DE10132269A1

DE10132269A1 - Drucksensor

Info

Publication number: DE10132269A1
Application number: DE2001132269
Authority: DE
Inventors: Helmut Pfeiffer; Thomas Velten
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2001-07-04
Filing date: 2001-07-04
Publication date: 2003-01-16
Anticipated expiration: 2021-07-05
Also published as: DE10132269B4

Abstract

Es ist ein Drucksensor vorgesehen, mit dem verschiedene Meßbereiche abgedeckt werden können, mit einem Grundkörper (1) einer mit dem Grundkörper (1) an deren äußeren Rand (5) verbundenen von dem Grundkörper (1) beabstandeten kreisscheibenförmigen Membran (3), mindestens einem ringförmigen konzentrisch zu dem Rand (5) auf dem Grundkörper (1) angeordneten Steg (7, 9), auf dem die Membran (3) aufliegt oder mit dem die Membran (3) fest verbunden ist, und elektromechanischen Wandlern, die eine durch einen auf die Membran (3) einwirkenden Druck bedingte Auslenkung der einzelnen durch die Stege (7, 9) gebildeten Teilbereiche (I, II, III) der Membran (3) in ein elektrisches Signal umwandeln.

Description

Die Erfindung betrifft einen Drucksensor.
In der Druckmeßtechnik werden z. B. Absolutdruck-, Relativdruck- und Differenzdrucksensoren verwendet. Bei Absolutdrucksensoren wird ein zu messender Druck absolut, d. h. als Druckunterschied gegenüber einem Vakuum erfaßt. Mit einer Relativdrucksensor wird ein zu messender Druck in Form eines Druckunterschiedes gegenüber einem Referenzdruck, z. B. einem Druck, der dort herrscht, wo sich der Sensor befindet, aufgenommen. Bei den meisten Anwendungen ist dies der Atmosphärendruck am Einsatzort. Es wird also bei Absolutdruckmeßzellen ein zu messender Druck bezogen auf einen festen Bezugsdruck, den Vakuumdruck, und bei Relativdrucksensoren ein zu messender Druck bezogen auf einen variablen Bezugsdruck, z. B. den Umgebungsdruck, erfaßt. Ein Differenzdrucksensor erfaßt eine Differenz zwischen einem ersten und einem zweiten an dem Sensor anliegenden Druck.
Es sind Drucksensoren auf dem Markt, mit

- einem Grundkörper,
- einer mit dem Grundkörper an deren äußeren Rand verbundenen von dem Grundkörper beabstandeten kreisscheibenförmigen Membran und
- elektromechanischen Wandlern,
- die eine durch einen auf die Membran einwirkenden Druck bedingte Auslenkung der Membran in ein elektrisches Signal umwandeln.

Solche Drucksensoren sind regelmäßig für einen fest vorgegebenen Meßbereich ausgelegt. Dabei ist die Empfindlichkeit der Membran gegenüber einem auf sie einwirkenden Druck durch die Dicke, die Materialeigenschaften und den Durchmesser der Membran bestimmt. Durch diese Parameter ist also im wesentlichen der Meßbereich festgelegt, in dem ein Sensor arbeitet.
Je genauer der Drucksensor arbeiten soll, umso geringer ist der Abstand zwischen einem oberen und einem unteren Druckwert des Meßbereichs.
Es ist daher üblicherweise eine Vielzahl verschiedener Drucksensoren erforderlich, um in unterschiedlichen Meßbereichen mit ausreichender Genauigkeit Druckmessungen durchführen zu können.
Dies ist teuer und macht eine Lagerhaltung sowohl für Hersteller als auch für Anwender aufwendig.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Drucksensor anzugeben, mit dem verschiedene Meßbereiche abgedeckt werden können.
Hierzu besteht die Erfindung in einem Drucksensor mit

- einem Grundkörper,
- einer mit dem Grundkörper an deren äußeren Rand verbundenen von dem Grundkörper beabstandeten kreisscheibenförmigen Membran,
- mindestens einem ringförmigen konzentrisch zu dem Rand auf dem Grundkörper angeordneten Steg,
- auf dem die Membran aufliegt oder mit dem die Membran fest verbunden ist, und
- elektromechanischen Wandlern,
- die eine durch einen auf die Membran einwirkenden Druck bedingte Auslenkung der einzelnen durch die Stege gebildeten Teilbereiche der Membran in ein elektrisches Signal umwandeln.

