DE10114665A1 - Pressure sensor for determining absolute or relative pressure comprises a coating applied onto a conversion device on a membrane in a sputter, plasma coating, dip coating, and/or film coating process step - Google Patents
Pressure sensor for determining absolute or relative pressure comprises a coating applied onto a conversion device on a membrane in a sputter, plasma coating, dip coating, and/or film coating process stepInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Drucksensor, im wesentlichen bestehend aus einer Membran, die sich bei entsprechender Druck beaufschlagung durchzubiegen vermag und welche auf ihrer Ober fläche Umsetzungsmittel trägt, die die Durchbiegung der Membran in ein auswertbares Signal, insbesondere eine elektrische Spannung oder einen elektrischen Widerstand umsetzt.The invention relates essentially to a pressure sensor consisting of a membrane, which is at appropriate pressure is able to bend and which on its upper area implementation means that supports the deflection of the membrane into an evaluable signal, especially an electrical one Implements voltage or an electrical resistance.
Vorgenannte Drucksensoren sind im Bereich der Technik zum Bei spiel für das Bestimmen eines Absolutdruckers oder für die Bestimmung eines Relativdruckes bekannt. Drucksensoren werden dabei in den Kreislauf des Mediums, dessen Druck zu messen ist, integriert. Der Einsatz des Drucksensors ist auf die Form des Mediums nicht beschränkt; es können sowohl gasförmige als auch flüssige Mediendrücke gemessen werden. Der Druck liegt auf einer Membran an, die sich aufgrund des anliegenden Druckes durchbiegt. Diese Durchbiegung erfolgt gegen ein rückstellendes Moment, zum Beispiel die Eigenelastizität der Membran, wodurch eine reversible Druckmessung möglich wird. Die Membranober fläche trägt mittelbar oder unmittelbar ein Umsetzungsmittel, welches die Durchbiegung der Membran in ein auswertbares Signal umsetzt. Es sind hierzu verschiedene Konzepte bekannt; die Wheatstonsche Brückenschaltung mag als ein Beispiel hierbei genannt werden.The aforementioned pressure sensors are used in the field of technology game for determining an absolute printer or for that Determination of a relative pressure known. Pressure sensors thereby into the circuit of the medium, the pressure of which is to be measured, integrated. The use of the pressure sensor is based on the shape of the Medium not limited; it can be both gaseous and liquid media pressures are measured. The pressure is on a membrane, which is due to the applied pressure sags. This deflection takes place against a resetting Moment, for example the inherent elasticity of the membrane, which a reversible pressure measurement is possible. The membrane upper area directly or indirectly carries a means of implementation, which is the deflection of the membrane into an evaluable signal implements. Various concepts are known for this; the Wheatston bridge circuit may serve as an example here to be named.
Bekannte Drucksensoren bestehen zum Beispiel aus einer Gummi membran, die auf ihren Oberflächen das Umsetzungsmittel tragen. Andere Konzepte besitzen ebenfalls eine aus Gummi oder Metall gefertigte Membran, an denen als Umsetzungsmittel ein Stößel angeordnet ist, der einen Magneten trägt, der mit einem Hallsensor zusammenwirkt und so die Bewegung der Membran bei Druckbeaufschlagung in ein meßbares Signal umsetzt.Known pressure sensors are made of rubber, for example membrane that carries the reactant on its surfaces. Other concepts also have one made of rubber or metal manufactured membrane, on which a plunger as a reaction medium is arranged, which carries a magnet with a Hall sensor interacts and thus the movement of the membrane Converting pressure into a measurable signal.
Zum Schutz der Umsetzungsmittel ist es bekannt, Glaslot oder Glaspulver auf die Membranoberfläche und über das Umsetzungs mittel aufzustreuen, welches danach bei Temperaturen von über 500° Celsius gesintert wird.To protect the reaction medium, it is known to solder glass or Glass powder on the membrane surface and over the implementation sprinkle medium, which thereafter at temperatures of over 500 ° Celsius is sintered.
Aufgrund des Einsatzes des sehr hohen Temperaturniveaus ergibt es sich aber, daß bei der verhältnismäßig filigran ausgestalte ten Membran thermische Verspannungen in der Membran auftauchen, die die Funktionalität bzw. Linearität der Membran einschrän ken. Es müssen daher an dem fertigen Drucksensor hernach auf wendige Kalibrierverfahren vorgesehen werden, um diesen Effekt zu kompensieren. Des weiteren ist beobachtet worden, daß das Aufsintern des Glaspulvers bzw. des Glaslotes zu Inhomogeni täten in der Oberfläche des Drucksensors führen, die unter Umständen die Beweglichkeit der Membran und damit auch die Genauigkeit des Drucksensors negativ beeinflussen.Due to the use of the very high temperature level but it turns out that with the relatively filigree thermal stresses appear in the membrane, that limit the functionality or linearity of the membrane ken. It must therefore on the finished pressure sensor afterwards Agile calibration procedures are provided to this effect to compensate. Furthermore, it has been observed that the Sintering the glass powder or glass solder to Inhomogeni would result in the surface of the pressure sensor, the under Circumstances the mobility of the membrane and thus the Adversely affect the accuracy of the pressure sensor.
