DE10132269A1

DE10132269A1 - Membrane type pressure sensor has a circular membrane that is divided into concentric areas of varying cross section, so that pressure can be measured accurately over a wide range

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

Pressure sensor has a base body (1) and a circular disk shaped membrane (3) that is connected to the base body around its outer edge (5). One or more concentric circular webs (7, 9) are arranged between the outer edge of the disk and its center so that the membrane rests on, or is connected to them. Electromagnetic transducers convert the deformation of the individual membrane areas (I, II, III) by the applied pressure into electrical signals.

Description

Die Erfindung betrifft einen Drucksensor. The invention relates to a pressure sensor.

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. In pressure measurement technology, for. B. absolute pressure, Relative pressure and differential pressure sensors used. at Absolute pressure sensors, a pressure to be measured becomes absolute, d. H. recorded as a pressure difference compared to a vacuum. With a relative pressure sensor, a pressure to be measured in Form of a pressure difference against one Reference pressure, e.g. B. a pressure that prevails where there is the sensor is located. Most of them Applications, this is the atmospheric pressure at the place of use. It becomes a pressure to be measured in absolute pressure measuring cells based on a fixed reference pressure, the vacuum pressure, and in the case of relative pressure sensors, a pressure to be measured based on a variable reference pressure, e.g. B. the ambient pressure, detected. A differential pressure sensor detects a difference between a first and a second on the sensor applied pressure.

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.

There are pressure sensors on the market with

- a basic body,
- A circular disc-shaped membrane connected to the base body at its outer edge and spaced apart from the base body
- electromechanical transducers,
- Convert the deflection of the membrane caused by a pressure acting on the membrane into an electrical signal.

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. Such pressure sensors are regular for one predefined measuring range. Here is the Sensitivity of the membrane to one on it acting pressure through the thickness that Material properties and the diameter of the membrane certainly. So through these parameters is essentially the measuring range in which a sensor works.

Je genauer der Drucksensor arbeiten soll, umso geringer ist der Abstand zwischen einem oberen und einem unteren Druckwert des Meßbereichs. The more precisely the pressure sensor is supposed to work, the lower it is the distance between an upper and a lower one Pressure value of the measuring range.

Es ist daher üblicherweise eine Vielzahl verschiedener Drucksensoren erforderlich, um in unterschiedlichen Meßbereichen mit ausreichender Genauigkeit Druckmessungen durchführen zu können. It is therefore usually a variety of different ones Pressure sensors required to be in different Measuring ranges with sufficient accuracy pressure measurements to be able to perform.

Dies ist teuer und macht eine Lagerhaltung sowohl für Hersteller als auch für Anwender aufwendig. This is expensive and makes storage for both Manufacturers as well as for users.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Drucksensor anzugeben, mit dem verschiedene Meßbereiche abgedeckt werden können. It is an object of the invention to provide a pressure sensor specify with which different measuring ranges are covered can be.

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.

For this purpose, the invention consists in a pressure sensor

- a basic body,
a circular disk-shaped membrane connected to the base body at its outer edge and spaced apart from the base body,
at least one annular web arranged concentrically to the edge on the base body,
- on which the membrane rests or with which the membrane is firmly connected, and
- electromechanical transducers,
- Convert the deflection of the individual partial regions of the membrane formed by the webs caused by a pressure acting on the membrane into an electrical signal.

Gemäß einer Ausgestaltung ist der äußere Rand der Membran auf einem ringscheibenförmigen Steg befestigt. According to one embodiment, the outer edge of the membrane attached to a ring-shaped web.

Gemäß einer Ausgestaltung ist die Membran metallisch. According to one embodiment, the membrane is metallic.

Gemäß einer Ausgestaltung ist unter jedem Teilbereich der Membran auf dem Grundkörper ein Membranbett angeordnet. According to one embodiment, under each sub-area Membrane bed arranged on the base body.

Gemäß einer Ausgestaltung sind die einzelnen Teilbereiche der Membran Bestandteile einzelner Teilsensoren, denen verschiedene Druckmeßbereiche zugeordnet sind. According to one embodiment, the individual sub-areas are the membrane components of individual partial sensors, which different pressure measuring ranges are assigned.

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. According to one embodiment, each sub-area lies in the Membrane that is subjected to a pressure greater than one is the upper pressure value of the assigned measuring range his membrane bed.