Gemäß einer Ausgestaltung ist der äußere Rand der Membran auf einem ringscheibenförmigen Steg befestigt.
Gemäß einer Ausgestaltung ist die Membran metallisch.
Gemäß einer Ausgestaltung ist unter jedem Teilbereich der Membran auf dem Grundkörper ein Membranbett angeordnet.
Gemäß einer Ausgestaltung sind die einzelnen Teilbereiche der Membran Bestandteile einzelner Teilsensoren, denen verschiedene Druckmeßbereiche zugeordnet sind.
Gemäß einer Ausgestaltung liegt jeder Teilbereich der Membran, auf den ein Druck einwirkt, der größer als ein oberer Druckwert des zugeordneten Meßbereichs ist, an seinem Membranbett an.
Gemäß einer Ausgestaltung weisen die elektromechanischen Wandler mindestens einen aus mindestens zwei Elektroden bestehenden Kondensator auf, wobei eine Elektrode auf dem jeweiligen Membranbett und eine Elektrode auf dem gegenüberliegenden Teilbereich der Membran angeordnet ist.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung sind die elektromechanischen Wandler optische Sensoren, die dazu dienen die Abstände zwischen den Teilbereichen der Membran und dem Grundkörper zu ermitteln.
Gemäß einer Ausgestaltung bestehen die Membran, die Stege und der Grundkörper aus monokristallinem Silizium.
Gemäß einer Ausgestaltung sind die elektromechanischen Wandler in die Membran eindotierte Widerstandselemente.
Gemäß einer Ausgestaltung steigen die oberen Druckwerte der einzelnen Meßbereiche der einzelnen Teilsensoren von innen nach außen an.
Die Erfindung und weitere Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist, näher erläutert. Gleiche Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Drucksensor mit drei Meßbereichen ohne Druckbeaufschlagung;
Fig. 2 zeigt den Drucksensor von Fig. 1, wobei ein Druck einwirkt, der im Meßbereich des inneren Teilsensors liegt;
Fig. 3 zeigt den Drucksensor von Fig. 1, wobei ein Druck einwirkt, der im Meßbereich des mittleren Teilsensors liegt;
Fig. 4 zeigt den Drucksensor von Fig. 1, wobei ein Druck einwirkt, der im Meßbereich des äußeren Teilsensors liegt;
Fig. 5 zeigt den äußeren mit einem kapazitiven elektromechanischen Wandler ausgestatteten Teilsensor des Drucksensors von Fig. 1;
Fig. 6 zeigt den äußeren mit einem optischen elektromechanischen Wandler ausgestatteten Teilsensor des Drucksensors von Fig. 1; und
Fig. 7 zeigt den äußeren mit einem in die Membran eindotierten elektromechanischen Wandler ausgestatteten Teilsensor des Drucksensors von Fig. 1.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Drucksensor. Er weist einem ringscheibenförmigen Grundkörper 1 auf. Auf diesem ist eine kreisscheibenförmige Membran 3 angeordnet. Die Membran 3 ist an deren äußerem Rand 5 mit dem Grundkörper 1 verbunden und von dem Grundkörper 1 beabstandet. Hierzu ist zwischen dem Rand 5 und einer diesem gegenüberliegenden äußeren kreisscheibenförmigen Randfläche des Grundkörpers 1 ein kreisringscheibenförmiges Verbindungselement 6 vorgesehen. Über das Verbindungselement 6 ist die Membran 3 von dem Grundkörper 1 beabstandet und mit ihm verbunden.
Auf dem Grundkörper 1 ist mindestens ein ringförmiger konzentrisch zu dem Rand 5 angeordneter Steg 7, 9 vorgesehen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind ein innerer Steg 7 und ein äußerer Steg 9 vorgesehen.