Abschließend ist auch nicht immer sichergestellt, daß die ins besondere elektronisch bzw. elektrisch wirkenden Umsetzungs mittel den Einsatz der hohen Temperaturen aushalten, wodurch sich die Auswahl der Umsetzungsmittel beschränkt.In conclusion, it is not always ensured that the ins special electronic or electrical implementation can withstand the use of high temperatures the choice of means of implementation is limited.
Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, einen Druck sensor wie eingangs vorgestellt dahingehend zu verbessern, daß die Qualität des Drucksensors verbessert wird.The invention has set itself the task of printing to improve sensor as introduced at the beginning in such a way that the quality of the pressure sensor is improved.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, einen Drucksensor wie eingangs beschrieben dahingehend zu verbessern, daß zumindest auf einer Seite des Umsetzungsmittels eine Be schichtung vorgesehen ist und die Beschichtung in einem Auf spalter-, einem Plasmabeschichtungs-, einem Tauchbeschichtungs- und/oder einem Folienbeschichtungsprozeßschritt aufgebracht wird.To achieve this object, the invention proposes one To improve the pressure sensor as described at the beginning, that at least on one side of the reactant has a loading Layering is provided and the coating in one go splitter, a plasma coating, a dip coating and / or a film coating process step becomes.
Durch den erfindungsgemäßen Vorschlag wird der Einsatz des aus dem Stand der Technik bekannten Aufsinterns des Glaspulvers oder Glaslotes vollständig vermieden, wodurch sich auch ergibt, daß keine hohen Sintertemperaturen mehr auf die filigrane Mem bran wirken kann. Wird der Einsatz der hohen Temperaturen am Drucksensor aber vermieden, ergibt es sich, daß keine aufgrund der thermischen Energie erzeugten Verspannungen in der Membran entstehen und/oder das Umsetzungsmittel aufgrund der hohen Temperaturen Schaden nimmt. Dabei kann die Beschichtung sowohl zwischen den Umsetzungsmitteln und der Membranoberfläche als auch, als abschließende Schicht, über dem Umsetzungsmittel auf der Membranoberfläche vorgesehen sein. Hierdurch erreicht die Beschichtung auch einen mechanischen Schutz des Umsetzungs mittels. The proposal according to the invention eliminates the use of the prior art known sintering of the glass powder or glass solder completely avoided, which also results in that no high sintering temperatures on the filigree mem bran can work. If the use of high temperatures on But avoided pressure sensor, it results that none due the thermal energy generated tension in the membrane arise and / or the implementation agent due to the high Temperatures. The coating can both between the reactants and the membrane surface as also, as a final layer, over the reactant the membrane surface. Hereby the Coating also provides mechanical protection for the implementation means.
Gleichzeitig ist gefunden worden, daß die erfindungsgemäß vor geschlagenen Beschichtungsverfahren zu verhältnismäßig homo genen Oberflächen führen und damit auch die Eigenschaften der Membran kaum beeinträchtigen.At the same time, it has been found that the invention struck coating process to relatively homo surfaces and thus also the properties of the Hardly affect the membrane.
