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Die
Erfindung betrifft einen Drucksensor mit einer zwischen zwei Druckvolumina
einbringbaren Trägermembran,
deren Verformung mit Hilfe eines auf der Trägermembran angeordneten Messwandlers
erfassbar ist.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Drucksensors,
bei dem auf einer Trägermembran
ein der Erfassung von Verformungen der Trägermembran dienender Messwandler aufgebracht
wird.
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Ein
derartiger Drucksensor und ein derartiges Verfahren sind aus der
DE 196 45 613 A1 bekannt.
Der bekannte Drucksensor verfügt über einen Grundkörper aus
einem keramischen Material, in den eine sacklochartige Ausnehmung
eingebracht ist. Durch die sacklochartige Ausnehmung wird im Grundkörper eine
keramische Membran ausgebildet, deren Verformung von einem auf der
Membran angeordneten Messwandler erfasst wird. Der Messwandler kann
ein piezoelektrischer Messwandler oder ein resistiver Messwandler
sein. Letzterer setzt eine Dehnung der Membran in eine Änderung
des Widerstands um. Beim Betrieb des Drucksensors liegt auf der
einen Seite des Drucksensors ein Messmedium an. Auf der gegenüberliegenden
Seite kann ein Referenzmedium angeordnet sein. Die Druckdifferenz zwischen
dem Messmedium und dem Referenzmedium führt zu einer Auslenkung der
Trägermembran, die
vom Messwandler erfasst wird.
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Die
bekannten Drucksensoren kommen in verschiedenen Anwendungsgebieten
zum Einsatz. In der Automobilindustrie werden die Drucksensoren unter
anderem zur Motorsteuerung verwendet.
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Ein
Nachteil des bekannten Drucksensors ist, dass der bekannte Drucksensor
nur bedingt dazu geeignet ist, den Druck eines chemisch aggressiven Mediums
zu messen. Denn durch ein derartiges Medium wird auf die Dauer der
Messwandler beschädigt,
was zu Beeinträchtigungen
der Sensorfunktion führt.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe
zugrunde, einen Drucksensor zu schaffen, der für die Druckmessung aggressiver
Medien geeignet ist. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde,
ein Verfahren zur Herstellung des Drucksensors anzugeben.
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Diese
Aufgaben werden durch den Drucksensor und das Verfahren mit den
Merkmalen der unabhängigen
Ansprüche
gelöst.
In davon abhängigen Ansprüchen sind
vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben.
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Bei
dem Drucksensor wird der Messwandler mit einer Schutzschicht bedeckt,
die eine geringere Druckfestigkeit als die Trägermembran aufweist. Das bedeutet,
dass die Schutzschicht im freitragenden Zustand bei gleicher Druckbelastung
eine größere Auslenkung
erfährt
als die Trägermembran.
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Durch
die Schutzschicht, die eine geringere Druckfestigkeit als die Trägermembran
aufweist, wird die Funktion der Trägermembran nicht wesentlich
beeinträchtigt,
da für
die Dehnung der Trägermembran die
Druckfestigkeit der Trägermembran
maßgeblich bleibt.
Außerdem
zeigt der Messsensor auch kein asymmetrisches Verhalten, so dass Überdruck
von der einen Seite kein anderes Signal des Messwandlers hervorruft
als Überdruck
von der anderen Seite.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Schutzschicht aus einem Material hergestellt, dessen Elastizitätsmodul
kleiner gleich dem Elastizitätsmodul
des für
die Trägermembran
verwendeten Materials ist. Die Verwendung eines derartigen Materials
für die
Schutzschicht erlaubt, die Dicke der Schutzschicht größer gleich
der Dicke der Trägermembran
zu wählen.
Dadurch können
Schutzschichten in einer Dicke ausgeführt werden, die einen wirksamen
Schutz des Messwandlers vor aggressiven Medien bietet.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
wird für
die Trägermembran
und die Schutzschicht jeweils ein keramisches Material verwendet.
Ein derartiger Drucksensor weist nicht nur eine hohe Beständigkeit
gegenüber
chemisch aggressiven Medien auf, sondern auch eine hohe Vibrationsfestigkeit,
die insbesondere im Zusammenhang mit Anwendungen in der Automobilindustrie von
Bedeutung ist.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist die Schutzschicht mit Hilfe eines Gels gebildet, das auf der
Basis von Perfluoropolyether hergestellt ist. Eine derartige Schutzschicht
ist gegen aggressive Medien resistent. Außerdem kann das Gel zunächst in
einem fließfähigen Zustand
auf den Messwandler aufgebracht werden und dann durch eine Wärmebehandlung
ausgehärtet
werden. Dadurch wird der Messwandler dicht umschlossen und vor einem
aggressiven Medium geschützt.
