorgesehen oder dieser zuführbar ist.

4. Druckfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Systemplatte (SP) und/oder die zweite Systemplatte (SP2) zumindest eine zusätzliche weitere Membrane aufweist, der ein weiterer bei der Messung zu berücksichtigender Druck zuführbar ist.

5. Druckfühler nach einem der Ansprüche 2-4, dadurch gekennzeichnet, dass die mit der Membrane verbundenen Messelemente (RP) innerhalb der Kammer (KS) vorgesehen sind.

6. Druckfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ge-

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häuse (GH) zur Aufnahme der miteinander verbundenen System- und Basisplatten (SP, BP) vorgesehen ist, das eine zum Anschliessen einer Druckleitung (DL) vorgesehene Öffnung (GOE) aufweist, die vorzugsweise auch zum Einführen und/oder Befestigen der miteinander verbundenen System- und Basisplatten (SP, BP) geeignet ist.

7. Druckfühler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Gehäuseöffnung zum Einführen und/oder Befestigen der miteinander verbundenen System- und Basisplatten (SP, BP) vorgesehen ist.

8. Druckfühler nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (GH) durch die eingeführten miteinander verbundenen System- und Basisplatten (SP, BP) in zwei Kammern unterteilt ist, die je eine Öffnung (GOE) zum Anschliessen einer Druckleitung aufweisen.

9. Druckfühler nach einem der Ansprüche 2-8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Korrekturschaltung vorgesehen ist, durch die die durch eine Volumenänderung in der Kammer (KS) entstandene Änderung des Normaldruckes bei der Druckmessung berücksichtigt wird.

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