Die nach der Erfindung vorgeschlagenen Beschichtungsprozeß schritte können prinzipiell auch ohne Einsatz von Temperatur durchgeführt werden, wenngleich bei Einsatz von moderaten Temperaturen die Herstellungszeiten deutlich sinken, ohne dabei aber die Qualität bzw. Güte der Drucksensoren zu beeinträchti gen. Es wird daher vorgeschlagen, die Beschichtung bei einer maximalen Prozeßtemperatur von ca. 400° Celsius, bevorzugt bei ca. 180° bis 250° Celsius, aufzubringen. Die angegebenen Temperaturniveaus dienen zum Beispiel dabei, bei einer Folien beschichtung die Klebeschicht auszuhärten oder aber bei der Tauchbeschichtung das Lösungsmittel auszudampfen. Insbesondere bei dem Tauchbeschichtungsprozeß können geringere Temperaturen ausreichend sein, da dies letztendlich von dem Dampfdruck des verwendeten Lösungsmittels abhängt. Im Ergebnis ergibt sich aber, daß auf ein hohes, insbesondere dauerhaft hohes Tempe raturniveau, wie es beim Sintern notwendig war, verzichtet werden kann, das heißt, es ist nicht notwendig, den kompletten Körper des Drucksensors bzw. der Membran mit einer relativ hohen Temperatur zu beaufschlagen beziehungsweise durchzu tempern, die zu den bekannten thermischen Verspannungen und den daraus resultierenden Problemen führt.The proposed coating process according to the invention In principle, steps can also be taken without using temperature be carried out, albeit with the use of moderate Temperatures significantly decrease manufacturing times without doing so but to affect the quality or quality of the pressure sensors gen. It is therefore proposed that the coating at a maximum process temperature of approx. 400 ° Celsius, preferably at approx. 180 ° to 250 ° Celsius. The specified Temperature levels are used, for example, for a film coating to harden the adhesive layer or at Dip the solvent to evaporate the coating. In particular lower temperatures can be used in the dip coating process be sufficient since this ultimately depends on the vapor pressure of the depends on the solvent used. The result is but that on a high, especially permanently high temp level, as was necessary during sintering can be, that is, it is not necessary to complete Body of the pressure sensor or the membrane with a relative to act on or at high temperature anneal to the known thermal stresses and resulting problems.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, daß das Umsetzungsmittel zumindest einseitig die Beschichtung aufweist. Die Beschichtung kann dabei zwischen Umsetzungsmittel und Membranoberfläche vorgesehen sein, insofern trägt in gleicher Weise die Membran oberfläche das Umsetzungsmittel, in diesem Fall eben mittelbar durch die Beschichtung. In einer anderen Variante ist vorge sehen, daß das Umsetzungsmittel auf der Membranoberfläche ange ordnet ist und sowohl über der Membranoberfläche wie auch über dem Umsetzungsmittel die Beschichtung vorgesehen ist. Des weiteren ist aber auch vorgesehen, daß die Beschichtung auf beiden Seiten des Umsetzungsmittels angeordnet ist, das Um setzungsmittel also gleichermaßen von einer Beschichtung all seitig, zumindest beidseitig eingepackt ist. Dabei kommt es nicht darauf an, daß das Material der Beschichtung auf der Vorder- und Rückseite des Umsetzungsmittels identisch ist, sondern es ist durchaus möglich, daß die verschiedenen Be schichtungen entsprechend den gewünschten Eigenschaften unter schiedlich und auf diese Eigenschaften optimiert ausgebildet sind. Dabei muß die Beschichtung auch nicht jeweils mit dem gleichen Prozeßschritt durchgeführt werden, sondern es ist durchaus möglich, verschiedene Prozeßschritte in der Abfolge der Produktion des Drucksensors miteinander zu kombinieren.According to the invention it is proposed that the reaction agent has the coating at least on one side. The coating can be between the reactant and the membrane surface be provided, in this respect carries the membrane in the same way surface of the reaction medium, in this case just indirect through the coating. Another variant is featured see that the reactant is on the membrane surface is arranged and both above the membrane surface and above the conversion means the coating is provided. Of but it is also provided that the coating is on is arranged on both sides of the reaction means, the order So setting agents equally from one coating all is packed on both sides, at least on both sides. It happens does not indicate that the material of the coating on the The front and back of the reactant are identical, but it is quite possible that the different Be layers according to the desired properties trained differently and optimized for these properties are. The coating does not have to be in each case with the same process step, but it is quite possible, different process steps in the sequence to combine the production of the pressure sensor.
Es ist dabei vorgesehen, die Erfindung so auszubilden, daß die Beschichtung zum Beispiel elektrisch isolierend ausgebildet ist. Dadurch erlaubt es die Erfindung, daß zum Beispiel das elektrisch betriebene Umsetzungsmittel auf einer als Metall oberfläche ausgebildeten Membran angeordnet wird, wenn die Beschichtung eben zwischen Umsetzungsmittel und Membranober fläche angeordnet ist.It is intended to design the invention so that the Coating, for example, electrically insulating is. The invention thereby allows, for example, that electrically operated conversion agent on a metal Surface trained membrane is arranged when the Coating between the reactant and membrane top surface is arranged.
Des weiteren ist vorgesehen, daß die Beschichtung als Dampf sperre wirkt, wodurch vermieden wird, daß Luftfeuchtigkeit oder Feuchtigkeit die Membranoberfläche oder das Umsetzungsmittel in seiner Funktionalität beeinträchtigen.Furthermore, it is provided that the coating as a vapor lock acts, thereby avoiding that humidity or Moisture the membrane surface or the reactant in impair its functionality.