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Die
Resistenz der Schutzschicht kann weiter erhöht werden, indem diese mit
einer auf der Basis von Polyimid hergestellten Folie abgedeckt wird. Eine
derartige Folie weist eine hohe mechanische Festigkeit auf und ist
auch gegen chemisch aggressive Medien resistent.
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Weitere
Vorteile und Einzelheiten der Erfindung gehen aus der nachfolgenden
Beschreibung hervor, in der Ausführungsbeispiele
der Erfindung anhand der Zeichnung im Einzelnen erläutert werden.
Es zeigen:
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1 einen
Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel des Drucksensors;
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2 einen
Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel des Drucksensors;
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3 einen
Querschnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel des Drucksensors;
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4 eine
Aufsicht auf den Drucksensor aus 1;
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5 einen
Querschnitt durch einen Drucksensor mit einer aus einem Gel hergestellten
Schutzschicht;
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6 einen
Querschnitt durch einen weiteren Drucksensor, dessen Schutzschicht
aus einem Gel hergestellt ist;
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7 einen
Querschnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel eines Drucksensors,
dessen Messwandler mit einer aus einem Gel hergestellten Schutzschicht
bedeckt sind; und
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8 einen
Querschnitt durch ein viertes Ausführungsbeispiel eines Drucksensors,
dessen Messwandler mit einer aus einem Gel hergestellten Schutzschicht
bedeckt sind.
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1 zeigt
einen Drucksensor 1, der über eine Trägermembran 2 verfügt. Auf
die Trägermembran 2 sind
Leiterbahnen 3 aufgebracht, die von Kontaktflächen 4 zu
den Dehnmessstreifen 5 führen, die in einem Druckmessbereich 6 der
Trägermembran 2 angeordnet
sind. Die Dehnmessstreifen 5 sind mit einer Schutzmembran 7 abgedeckt.
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Unterhalb
der Trägermembran 2 befindet sich
ein Stabilisierungsring 8, der dazu dient, die Trägermembran 2 und
die Schutzmembran 7 zu stützen. Am Stabilisierungsring 8 und
an der Schutzmembran 7 liegen jeweils O-Ringe 9 und 10 an,
die den Übergang
vom Drucksensor 1 zu einer Fassung 11 abdichten.
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Der
Drucksensor 2 trennt ein Messvolumen 12 von einem
Referenzvolumen 13. Im Messvolumen 12 befindet
sich ein Messmedium 14, während das Referenzvolumen 13 mit
einem Referenzmedium 15 gefüllt ist. Das Messmedium 14 übt einen
Druck 16 und das Referenzmedium 15 einen Druck 17 auf
den Druckmessbereich 6 des Drucksensors 1 aus.
Mit Hilfe des Drucksensors können
Druckdifferenzen oder bei bekanntem Druck 17 des Referenzmediums 15 der
absolute Druck 16 des Messmediums 14 gemessen
werden. Es sei darauf hingewiesen, dass bei bekanntem Druck 16 des
Messmediums 14 genauso der Druck des Referenzmediums 15 gemessen
werden kann. Das Messmedium 14 und das Referenzmedium 15 können Gase,
zum Beispiel Verbrennungsgase, oder Flüssigkeiten, zum Beispiel Treibstoffe
oder Hydrauliköle,
sein.
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Die
Trägermembran 2 und
die Schutzmembran 7 sind jeweils aus einem Material hergestellt,
bei dem keramische Partikel in eine organische Matrix eingebettet
sind. Die aus diesem Material hergestellten dünnen Platten bilden Keramikvorläufer, die
auch als Grünlinge
oder Grünfolie
bezeichnet werden.
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In
einem Brennvorgang können
die Keramikpartikel zu einer Keramik verbunden werden, die je nach
der Temperatur des Brennvorgangs als LTCC (= Low temperature co-fired
ceramics) oder als HTCC (= High temperature co-fired ceramics) bezeichnet wird.
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Die
Dicke d1 der Trägermembran 2 liegt
im Bereich zwischen 25 und 100 μm.