Vorzugsweise ist das Verbindungselement 6 ebenfalls ein ringscheibenförmiger Steg, auf dem der äußere Rand 5 der Membran 3 befestigt ist.
Die Membran 3 liegt auf den Stegen 7, 9 auf und ist durch die Stege 7 und 9 in drei Teilbereiche I, II, III unterteilt. Vorzugsweise ist die Membran 3 fest mit den Stegen 7, 9 verbunden. Der erste Teilbereich I ist kreisförmig und liegt in der Mitte. Der zweite Teilbereich II ist ringförmig und umgibt den ersten Teilbereich I konzentrisch. Der dritte Teilbereich III ist ebenfalls ringförmig und umgibt den ersten und den zweiten Teilbereich II konzentrisch.
Durch die drei Teilbereiche I, II, III wird der Drucksensor in drei Teilsensoren eingeteilt. Für jeden Teilbereich I, II, III bzw. für jeden Teilsensor ist ein elektromechanischer Wandler vorgesehen, der eine durch einen auf die Membran 3 einwirkenden Druck p bedingte Auslenkung der einzelnen durch die Stege 7, 9 gebildeten Teilbereiche I, II, III der Membran 3 in ein elektrisches Signal umwandelt.
Den einzelnen Teilbereichen I, II, III der Membran 3 bzw. den dazugehörigen Teilsensoren sind verschiedene Druckmeßbereiche zugeordnet. Die Druckmeßbereiche sind durch einen unteren und einen oberen mit dem jeweiligen Teilsensor meßbaren Druckwert begrenzt. Dabei sind die oberen und die unteren Druckwerte der einzelnen Meßbereiche durch die Radien der Stege 7, 9 und den inneren Radius des Verbindungselements 6, die Breite der Stege 7, 9, die Dicke der Membran 3 und das Material der Membran 3 innerhalb gewisser Grenzen einstellbar.
Jeder Teilsensor ist mit einem Membranbett 11, 13, 15 ausgestattet. Die Membranbetten 11, 13, 15 sind je nach gewünschtem Material z. B. auf dem Grundkörper 1 vorgesehene Einlagen oder aber an den Grundkörper 1 angeformte integrale Bestandteile des Grundkörpers 1. Die einzelnen Teilbereiche I, II, III schmiegen sich an die Membranbetten 11, 13, 15 an, wenn auf die Membran 3 ein Druck einwirkt, der den oberen Druckwert des Meßbereichs des jeweiligen Teilsensors erreicht oder übersteigt. Jeder Teilbereich I, II, III der Membran 3 auf den ein Druck einwirkt, der größer als der obere Druckwert des zugeordneten Meßbereichs ist, liegt somit an seinem Membranbett 11, 13, 15 an.
Vorzugsweise steigen die oberen Druckwerte der einzelner Meßbereiche der Teilsensoren von innen nach außen an. Entsprechend liegt dann mit steigendem auf die Membran 3 einwirkenden Druck zunächst der innere Teilbereich I der Membran 3 in seinem Membranbett 11 an. Bei Erreichen des oberen Druckwerts des Meßbereichs des mittleren Teilsensors liegen dann der innere und der mittlere Teilbereich I, II in deren Membranbetten 11, 13 an. Entsprechend liegen bei Erreichen des oberen Druckwerts des Meßbereichs des äußeren Teilsensors alle drei Teilbereiche I, II, III in deren Membranbetten 11, 13, 15 an. Vorzugsweise überlappen die Meßbereiche der Teilsensoren, so daß alle Druckwerte vom unteren Druckwert des Meßbereichs des inneren Teilsensors bis zum oberen Druckwert des Meßbereichs des äußeren Teilsensors kontinuierlich erfaßbar sind.
Fig. 2 zeigt den Drucksensor von Fig. 1, wobei ein Druck einwirkt, der im Meßbereich des inneren Teilsensors liegt, Fig. 3 zeigt den Drucksensor von Fig. 1, wobei ein Druck einwirkt, der im Meßbereich des mittleren Teilsensors liegt und Fig. 4 zeigt den Drucksensor von Fig. 1, wobei ein Druck einwirkt, der im Meßbereich des äußeren Teilsensors liegt.