In einer weiteren, bevorzugten Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Beschichtung insbesondere für Wärmestrah lung reflektierend ist. Eine solche Beschichtung bietet sich zum Beispiel als erste Schicht auf der Membranoberfläche an, wodurch vermieden wird, daß der Membrankörper, zum Beispiel ein keramischer Festkörper oder ein Glas oder dergleichen, bei nachfolgenden Prozeßschritten mit zuviel Wärmestrahlung beauf schlagt wird, da die Wärmestrahlung durch die Beschichtung gleich reflektiert wird.In a further, preferred embodiment of the invention provided that the coating in particular for heat radiation lung is reflective. Such a coating offers itself for example as the first layer on the membrane surface, thereby avoiding that the membrane body, for example a ceramic solid or a glass or the like, at subsequent process steps with too much heat radiation is struck because the heat radiation through the coating is reflected immediately.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorge sehen, daß auf die Oberfläche der Membran zunächst eine reflek tierende Beschichtung aufgebracht wird, hernach ein aus einer Druckschichtenpaste bestehendes Umsetzungsmittel aufgebracht wird, das hernach thermisch fixiert wird, und hernach auf das Umsetzungsmittel eine weitere Beschichtung aufgebracht wird.In a preferred embodiment of the invention is pre see that on the surface of the membrane first a reflect coating is applied, then on from one Print layer paste applied existing reactant which is then thermally fixed and afterwards on the Implementing another coating is applied.
Bei diesem erfindungsgemäß ausgebildeten Drucksensor bewirkt die erste, die Wärmestrahlung reflektierende Beschichtung nicht nur eine Reflektion der Wärmestrahlung, sie dient auch gleich zeitig als Abstandshalter, wodurch eine weitere thermische Entkopplung des Umsetzungsmittels von der Membranoberfläche gelingt. Es ist gefunden worden, daß der Einsatz von Um setzungsmitteln, die als Druckschichtenpaste in einem Sieb druckverfahren auf die Oberfläche der Membran aufgebracht werden, zu sehr günstigen und mit hoher Güte reproduzierbaren Anordnungen des Umsetzungsmittels führt. Durch dieses Verfahren wird zum Beispiel eine Wheatstonesche Brückenschaltung aufge bracht. Das Problem bei dem Einsatz der Druckschichtenpaste liegt darin, daß diese mit einer verhältnismäßig hohen Tem peratur fixiert bzw. kristallisiert werden muß und auch diese hohe Temperatur zu den eingangs bereits beschriebenen Problemen bei der Güte des Drucksensors führen kann. Der erfindungsgemäße Aufbau erreicht aber zwei sich unabhängig voneinander ver stärkende Effekte, nämlich zum einen wird durch die Reflek tionsschicht die Wärmestrahlung zu einem hohen Teil reflek tiert, und zum anderen dient die innenliegende Beschichtung als Pufferlage, also als thermische Entkopplung, wodurch weiterhin ein Wärmetransport in der Membranoberfläche möglichst vermieden wird.In this pressure sensor designed according to the invention the first one, which does not reflect thermal radiation only a reflection of the heat radiation, it also serves the same purpose early as a spacer, creating a further thermal Decoupling of the reactant from the membrane surface succeed. It has been found that the use of Um Settling agents used as printing layer paste in a sieve printing process applied to the surface of the membrane become very cheap and reproducible with high quality Arrangements of the reactant leads. Through this procedure For example, a Wheatstone bridge circuit is opened introduced. The problem with the use of printing layer paste is that this with a relatively high tem temperature must be fixed or crystallized and this too high temperature to the problems already described at the beginning can lead to the quality of the pressure sensor. The invention However, the structure reaches two independently of one another strengthening effects, namely on the one hand through the reflect layer to a large extent reflect heat tiert, and on the other hand, the internal coating serves as Buffer layer, i.e. as thermal decoupling, which continues heat transport in the membrane surface avoided as far as possible becomes.
Bei der Folienbeschichtung hat es sich als günstig ergeben, daß eine Polyimidfolie eingesetzt wird, die auf die Membran und/oder das Umsetzungsmittel auflamentiert wird. Für ein Aus härten der an der Folie vorgesehenen Klebeschichtes ist ein moderates Temperaturniveau von ca. 150° bis 200° Celsius vorge sehen, welches - wie nachgewiesen - nicht zu thermischen Ver spannungen der Membran führt.In film coating, it has been found to be favorable that a polyimide film is used on the membrane and / or the implementation means is delegated. For an out hardening of the adhesive layer provided on the film is a moderate temperature level from approx. 150 ° to 200 ° Celsius see which - as proven - not to thermal Ver membrane stresses.
Bei dem erfindungsgemäß, alternativ vorgeschlagenem Tauchbe schichtungsprozeßschritt wird die Membran in eine Lösung mit Polysiluxane eingeführt beziehungsweise getaucht. Es handelt sich hierbei um eine organische Siliziumverbindung. Beim Herausziehen der Membran aus der Flüssigkeit läuft die Flüssig keit ab, und es bildet sich ein Film auf der Oberfläche. Durch Wärme wird dieser Film fixiert, wobei sich die Polysiluxane in eine Siliziumdioxydschicht (SiO2) und organische Reste, die aber nicht störend wirken, zersetzen.In the dip coating process step proposed alternatively according to the invention, the membrane is introduced or immersed in a solution with polysiluxanes. It is an organic silicon compound. When the membrane is pulled out of the liquid, the liquid runs out and a film forms on the surface. This film is fixed by heat, whereby the polysiluxanes decompose into a silicon dioxide layer (SiO 2 ) and organic residues, which do not have a disturbing effect.