Auch die Dicke d2 der Schutzmembran 7 liegt
in diesem Bereich. Die Höhe
h der Dehnmessstreifen 5 beträgt üblicherweise etwa 10 bis 20 μm. Die Dicke
d2 der Schutzmembran 7 ist nun
vorzugsweise so gewählt,
dass die Dicke d2 wenigstens gleich der
doppelten Höhe
h der Dehnmessstreifen 5 ist. Dadurch wird bereits ein
ausreichender Schutz der Dehnmessstreifen 5 vor einem chemisch
aggressiven Referenzmedium 15 bewerkstelligt. Weiter verbessert
werden kann der Schutz der Dehnmessstreifen 5 vor dem Referenzmedium 15,
indem die Dicke d2 der Schutzmembran 7 wenigstens
gleich dem Fünffachen 2 der
Höhe h
der Dehnmessstreifen 5, aber nicht größer als die Dicke d1 der Trägermembran 2 gewählt wird.
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Wenn
der vom Messmedium 14 ausgeübte Druck 16 nicht
gleich dem vom Referenzmedium ausgeübten Druck 17 ist,
erfährt
die Sensormembran 18 eine Auslenkung. Die Auslenkung der
Sensormembran 18 wird von den außerhalb der neutralen Faser
der Sensormembran 18 angeordneten Dehnmessstreifen 5 erfasst.
Aus den von den Dehnmessstreifen 5 gelieferten Signalen
kann die Auslenkung der Sensormembran 18 und damit der
Druckunterschied zwischen dem Messmedium 14 und dem Referenzmedium 15 erfasst
werden.
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Zur
Herstellung des Drucksensors 1 wird zunächst eine für die Trägermembran 2 vorgesehene Grünfolie mit
den Leiterbahnen 3 und den Dehnmessstreifen 5 bedruckt.
Für das
Druckverfahren kommen insbesondere Siebdruck oder Schablonendruck
in Frage. Anschließend
wird auf die Leiterbahnen 3 und die Dehnmessstreifen 5 eine
weitere für die
Schutzmembran 7 vorgesehene Grünfolie aufgebracht. Der von
den beiden Grünfolien
gebildete Stapel wird unter Druck laminiert und zu einer die Trägermembran 2 und
die Schutzmembran 7 umfassenden Sensormembran 18 gebrannt.
Während
dieses Brennvorgangs kann die Sensormembran 18 auch mit
dem Stabilisierungsring 8 verbunden werden. Bei dem in 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel
ist der Stabilisierungsring 8 aus einer herkömmlichen Keramik
hergestellt, die beispielsweise auf der Basis von Aluminiumoxid,
Zirkonoxid oder deren Derivate gefertigt ist. Abschließend werden
die Kontaktflächen 4 ausgebildet
und mit den Leiterbahnen 3 verbunden.
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Der
Drucksensor 1 kann aber auch auf der Grundlage einer vorgefertigten
Trägermembran
hergestellt werden. Diese Trägermembran
ist bereits mit Leiterbahnen, Messwandlern und den dazugehörigen Kontaktflächen ausgestattet.
Die Leiterbahnen und Messwandler können dann mit einer Grünfolie abgedeckt
werden, die auf die Trägermembran
auflaminiert, gebrannt und gesintert wird. Dadurch entsteht eine
feste Verbindung zwischen Schutzmembran und Trägermembran.
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2 zeigt
einen weiteren Drucksensor 19, bei dem der Stützring 8 nicht
aus einer einstückigen Vollkeramik,
sondern aus einem Stapel von Keramikschichten 20 gefertigt
ist. Bei den Keramikschichten 20 handelt sich um Grünfolien,
die zu LTCC oder HTCC verarbeitet werden können.
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Die
Herstellung des Drucksensors 19 erfolgt, indem zunächst auf
die Trägermembran 2 die
Leiterbahnen 3 und die Dehnmessstreifen 5 aufgebracht werden.
Anschließend
werden die Lei terbahnen 3 und die Dehnmessstreifen 5 mit
der Schutzmembran 7 abgedeckt. In weiteren Verfahrensschritten
werden die Keramikschichten 20 aufgebracht und der gesamte
Stapel wird gebrannt und gesintert. Abschließend werden die Kontaktflächen 4 ausgebildet.