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. According to one embodiment, the electromechanical Transducer at least one of at least two electrodes existing capacitor, with an electrode on the respective membrane bed and an electrode on the opposite portion of the membrane is arranged.

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. According to another embodiment, the electromechanical transducers optical sensors that do so serve the distances between the sections of the membrane and determine the basic body.

Gemäß einer Ausgestaltung bestehen die Membran, die Stege und der Grundkörper aus monokristallinem Silizium. According to one embodiment, the membrane, the webs and the base body made of monocrystalline silicon.

Gemäß einer Ausgestaltung sind die elektromechanischen Wandler in die Membran eindotierte Widerstandselemente. According to one embodiment, the electromechanical Resistor elements doped into the membrane.

Gemäß einer Ausgestaltung steigen die oberen Druckwerte der einzelnen Meßbereiche der einzelnen Teilsensoren von innen nach außen an. According to one embodiment, the upper pressure values of the individual measuring ranges of the individual partial sensors from the inside to the outside.

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. The invention and further advantages are now based on the Figures of the drawing, in which an embodiment is illustrated, explained in more detail. Same elements are in the figures with the same reference numerals.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Drucksensor mit drei Meßbereichen ohne Druckbeaufschlagung; Fig. 1 shows a section through a pressure sensor according to the invention with three measuring ranges without pressurization;

Fig. 2 zeigt den Drucksensor von Fig. 1, wobei ein Druck einwirkt, der im Meßbereich des inneren Teilsensors liegt; FIG. 2 shows the pressure sensor from FIG. 1, with a pressure acting in the measuring range of the inner part sensor;

Fig. 3 zeigt den Drucksensor von Fig. 1, wobei ein Druck einwirkt, der im Meßbereich des mittleren Teilsensors liegt; FIG. 3 shows the pressure sensor of FIG. 1, with a pressure acting in the measuring range of the middle part sensor;

Fig. 4 zeigt den Drucksensor von Fig. 1, wobei ein Druck einwirkt, der im Meßbereich des äußeren Teilsensors liegt; FIG. 4 shows the pressure sensor from FIG. 1, with a pressure acting in the measuring range of the outer part sensor;

Fig. 5 zeigt den äußeren mit einem kapazitiven elektromechanischen Wandler ausgestatteten Teilsensor des Drucksensors von Fig. 1; Fig. 5 shows the outer equipped with a capacitive electromechanical transducer sensor portion of the pressure sensor of FIG. 1;

Fig. 6 zeigt den äußeren mit einem optischen elektromechanischen Wandler ausgestatteten Teilsensor des Drucksensors von Fig. 1; und FIG. 6 shows the outer partial sensor of the pressure sensor from FIG. 1 equipped with an optical electromechanical transducer; and

Fig. 7 zeigt den äußeren mit einem in die Membran eindotierten elektromechanischen Wandler ausgestatteten Teilsensor des Drucksensors von Fig. 1. FIG. 7 shows the outer partial sensor of the pressure sensor from FIG. 1 equipped with an electromechanical transducer doped into the membrane.

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. Fig. 1 shows a section through a pressure sensor according to the invention. It has an annular disk-shaped base body 1 . A circular disk-shaped membrane 3 is arranged on this. The membrane 3 is connected at its outer edge 5 to the base body 1 and spaced from the base body 1 . For this purpose, an annular disk-shaped connecting element 6 is provided between the edge 5 and an outer circular disk-shaped edge surface of the base body 1 opposite this. Via the connecting element 6 , the membrane 3 is spaced from the base body 1 and connected to it.

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. At least one annular web 7 , 9 arranged concentrically to the edge 5 is provided on the base body 1 . In the illustrated embodiment, an inner web 7 and an outer web 9 are provided.

Vorzugsweise ist das Verbindungselement 6 ebenfalls ein ringscheibenförmiger Steg, auf dem der äußere Rand 5 der Membran 3 befestigt ist. The connecting element 6 is preferably also an annular disk-shaped web on which the outer edge 5 of the membrane 3 is fastened.

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. The membrane 3 rests on the webs 7 , 9 and is divided into three partial areas I, II, III by the webs 7 and 9 . The membrane 3 is preferably firmly connected to the webs 7 , 9 . The first section I is circular and lies in the middle. The second section II is ring-shaped and concentrically surrounds the first section I. The third section III is also annular and concentrically surrounds the first and the second section II.