Im Ergebnis ist gefunden worden, daß eine Beschichtung aus Titandioxyd (TiO2), Siliziumdioxyd (Quarz, SiO2), Zirkonium dioxyd (ZrO2), Aluminiumdioxyd (AlO2) und/oder Saphir (Al2O3) besteht, welche für die unterschiedlichen Einsatzbereiche ent sprechend bevorzugte Qualitäten aufweist. Es ist zum Beispiel gefunden worden, daß Titaniumdioxyd TiO2 als reflektierende Schicht gute Eigenschaften hat, wohingegen Aluminiumdioxyd sehr gute Verschleißfestigkeit bzw. gute chemische Beständigkeit aufweist, wodurch sich eine so beschichtete Oberfläche zum Beispiel in verhältnismäßig aggressiven Medien einsetzen läßt, bei denen ein solcher Drucksensor zu verwenden ist. Die vorge nannten Stoffe können dabei sowohl im Plasmabeschichtungsver fahren als auch bei einem Aufsputterprozeß auf die Oberflächen aufgetragen werden.As a result, it has been found that a coating of titanium dioxide (TiO 2 ), silicon dioxide (quartz, SiO 2 ), zirconium dioxide (ZrO 2 ), aluminum dioxide (AlO 2 ) and / or sapphire (Al 2 O 3 ), which exists for the different areas of application accordingly has preferred qualities. It has been found, for example, that titanium dioxide TiO 2 has good properties as a reflective layer, whereas aluminum dioxide has very good wear resistance or good chemical resistance, as a result of which a surface coated in this way can be used, for example, in relatively aggressive media in which such a pressure sensor is used is to be used. The aforementioned substances can be used both in the plasma coating process and applied to the surfaces in a sputtering process.
Der Drucksensor wird in der Regel derart ausgeführt sein, daß das Mittel, das die Durchbiegung der Membran in ein auswert bares Signal, insbesondere eine elektrische Spannung oder einen elektrischen Widerstand umsetzt, auf der Seite der Membran angeordnet ist, die nicht durch Druck beaufschlagt wird. Dies hat zum einen den Vorteil, daß keine zusätzlichen notwendigen Abdichtmaßnahmen erforderlich sind. Es bietet weiterhin den Vorteil, daß die von dem Mittel, welches beispielsweise eine Wheatsonesche Brückenschaltung sein kann, notwendigen elek trischen Leitungen sich bereits auf der Seite befinden, wo sie ohne Probleme zu einer entsprechenden Auswerte-Einrichtung geführt werden können.The pressure sensor will usually be designed such that the means that evaluates the deflection of the membrane into a bares signal, in particular an electrical voltage or a electrical resistance, on the side of the membrane is arranged, which is not acted upon by pressure. This has on the one hand the advantage that no additional necessary Sealing measures are required. It continues to offer that Advantage that the of the agent, for example a Wheatstone bridge circuit can be necessary elek trical lines are already on the side where they to an appropriate evaluation device without any problems can be performed.
Das Mittel, welches die Durchbiegung der Membran in ein aus wertbares Signal umsetzt, wird bevorzugt in einem Abstand s von einer gedachten Linie angeordnet, die das Auslaufende der Run dung an der der Membran zugewandten Seite schneidet. Diese spezielle Ausführungsform gewährleistet insbesondere, daß der Funktionsverlauf des Widerstandes in Abhängigkeit vom Druck monoton beziehungsweise linear ermittelt werden kann.The agent that causes the deflection of the membrane into one implementable valuable signal, is preferably at a distance s of an imaginary line is arranged that the end of the Run cut on the side facing the membrane. This special embodiment ensures in particular that the Function course of the resistance depending on the pressure can be determined monotonically or linearly.
Die Membran des Drucksensors kann aus unterschiedlichsten Materialien hergestellt sein. So sind beispielsweise Ausfüh rungsformen möglich aus Metall, Stahl, Keramik, Glas, SiO2, Al2O3, B2O3, Na2O, K2O, MgO, CaO, BaO, P2O, PbO. Es ist natür lich auch möglich eine Mischung der zuvor genannten Materialien zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Drucksensors zu verwen den.The membrane of the pressure sensor can be made from a wide variety of materials. For example, embodiments are possible made of metal, steel, ceramic, glass, SiO 2 , Al 2 O 3 , B 2 O 3 , Na 2 O, K 2 O, MgO, CaO, BaO, P 2 O, PbO. It is of course also possible to use a mixture of the aforementioned materials to produce a pressure sensor according to the invention.