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Auch
die Trägermembran 2 kann
mehrschichtig ausgebildet sein. 3 zeigt
einen Drucksensor 21, dessen Trägermembran 2 aus mehreren Membranschichten 22 besteht. Über die
Höhe des von
den Membranschichten 22 gebildeten Stapels kann die Festigkeit
der Sensormembran 18 und damit der Druckbereich des Drucksensors 21 eingestellt
werden. Es sei angemerkt, dass die Festigkeit auch über die
Abmessungen des Druckmessbereichs 6 beeinflusst werden
können.
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In 4 ist
eine Aufsicht auf den Drucksensor 1 aus 1 dargestellt.
Die in 4 dargestellte Aufsicht entspricht auch einer
Aufsicht auf die jeweilige Schutzmembran 7 der Drucksensoren 19 und 21. In 4 deutet
eine Strichlinie 23 die Innenseite des Stabilisierungsring 8 an.
Durch eine äußere Strichlinie 24 wird
die Außenfläche des
Stabilisierungsring 8 angedeutet. Anhand von 4 ist
erkennbar, dass der von der Strichlinie 23 begrenzte Druckmessbereich 6 kreisförmig ausgebildet
ist.
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5 zeigt
einen Querschnitt durch einen weiteren Drucksensor 25,
dessen Trägermembran 2 mit
Hilfe einer Gelschicht 26 abgedeckt ist, die vorzugsweise
aus einem fluorierten Gel gefertigt ist. Die Gelschicht 26 kann
beispielsweise auf der Basis von Perfluoropolyether hergestellt
sein. Derartige Gele werden beispielsweise von der Firma Shin-Etsu
Chemical Co. Ltd, Tokyo unter der Bezeichnung "Sifel" hergestellt. Oberhalb der Gelschicht 26 befindet
sich eine Schutzfolie 27, die auf der Basis von Polyimid gefertigt
ist. Derartige Schutzfolien 27 sind von der Firma DuPont
unter dem Handelsnamen "Kapton" erhältlich.
Die Schutzfolie 27 kann auf die Gelschicht 26 aufgelegt
oder mit Hilfe eines Beschichtungsverfahrens auf der Gelschicht 26 ausgebildet
werden.
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Es
sei angemerkt, dass die Gelschicht 26 nicht in allen Fällen mit
der Schutzfolie 27 abgedeckt werden muss. Die Schutzfolie 27 hat
eine höhere chemische
Beständigkeit
des Drucksensors 1 zur Folge. Außerdem verhindert die Schutzfolie 27,
dass Gase in die Gelschicht 26 eindiffundieren. Das Eindiffundieren
von Gasen in die Gelschicht 26 ist insbesondere dann von
Nachteil, wenn der Druck 17 im Referenzmedium 15 innerhalb
kurzer Zeit abfallen kann, da die plötzliche Dekompression des Gases
in der Gelschicht 26 zu einer Zerstörung der Gelschicht 26 führen kann.
Daneben ist das Eindiffundieren von Gasen in die Gelschicht 26 schädlich, wenn
es sich dabei um chemisch aggressive Gase handelt.
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Zur
Herstellung des Drucksensors 25 werden zunächst auf
der Trägermembran 2 die
Leiterbahnen 3 zusammen mit den Dehnmessstreifen 5 ausgebildet.
Anschließend
wird die Gelschicht 26, beispielsweise mit Hilfe einer
Maske auf die Trägermembran 2 aufgebracht
und durch eine Wärmebehandlung
in einen festen Zustand gebracht. Nach dem Aushärten der Gelschicht 26 befindet
sich die Gelschicht 26 immer noch in einem hochelastischen Zustand.
Die Dehnmessstreifen 5 werden allerdings hermetisch dicht
abgedichtet. Durch die Gelschicht 26 wird der an der Schutzfolie 27 anliegende
Druck gleichmäßig auf
die Trägermembran 2 verteilt.
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Anschließend kann
die Schutzfolie 27 auf die Gelschicht 26 aufgebracht
werden. Durch die Schutzfolie 27, die in hohem Maße flexibel
und undurchlässig
ist, wird die Gelschicht 26 vor dem chemisch aggressiven
Medium geschützt.
Außerdem wird
die Vibrationsfestigkeit der Gelschicht 26 erhöht. Durch
die Schutzfolie 27 kann sich das Gel der Gelschicht 26 nicht
in dem Maß mit
dem gasförmigen Referenzmedium 15 sättigen,
wie bei fehlender Schutzschicht 27. Insofern kann es bei
einer Dekompression des Referenzmediums 15 nicht zur Blasenbildung
in der Gelschicht 26 kommen, was die Zerstörung der
Gelschicht 26 zur Folge hätte.