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. The pressure sensor is divided into three sensors by the three sections I, II, III. For each increment I, II, III or each part of the sensor, an electromechanical transducer is provided which has a p caused by a force acting on the diaphragm 3, pressure deflection of the individual by the webs 7, 9 Sections I formed, II, III of the diaphragm 3 converted into an electrical signal.

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. Different pressure measuring areas are assigned to the individual partial areas I, II, III of the membrane 3 or the associated partial sensors. The pressure measuring ranges are limited by a lower and an upper pressure value that can be measured with the respective partial sensor. The upper and lower pressure values of the individual measuring ranges can be adjusted within certain limits by the radii of the webs 7 , 9 and the inner radius of the connecting element 6 , the width of the webs 7 , 9 , the thickness of the membrane 3 and the material of the membrane 3 ,

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. Each sub-sensor is equipped with a membrane bed 11 , 13 , 15 . The membrane beds 11 , 13 , 15 are, for example, depending on the desired material. B. provided on the base body 1 deposits or integrally formed on the base body 1 integral parts of the base body. 1 The individual partial areas I, II, III nestle against the membrane beds 11 , 13 , 15 when a pressure acts on the membrane 3 which reaches or exceeds the upper pressure value of the measuring range of the respective partial sensor. Each sub-area I, II, III of the membrane 3 , which is acted upon by a pressure which is greater than the upper pressure value of the assigned measuring range, is thus in contact with its membrane bed 11 , 13 , 15 .

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. The upper pressure values of the individual measuring ranges of the partial sensors preferably rise from the inside to the outside. Accordingly, with increasing pressure acting on the membrane 3 , the inner partial region I of the membrane 3 is initially in its membrane bed 11 . When the upper pressure value of the measuring range of the middle part sensor is reached, the inner and middle part areas I, II are in their membrane beds 11 , 13 . Correspondingly, when the upper pressure value of the measuring range of the outer partial sensor is reached, all three partial areas I, II, III are in their membrane beds 11 , 13 , 15 . The measuring ranges of the partial sensors preferably overlap, so that all pressure values from the lower pressure value of the measuring range of the inner partial sensor to the upper pressure value of the measuring range of the outer partial sensor can be detected continuously.

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. Fig. 2 shows the pressure sensor of FIG. 1 wherein a pressure is applied which is in the measuring range of the inner part of the sensor, Fig. 3 shows the pressure sensor of FIG. 1 wherein a pressure is applied which is in the measuring range of the central part of the sensor and Fig. 4 shows the pressure sensor of FIG. 1, with a pressure acting in the measuring range of the outer part sensor.

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. According to a first embodiment, the membrane 3 is metallic. It consists e.g. B. from a high-alloy steel, such as. B. Duratherm, which has a very high yield strength, with Duratherm up to 1200 N / mm ² . Are the connecting element 6 and the webs 7 , 9 also made of a metal, the membrane 3 z. B. on the connecting element 6 and the webs 7 , 9 z. B. by laser welding.

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. A firm connection between the membrane 3 and the webs 7 , 9 offers the advantage that the membrane 3 can not slip even under pressure. This or the friction associated with a movement of the membrane 3 relative to the webs 7 , 9 creates a hysteresis which has a disadvantageous effect on the measurement accuracy. If no particularly high requirements are placed on the measurement accuracy, it is sufficient if the membrane 3 rests on the webs 7 , 9 . To achieve a high measurement accuracy, however, it is advantageous if the membrane 3 is firmly connected to the webs 7 , 9 .

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. If a pressure to be measured acts on the membrane 3 , the pressure-dependent deflections of the individual partial areas I, II, III of the membrane 3 are detected by means of the electromechanical transducers.

In Fig. 5 ist anhand des äußeren Teilsensors ein Ausführungsbeispiel eines kapazitiven elektromechanischen Wandlers dargestellt. An exemplary embodiment of a capacitive electromechanical transducer is shown in FIG. 5 on the basis of the outer partial sensor.

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. A capacitive converter has at least one capacitor consisting of at least two electrodes 17 , 19 . A first electrode 17 is arranged on the membrane bed 15 and a second electrode 19 is arranged on the opposite section III of the membrane 3 . Analogously, capacitive transducers can also be provided in the other sub-sensors, in that the diaphragm beds 11 , 13 and the opposite sub-regions I, II of the diaphragm 3 are equipped with electrodes.