Gemäß einer ersten Ausführungsform ist die Membran 3 metallisch. Sie besteht z. B. aus einem hochlegierten Stahl, wie z. B. Duratherm, der eine sehr hohe Streckgrenze, bei Duratherm bis zu 1200 N/mm², aufweist. Bestehen das Verbindungselement 6 und die Stege 7, 9 ebenfalls aus einem Metall, so kann die Membran 3 z. B. auf das Verbindungselement 6 und die Stege 7, 9 z. B. mittels Laser- Schweißen, aufgeschweißt sein.
Eine feste Verbindung zwischen der Membran 3 und den Stegen 7, 9 bietet den Vorteil, daß die Membran 3 auch unter Druckeinwirkung nicht verrutschen kann. Hierdurch, bzw. durch die mit einer Bewegung der Membran 3 relativ zu den Stegen 7, 9 verbundene Reibung entsteht eine Hysterese, die sich nachteilig auf die Meßgenauigkeit auswirkt. Werden keine besonders hohen Anforderungen an die Meßgenauigkeit gestellt genügt es wenn die Membran 3 auf den Stegen 7, 9 aufliegt. Zur Erziehung einer hohen Meßgenauigkeit ist es jedoch von Vorteil, wenn die Membran 3 fest mit den Stegen 7, 9 verbunden ist.
Wirkt ein zu messender Druck auf die Membran 3 ein, so werden die druckabhängigen Auslenkungen der einzelnen Teilbereiche I, II, III der Membran 3 mittels der elektromechanischen Wandler erfaßt.
In Fig. 5 ist anhand des äußeren Teilsensors ein Ausführungsbeispiel eines kapazitiven elektromechanischen Wandlers dargestellt.
Ein kapazitiver Wandler weist mindestens einen aus mindestens zwei Elektroden 17, 19 bestehenden Kondensator auf. Eine erste Elektrode 17 ist auf dem Membranbett 15 angeordnet und eine zweite Elektrode 19 ist auf dem gegenüberliegenden Teilbereich III der Membran 3 angeordnet. Analog können auch bei den anderen Teilsensoren kapazitive Wandler vorgesehen sein, indem die Membranbetten 11, 13 und die gegenüberliegenden Teilbereiche I, II der Membran 3 mit Elektroden ausgestattet sind.
Bestehen die Membranbetten 11, 13, 15 aus einem Isolator, so können die jeweiligen ersten Elektroden 17 unmittelbar auf das Membranbett 11, 13, 15 aufgebracht sein. Andernfalls ist eine Isolationsschicht auf die jeweiligen Membranbetten 11, 13, 15 aufzubringen, durch die die Elektroden 17 gegenüber den Membranbetten 11, 13, 15 isoliert sind. Die zweite Elektrode 19 kann ebenfalls gegenüber der Membran 3 isoliert auf die entsprechenden Teilbereiche I, II, III aufgebracht sein. Ist die Membran 3 metallisch, so dient vorzugsweise die Membran 3 selbst als Elektrode 19. In diesem Fall ist die Membran 3 vorzugsweise an ein Bezugspotential, z. B. Masse oder ein festes Referenzpotential, angeschlossen. Die Kapazitäten der einzelnen elektromechanischen Wandler werden getrennt mittels einer elektronischen Schaltung 21 erfaßt und in ein elektrisches Signal umgewandelt, das über Anschlußleitungen 23 einer weiteren Verarbeitung und/oder Auswertung zur Verfügung steht.
Alternativ können optische elektromechanische Wandler eingesetzt werden, die dazu dienen, die Abstände zwischen den Teilbereichen I, II, III der Membran 3 und dem Grundkörper 1 zu ermitteln. Dies ist wieder beispielhaft anhand des äußeren Teilsensors in Fig. 6 dargestellt. Bei einem optischen Wandler wird z. B. ein elektromagnetisches Signal in zwei Teilsignale aufgespalten, von denen eins vom Membranbett 15 zur Membran 3 und zurück läuft. Das zweite Teilsignal wird an einem Referenzreflektor reflektiert. Die reflektierten Teilsignal werden dann zu einem Ausgangssignal überlagert, das in einer Auswerteschaltung 25 in ein abstands- und damit druckabhängiges Signal umgewandelt wird, das über Anschlußleitungen 27 einer weiteren Verarbeitung und/oder Auswertung zur Verfügung steht.