Bevorzugt wird die Membran des Drucksensors Dicken zwischen 5/100 mm bis zu 3,0 mm aufweisen. Diese Werte ergeben sich aus dem Druckeinsatzbereich und dem Material.The membrane of the pressure sensor is preferably between thicknesses 5/100 mm up to 3.0 mm. These values result from the printing area and the material.
In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist das Mittel zur Umsetzung der Durchbiegung der Membran in ein auswertbares Signal ein induktiver, kapazitiver oder resistiver Körper, dessen Induktivität, Kapazität oder Wider stand durch die Durchbiegung verändert wird und dadurch meßbar ist. Denkbar sind beispielsweise Sensoren, die einen piezzo elektrischen Effekt aufweisen.In a further embodiment of the solution according to the invention is the means to implement the deflection of the membrane in an evaluable signal an inductive, capacitive or resistive body, its inductance, capacitance or cons was changed by the deflection and thus measurable is. For example, sensors are conceivable that have a piezzo have electrical effect.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung kann das Mittel zur Umsetzung der Durchbiegung der Membran in ein auswertbares Signal eine optische Anordnung sein.In a further advantageous embodiment, the means for Implementation of the deflection of the membrane in an evaluable Signal be an optical arrangement.
Es ist sowohl möglich den Sensor als Absolut-Drucksensor oder als Differenzdrucksensor auszubilden. Dabei ist lediglich die Auswerteschaltung entsprechend zu gestalten.It is possible to use the sensor as an absolute pressure sensor or to be designed as a differential pressure sensor. It is only the To design the evaluation circuit accordingly.
Die Erfindung ist schematisch in der beiliegenden Zeichnung gezeigt. Es zeigen:The invention is shown schematically in the accompanying drawing shown. Show it:
Fig. 1, 2 und 3 jeweils im Schnitt verschiedene Ausgestaltungen des erfindungsge mäßen Drucksensors, Fig. 1, 2 and 3 are different sectional configurations of the erfindungsge MAESSEN pressure sensor,
Fig. 4 und 6 in einer Draufsicht verschiedene Ausgestaltungen der Drucksensoren und FIGS. 4 and 6 different embodiments in a top view of the pressure sensors and
Fig. 5 einen Schnitt durch den erfin dungsgemäßen Drucksensor nach Fig. 4. Fig. 5 is a section through the OF INVENTION A pressure sensor according to the invention Fig. 4.
Der Drucksensor 1 ist dabei im Wesentlichen gebildet von einer Membran 2, an der sich seitlich Halterungen (hier nicht dargestellt) anschließen, die es erlauben, daß der Drucksensor 1 in dem zu messenden System angebaut werden kann. Die Halterung mag auch dazu dienen den Drucksensor zum Beispiel in einem Gehäuse einzubauen und so zu lagern.The pressure sensor 1 is essentially formed by a membrane 2 , to which brackets (not shown here) connect laterally, which allow the pressure sensor 1 to be installed in the system to be measured. The holder may also be used to install the pressure sensor in a housing, for example, and thus to store it.
Schematisch ist in Fig. 1, 2 und 3 ein Schnitt des Drucksensors 1 gezeigt. Auf der Membran 2 ist auf der Oberseite bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 zunächst eine Beschichtung 6 aufgetragen, auf welcher dann das Umsetzungsmittel 4 angeordnet ist.A section of the pressure sensor 1 is shown schematically in FIGS. 1, 2 and 3. In the embodiment according to FIG. 1, a coating 6 is first applied to the membrane 2 , on which the reaction medium 4 is then arranged.
Die hier dargestellte Variante der Erfindung ist stark vergrößert ausgebildet. Üblicherweise weist die Membran eine Dicke von ca. 5/100 mm bis ca. 3,0 mm Dicke auf. Die genaue Dicke ergibt sich aus dem jeweiligen Anwendungszweck, insbesondere dem Druckbereich des Drucksensors 1.The variant of the invention shown here is greatly enlarged. The membrane usually has a thickness of approximately 5/100 mm to approximately 3.0 mm. The exact thickness results from the respective application, in particular the pressure range of the pressure sensor 1 .