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. If the membrane beds 11 , 13 , 15 consist of an insulator, the respective first electrodes 17 can be applied directly to the membrane bed 11 , 13 , 15 . Otherwise, an insulation layer must be applied to the respective membrane beds 11 , 13 , 15 , by means of which the electrodes 17 are insulated from the membrane beds 11 , 13 , 15 . The second electrode 19 can also be applied to the corresponding subareas I, II, III in isolation from the membrane 3 . If the membrane 3 is metallic, the membrane 3 itself preferably serves as the electrode 19 . In this case, the membrane 3 is preferably at a reference potential, e.g. B. ground or a fixed reference potential connected. The capacities of the individual electromechanical transducers are recorded separately by means of an electronic circuit 21 and converted into an electrical signal which is available for further processing and / or evaluation via connecting lines 23 .

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. Alternatively, optical electromechanical transducers can be used, which serve to determine the distances between the partial areas I, II, III of the membrane 3 and the base body 1 . This is illustrated again by way of example using the outer part sensor in FIG. 6. In an optical converter, for. B. split an electromagnetic signal into two partial signals, one of which runs from the membrane bed 15 to the membrane 3 and back. The second partial signal is reflected on a reference reflector. The reflected partial signal is then superimposed to form an output signal which is converted in an evaluation circuit 25 into a distance-dependent and thus pressure-dependent signal which is available for further processing and / or evaluation via connecting lines 27 .

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. Furthermore, the membrane 3 , the connecting element 6 , the webs 7 , 9 and the base body 1 can consist of monocrystalline silicon. Here too, the membrane 3 is preferably firmly connected to the webs 7 , 9 . The electromechanical transducers are preferably in the diaphragm 3 impurity doped resistive elements 29, z. B. piezoresistive elements. This is shown in FIG. 7 using the outer partial sensor. The resistance elements 29 can be individually connected through the membrane 3 and evaluated. Preferably, however, a plurality of resistance elements 29 to a pressure measuring circuit, for. B. a bridge circuit, and it is, for. B. from a resulting bridge voltage, a pressure-dependent output signal is obtained, which is accessible via connecting lines 31 for further processing and / or evaluation.

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. Such silicon sensors generally have a very high measuring accuracy. However, they are sensitive to mechanical stress. They are preferably used in a housing with an upstream diaphragm seal. The diaphragm seal has a separating membrane on which the pressure to be measured acts. He is with an incompressible liquid, such. B. a silicone oil filled, which transmits the pressure acting on the separation membrane to the membrane 3 .

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. The pressure sensors shown are designed as absolute pressure sensors. Of course, relative pressure sensors and even differential pressure sensors can also be constructed in an analogous manner. In the case of relative pressure sensors, a continuous bore is to be provided in the base body for each sub-sensor, through which a reference pressure, to which the pressure to be measured should be based, acts on the inside of the membrane 3 facing the base body 1 . This is done in the same way as with conventional pressure sensors that only have one measuring range. The only difference is that the reference pressure must be supplied to each sub-sensor. In order to produce a differential pressure sensor, either two pressure sensors according to the invention must be used and the difference between the measurement results must be formed, or two pressure sensors according to the invention can be connected together to form a differential pressure sensor in that a connecting line leads from each partial sensor of the first pressure sensor to the identical partial sensor of the second pressure sensor , The part sensor interiors closed off by sub-areas I, II, III and the connecting lines are coated with an incompressible liquid, e.g. B. a silicone oil to fill. As a result, the partial sensors are combined in pairs to form differential pressure sensors.

Die Meßbereiche der Drucksensoren werden durch die Meßbereiche der einzelnen Teilsensoren, aus denen der Drucksensor aufgebaut ist, zusammengesetzt. The measuring ranges of the pressure sensors are determined by the Measuring ranges of the individual part sensors, from which the Pressure sensor is assembled.