Weiter können die Membran 3, das Verbindungselement 6, die Stege 7, 9 und der Grundkörper 1 aus monokristallinem Silizium bestehen. Auch hier ist die Membran 3 vorzugsweise mit den Stegen 7, 9 fest verbunden. Dabei sind die elektromechanischen Wandler vorzugsweise in die Membran 3 eindotierte Widerstandselemente 29, z. B. piezoresistive Elemente. Dies ist anhand der äußeren Teilsensors in Fig. 7 dargestellt. Die Widerstandselemente 29 können einzeln durch die Membran 3 hindurch angeschlossen und ausgewertet werden. Vorzugsweise werden jedoch mehrere Widerstandselemente 29 zu einer Druckmeßschaltung, z. B. einer Brückenschaltung, zusammengeschlossen und es wird, z. B. aus einer resultierenden Brückenspannung ein druckabhängiges Ausgangssignal gewonnen, das über Anschlußleitungen 31 einer weiteren Verarbeitung und/oder Auswertung zugänglich ist.
Derartige Silizium-Sensoren weisen in der Regel eine sehr hohe Meßgenauigkeit auf. Sie jedoch empfindlich gegenüber mechanischen Beanspruchungen. Sie werden vorzugsweise in ein Gehäuse mit einem vorgeschalteten Druckmittler eingesetzt. Der Druckmittler weist eine Trennmembran auf, auf die der zu messende Druck einwirkt. Er ist mit einer möglichst inkompressiblen Flüssigkeit, z. B. einem Silikonöl, gefüllt, die den auf die Trennmembran einwirkenden Druck auf die Membran 3 überträgt.
Die dargestellten Drucksensoren sind als Absolutdrucksensoren ausgebildet. Selbstverständlich können auf analoge Weise auch Relativdrucksensoren und sogar Differenzdrucksensoren aufgebaut sein. Bei Relativdrucksensoren ist in dem Grundkörper für jeden Teilsensor eine durchgehende Bohrung vorzusehen, durch die ein Referenzdruck, auf den der zu messende Druck bezogen sein soll auf die dem Grundkörper 1 zugewandte Innenseite der Membran 3 einwirkt. Dies geschieht auf die gleiche Weise, wie bei herkömmlichen Drucksensoren, die nur einen Meßbereich aufweisen. Der einzige Unterschied besteht darin, daß jedem Teilsensor der Referenzdruck zugeführt werden muß. Um einen Differenzdrucksensor herzustellen, müssen entweder zwei erfindungsgemäße Drucksensoren eingesetzt werden und die Differenz der Meßergebnisse gebildet werden, oder es können zwei erfindungsgemäße Drucksensoren zu einem Differenzdrucksensor zusammen geschaltet werden, indem von jedem Teilsensor des ersten Drucksensors eine Verbindungsleitung zu dem identischen Teilsensor des zweiten Drucksensors führt. Die durch die Teilbereiche I, II, III abgeschlossenen Teilsensorinnenräume und die Verbindungsleitungen sind mit einer inkompressiblen Flüssigkeit, z. B. einem Silikonöl, zu füllen. Die Teilsensoren sind hierdurch paarweise zu Differenzdrucksensoren zusammengeschlossen.
Die Meßbereiche der Drucksensoren werden durch die Meßbereiche der einzelnen Teilsensoren, aus denen der Drucksensor aufgebaut ist, zusammengesetzt.
Bei einem Drucksensor mit einer metallischen Membran 3, z. B. aus Duratherm, mit