Die Membran 2 besteht dabei normalerweise aus Metall, Stahl, Keramik, Glas, SiO2, Al2O3, B2O3, Na2O, K2O, MgO, CaO, BaO, PbO, sowie einer Mischung der vorgenannten Materialien. Die vorgenannten Materialien weisen eine geringe chemische Angreif barkeit auf, weswegen sie sich für den erfindungsgemäßen Ein satz gut eignen. Des Weiteren haben die ausgewählten Materia lien eine ausreichende Elastizität (in Abhängigkeit der Dicke der Membran) die sicherstellt, daß auch kleine Durchbiegungen, aufgrund des zu messenden Druckes, von dem Umsetzungsmittel, welches entsprechend sensitiv wirkt, aufgenommen werden. Dabei ist die Anordnung so gewählt, daß sie die Membran mit geringen mechanischen Belastungen beaufschlagt wird, wodurch die Lebens dauer der Membran gesteigert wird.The membrane 2 usually consists of metal, steel, ceramic, glass, SiO 2 , Al 2 O 3 , B 2 O 3 , Na 2 O, K 2 O, MgO, CaO, BaO, PbO, and a mixture of the aforementioned materials , The aforementioned materials have a low chemical attack availability, which is why they are well suited for use according to the invention. Furthermore, the selected materials have sufficient elasticity (depending on the thickness of the membrane) which ensures that even small deflections, due to the pressure to be measured, are absorbed by the reaction medium, which has a correspondingly sensitive effect. The arrangement is chosen so that the membrane is subjected to low mechanical loads, whereby the life of the membrane is increased.
Die in Fig. 1 dargestellte Beschichtung 6 ist zum Beispiel als Titandioxyd-Schicht ausgebildet und weist einen hohen Reflek tionsgrad für Wärmestrahlung auf, um dadurch die thermische Beanspruchung, das Durchtempern der Membran 2, zu vermeiden. Auf der Schicht 6 ist das Umsetzungsmittel 4 vorgesehen, welches die Durchbiegung der Membran 2 aufgrund des anliegenden Druckes in ein auswertbares Signal, in der Regel eine elek trische Spannung oder eine elektrische Widerstandsänderung, umsetzt. Erfindungsgemäß wird als Umsetzungsmittel auf eine Wheatstonesche Brückenschaltung 5 verwiesen, die schematisch in Fig. 6 angeordnet ist. The coating 6 shown in FIG. 1 is formed, for example, as a titanium dioxide layer and has a high degree of reflection for heat radiation, in order to thereby avoid the thermal stress, the tempering of the membrane 2 . On the layer 6 , the conversion means 4 is provided, which converts the deflection of the membrane 2 into an evaluable signal due to the pressure present, as a rule an electrical voltage or an electrical resistance change. According to the invention, reference is made to a Wheatstone bridge circuit 5 as the implementation means, which is arranged schematically in FIG. 6.
Es können aber auch andere, zum Beispiel kapazitive, induktive oder resistiv oder optisch wirkende Umsetzungsmittel eingesetzt werden, deren veränderliche Kapazität, Induktivität oder Wider stand beziehungsweise optischen Eigenschaften entsprechend abgetastet beziehungsweise erfaßt werden und so ein auswert bares Signal ergeben.But there can also be others, for example capacitive, inductive or resistive or optically acting conversion agents are used be, their variable capacitance, inductance or cons stood respectively optical properties accordingly can be scanned or recorded and thus an evaluation give clear signal.
In Fig. 2 ist ein anderer Aufbau des erfindungsgemäßen Sensors 1 gezeigt. Bei diesem Beispiel ist das Umsetzungsmittel 4 direkt auf die Oberfläche 3 der Membran 2 aufgebracht, wobei die Beschichtung 7 hier das Umsetzungsmittel 4 zum Beispiel vor chemischen oder mechanischen Angriffen schützt.Another construction of the sensor 1 according to the invention is shown in FIG. 2. In this example, the reaction agent 4 is applied directly to the surface 3 of the membrane 2 , the coating 7 here protecting the reaction agent 4 from chemical or mechanical attacks, for example.
In dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Um setzungsmittel 4 eingebettet zwischen zwei Beschichtungen 6 und 8. Die Beschichtung 6 befindet sich hierbei wiederum auf der Oberfläche 3 der Membran 2 und ist zum Beispiel elektrisch isolierend und/oder auch stark reflektierend für Wärmestrahlung ausgebildet. Die Beschichtung 8, die auch das Umsetzungsmittel 4 überdeckt, ist mechanisch und/oder chemisch resistiv ausge bildet.In the embodiment shown in FIG. 3, the implementation means 4 is embedded between two coatings 6 and 8 . The coating 6 is in turn located on the surface 3 of the membrane 2 and is, for example, electrically insulating and / or also highly reflective for heat radiation. The coating 8 , which also covers the conversion agent 4 , is formed mechanically and / or chemically resistively.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen insbesondere eine Folienbeschichtung 9 einzusetzen, wie sie zum Beispiel in Fig. 5 angedeutet ist. Die Folienbeschichtung 9 besteht dabei aus einer aus Kunststoff zum Beispiel einer aus Polyimid bestehenden Folie, die einseitig mit einem Klebstoff, zum Beispiel auf Acryl-Basis ausgestattet ist und so ein Auf kleben auf der entsprechenden Oberfläche erlaubt. Bei den sehr filigranen Bauteilen muß dabei ausgeschlossen werden, daß Luft bei dem Auflamentieren der Folie auf der Oberfläche einge schlossen wird. Es wird daher erfindungsgemäß auch vorge schlagen, auf der Oberfläche der Membran, welche das Um setzungsmittel trägt, eine oder mehrere Entlüftungsrillen 10 anzuordnen, wobei die Prozeßführung so gewählt ist, daß Luft blasen von innen in Richtung auf die Entlüftungsrillen 10 herausgestrichen werden und so insbesondere eine dampfdichte Absperrung beziehungsweise Beschichtung entweder der Membran oberfläche 3 und/oder des Umsetzungsmittels 4 ergeben. Die Entlüftungsrille 10 wird dabei hernach von dem Kleber der Folienbeschichtung 9 ausgefüllt und verschlossen.In a preferred embodiment of the invention, it is provided in particular to use a film coating 9 , such as is indicated in FIG. 5. The film coating 9 consists of a plastic, for example, a film made of polyimide, which is equipped on one side with an adhesive, for example on an acrylic basis, and thus allows gluing to the corresponding surface. In the case of the very delicate components, it must be ruled out that air is trapped on the surface when the film is opened. It will therefore also propose according to the invention to arrange one or more ventilation grooves 10 on the surface of the membrane which carries the implementation agent, the process control being chosen so that air bubbles are blown out from the inside towards the ventilation grooves 10 and so in particular a vapor-tight barrier or coating of either the membrane surface 3 and / or the reactant 4 result. The ventilation groove 10 is then filled and closed by the adhesive of the film coating 9 .
In Fig. 4 ist eine dreiteilige Symmetrie angeordnet, in Fig. 6 ist eine vierteilige Symmetrie angedeutet, bei welcher die Rillen 10 im rechten Winkel zueinander angeordnet sind. Die dadurch entstehenden Quadranten werden genützt, um hierin die jeweiligen resistiven Körper der Wheatstoneschen Brückenschal tung 5 anzuordnen. Die weitere Verdrahtung beziehungsweise Schaltung der Wheatstoneschen Brückenschaltung ist nicht darge stellt.In FIG. 4 is a three-piece symmetry is arranged, in Fig. 6 is a four-part symmetry indicated, in which the grooves 10 are arranged at right angles to each other. The resulting quadrants are used to arrange the respective resistive bodies of the Wheatstone bridge circuit 5 here . The further wiring or circuit of the Wheatstone bridge circuit is not Darge presents.
Erfindungsgemäß wird auch vorgeschlagen, daß das Umsetzungs mittel auf der Seite der Membran angeordnet ist, welche mit Druck beaufschlagt wird. Die Erfindung erlaubt ein Anordnen des empfindlichen Umsetzungsmittels auf der dem Medium zugewandten Seite, da die Beschichtung in dieser erfindungsgemäßen Variante das Umsetzungsmittel vor dem gegebenenfalls agressiven, flüssi gen und/oder gasförmigen Medium schützt, dessen Druck gemessen werden soll.According to the invention it is also proposed that the implementation is arranged middle on the side of the membrane, which with Pressure is applied. The invention allows an arrangement of the sensitive reaction agent on the medium facing Side, since the coating in this variant according to the invention the reaction agent before the possibly aggressive, liquid gene and / or gaseous medium, whose pressure is measured shall be.
Die jetzt mit der Anmeldung und später eingereichten Ansprüche sind Versuche zur Formulierung ohne Präjudiz für die Erzielung weitergehenden Schutzes.The claims now filed with the application and later are attempts to formulate without prejudice to achieve further protection.
Die in den abhängigen Ansprüchen angeführten Rückbeziehungen weisen auf die weitere Ausbildung des Gegenstandes des Haupt anspruches durch die Merkmale des jeweiligen Unteranspruches hin. Jedoch sind diese nicht als ein Verzicht auf die Erzielung eines selbständigen, gegenständlichen Schutzes für die Merkmale der rückbezogenen Unteransprüche zu verstehen. The backward relationships mentioned in the dependent claims point to the further training of the subject of the main claim by the features of the respective sub-claim out. However, these are not considered a waiver of achievement an independent, objective protection for the characteristics to understand the related subclaims.
Merkmale, die bislang nur in der Beschreibung offenbart wurden, können im Laufe des Verfahrens als von erfindungswesentlicher Bedeutung, zum Beispiel zur Abgrenzung vom Stand der Technik beansprucht werden.Features previously only disclosed in the description can in the course of the process as of essential to the invention Significance, for example to differentiate it from the prior art be claimed.
Claims (18)
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