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

kann z. B. der innere Teilsensor einen Meßbereich von 0 MPa bis 1 MPa (0 bar bis 10 bar), der mittlere Teilsensor einen Meßbereich von 0,8 MPa bis 2 MPa (8 bar bis 20 bar) und der äußere Teilsensor einen Meßbereich von 1,8 MPa bis 4 MPa (18 bar bis 40 bar) abdecken. In a pressure sensor with a metallic membrane 3 , for. B. from Duratherm, with

- a membrane diameter of 32 mm,
- a membrane thickness of 0.1 mm,
- a web width of 1 mm,
a diameter of the inner portion I of the membrane 3 of 11 mm,
- a width of the middle section II of 4 mm, and
- A width of the outer section III of 2.5 mm

can e.g. B. the inner partial sensor has a measuring range of 0 MPa to 1 MPa (0 bar to 10 bar), the middle partial sensor has a measuring range of 0.8 MPa to 2 MPa (8 bar to 20 bar) and the outer partial sensor has a measuring range of 1, Cover 8 MPa to 4 MPa (18 bar to 40 bar).

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.

A pressure sensor made of monocrystalline silicon with the same partial measuring ranges, for. B. on:

- a membrane diameter of 1000 µm,
- a membrane thickness of 2 µm,
- a web width of 50 µm,
a diameter of the inner partial region I of the membrane 3 of 600 μm,
- a width of the central portion II of 30 microns, and
- A width of the outer portion III of 25 microns.

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. Since the individual partial sensors are separated from one another by the webs 7 , 9 , each partial sensor works like an individual conventional sensor with a comparable measuring accuracy. Since the partial areas I, II, III are in the membrane bed 11 , 13 , 15 after the respective upper pressure value of the measuring range of the respective partial sensor has been reached, they are protected against a possible overload. Measurement errors caused by hysteresis and / or overload are therefore negligible. Consequently, the previously described pressure sensors according to the invention have the same functionality as three conventional pressure sensors.

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. By varying the number of bars you can of course, other pressure sensors such. B. with a web and two measuring ranges or with three bars and four Measuring ranges, etc.

Claims

1. Pressure sensor with
a base body ( 1 ),
a circular disk-shaped membrane ( 3 ) connected to the base body ( 1 ) at its outer edge ( 5 ) and spaced apart from the base body ( 1 ),
at least one annular web ( 7 , 9 ) arranged concentrically to the edge ( 5 ) on the base body ( 1 ),
on which the membrane ( 3 ) rests or with which the membrane ( 3 ) is firmly connected, and
electromechanical transducers,
the one caused by a force acting on the membrane (3) deflection of the individual pressure by the webs (7, 9) formed portions (I, II, III) to convert the membrane (3) into an electrical signal.

2. Pressure sensor according to claim 1, wherein the outer edge ( 5 ) of the membrane ( 3 ) on a ring-shaped web ( 6 ) is attached.

3. Pressure sensor according to claim 1, wherein the membrane ( 3 ) is metallic.

4. Pressure sensor according to claim 1, in which a membrane bed ( 11 , 13 , 15 ) is arranged under each partial area (I, II, III) of the membrane ( 3 ) on the base body ( 1 ).

5. Pressure sensor according to claim 1, in which the individual partial areas (I, II, III) of the membrane ( 3 ) are components of individual partial sensors to which different pressure measuring areas are assigned.

6. Pressure sensor according to claim 4 and 5, wherein each section (1, II, III) of the membrane ( 3 ), which acts on a pressure which is greater than an upper pressure value of the assigned measuring range, on its membrane bed ( 11 , 13th , 15 ) is present.

7. Pressure sensor according to claim 4, wherein the electromechanical transducers have at least one capacitor consisting of at least two electrodes ( 17 , 19 ), an electrode ( 17 ) on the respective membrane bed ( 11 , 13 , 15 ) and an electrode ( 19 ) is arranged on the opposite portion (I, II, III) of the membrane ( 3 ).

8. Pressure sensor according to claim 1, in which the electromechanical transducers are optical sensors which serve to determine the distances between the partial areas (I, II, III) of the membrane ( 3 ) and the base body ( 1 ).

9. Pressure sensor according to claim 1, wherein the membrane ( 3 ), the webs ( 5 , 9 ) and the base body ( 1 ) consist of monocrystalline silicon.

10. Pressure sensor according to claim 9, wherein the electromechanical transducers in the membrane ( 3 ) doped resistance elements ( 29 ).

11. Pressure sensor according to claim 1, wherein the upper pressure values of the individual measuring ranges of the individual part sensors from the inside out increases.