- einem Membrandurchmesser von 32 mm,
- einer Membrandicke von 0,1 mm,
- einer Stegbreite von 1 mm,
- einem Durchmesser des inneren Teilbereichs I der Membran 3 von 11 mm,
- einer Breite des mittleren Teilbereichs II von 4 mm, und
- einer Breite des äußeren Teilbereichs III von 2,5 mm

Ein Drucksensor aus monokristallinem Silizium mit den gleichen Teilmeßbereichen weist z. B. auf:

- einen Membrandurchmesser von 1000 µm,
- eine Membrandicke von 2 µm,
- eine Stegbreite von 50 µm,
- einen Durchmesser des inneren Teilbereichs I der Membran 3 von 600 µm,
- eine Breite des mittleren Teilbereichs II von 30 µm, und
- eine Breite des äußeren Teilbereichs III von 25 µm.

Da die einzelnen Teilsensoren durch die Stege 7, 9 voneinander getrennt sind, arbeitet jeder Teilsensor wie ein einzelner herkömmlicher Sensor mit einer vergleichbaren Meßgenauigkeit. Da die Teilbereiche I, II, III nach Erreichen des jeweiligen oberen Druckwerts des Meßbereichs des jeweiligen Teilsensors im Membranbett 11, 13, 15 anliegen, sind sie vor einer eventuellen Überlast geschützt. Durch Hysterese und/oder Überlast bedingte Meßfehler sind daher vernachlässigbar gering. Folglich weisen die vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Drucksensoren die gleiche Funktionalität auf, wie drei herkömmliche Drucksensoren.
Durch Variation der Anzahl der Stege können selbstverständlich auch andere Drucksensoren z. B. mit einem Steg und zwei Meßbereichen oder mit drei Stegen und vier Meßbereichen usw. aufgebaut werden.

Claims

1. Drucksensor mit
einem Grundkörper (1),
einer mit dem Grundkörper (1) an deren äußeren Rand (5) verbundenen von dem Grundkörper (1) beabstandeten kreisscheibenförmigen Membran (3),
mindestens einem ringförmigen konzentrisch zu dem Rand (5) auf dem Grundkörper (1) angeordneten Steg (7, 9),
auf dem die Membran (3) aufliegt oder mit dem die Membran (3) fest verbunden ist, und
elektromechanischen Wandlern,
die eine durch einen auf die Membran (3) einwirkenden Druck bedingte Auslenkung der einzelnen durch die Stege (7, 9) gebildeten Teilbereiche (I, II, III) der Membran (3) in ein elektrisches Signal umwandeln.

2. Drucksensor nach Anspruch 1, bei dem der äußere Rand (5) der Membran (3) auf einem ringscheibenförmigen Steg (6) befestigt ist.

3. Drucksensor nach Anspruch 1, bei dem die Membran (3) metallisch ist.

4. Drucksensor nach Anspruch 1, bei dem unter jedem Teilbereich (I, II, III) der Membran (3) auf dem Grundkörper (1) ein Membranbett (11, 13, 15) angeordnet ist.

5. Drucksensor nach Anspruch 1, bei dem die einzelnen Teilbereiche (I, II, III) der Membran (3) Bestandteile einzelner Teilsensoren sind, denen verschiedene Druckmeßbereiche zugeordnet sind.

6. Drucksensor nach Anspruch 4 und 5, bei dem jeder Teilbereich (1, II, III) der Membran (3), auf den ein Druck einwirkt, der größer als ein oberer Druckwert des zugeordneten Meßbereichs ist, an seinem Membranbett (11, 13, 15) anliegt.

7. Drucksensor nach Anspruch 4, bei dem die elektromechanischen Wandler mindestens einen aus mindestens zwei Elektroden (17, 19) bestehenden Kondensator aufweisen, wobei eine Elektrode (17) auf dem jeweiligen Membranbett (11, 13, 15) und eine Elektrode (19) auf dem gegenüberliegenden Teilbereich (I, II, III) der Membran (3) angeordnet ist.

8. Drucksensor nach Anspruch 1, bei dem die elektromechanischen Wandler optische Sensoren sind, die dazu dienen die Abstände zwischen den Teilbereichen (I, II, III) der Membran (3) und dem Grundkörper (1) zu ermitteln.

9. Drucksensor nach Anspruch 1, bei dem die Membran (3), die Stege (5, 9) und der Grundkörper (1) aus monokristallinem Silizium bestehen.

10. Drucksensor nach Anspruch 9, bei dem die elektromechanischen Wandler in die Membran (3) eindotierte Widerstandselemente (29) sind.

11. Drucksensor nach Anspruch 1, bei dem die oberen Druckwerte der einzelnen Meßbereiche der einzelnen Teilsensoren von innen nach außen ansteigt.