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Zur
Montage des Drucksensors 25 wird der Drucksensor 25 in
eine Fassung 28 eingebracht, wobei der Übergang zwischen der Fassung 28 und
dem Drucksensor 25 durch einen die Gelschicht 26 umschließenden O-Ring 29 und
einen an dem Stabilisierungsring 8 anliegenden weiteren
O-Ring 30 abgedichtet wird.
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6 zeigt
einen weiteren Drucksensor 31, bei dem der Stabilisierungsring 8 auf
der Seite der Trägermembran 2 angeordnet
ist, auf der sich die Leiterbahnen 3 und die Dehnmessstreifen 5 befinden.
In diesem Fall ist der Stabilisierungsring 8 mit Hilfe
einer Glaslotschicht 32 hermetisch dicht und mechanisch
fest an der Trägermembran 2 befestigt. Die
vom Innenraum des Stabilisierungsrings 8 und der Trägermembran 2 gebildete
Vertiefung kann als Fülltopf
für das
Gel verwendet werden, das zum Ausbilden der Gelschicht 26 verwendet
wird. Die Vertiefung kann auch zum Formen der Schutzfolie 27 herangezogen
werden.
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Ferner
ist es auch möglich,
die Vertiefung bis zum Rand mit dem zum Ausbilden der Gelschicht 26 verwendeten
Gel aufzufüllen
und die Schutzfolie 27 auf den Stabilisierungsring 8 aufzubringen
oder aufzuspannen.
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Bei
einem weiteren in 7 dargestellten Drucksensor 33 ist
die Trägermembran 2 auf
der Seite, auf der sich die Leiterbahnen 3 und die Dehnmessstreifen 5 befinden,
mit einer dünnen
Glasschicht 34, zum Beispiel auf der Basis von Silikat,
abgedeckt. Oberhalb der Glasschicht 34 befindet sich dann
die Gelschicht 26, die durch die Schutzfolie 27 abgedeckt
sein kann. Die Dicke der Glasschicht 34 wird vorzugsweise
nicht größer als
die Höhe
der Dehnmessstreifen 5 gewählt, damit die mechanischen
Eigenschaften der Trägermembran 2 nicht durch
die Glasschicht 34 beeinträchtigt werden. Denn bei einer
zu großen
Dicke der Glasschicht 34 weist der Drucksensor 33 ein
asymmetrisches Verhalten auf. Ein Überdruck von der einen Seite
führt dann
zu einer anderen Auslenkung als ein Überdruck von der anderen Seite.
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Durch
die Glasschicht 34, die üblicherweise eine Dicke zwischen
10 und 25 μm
aufweist, werden die Dehnmessstreifen 5 vor Feuchtigkeit
geschützt. In
der Regel ist die Glasschicht 34 jedoch nicht ausreichend
resistent gegen ein chemisch aggressives Referenzmedium 15.
Der Schutz gegen ein chemisch aggressives Referenzmedium 15 wird
vielmehr mit Hilfe der Gelschicht 26, wobei die optionale Schutzfolie 27 insbesondere
die Diffusion chemisch aggressiver Gase zur Glasschicht 34 verhindert.
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8 zeigt
schließlich
einen weiteren Drucksensor 35, bei dem die Trägermembran 2 mit
dem Stabilisierungsring 8 einen einstückigen Grundkörper 36 bilden,
Zirkonoxyd oder deren Derivate hergestellt ist.
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Daneben
sind weitere Abwandlungen denkbar: Beispielsweise können die
Dehnmessstreifen 5 der Drucksensoren 1, 19, 25, 31, 33, 35 auch
durch piezoelektrische Messwandler ersetzt werden.
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Die
hier beschriebenen Drucksensoren haben den gemeinsamen Vorteil,
dass die Drucksensoren ein symmetrisches Verhalten in dem Sinne
aufweisen, dass ein Überdruck
von der einen Seite in etwa zu der gleichen Auslenkung führt, wie
ein Überdruck
von der anderen Seite. Dadurch vereinfacht sich die Signalauswertung,
da die Dehnmessstreifen 5 unabhängig von der Richtung der Auslenkung
der Trägermembran 2 bis
auf das Vorzeichen das gleiche Messsignal liefern.
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Darüber hinaus
sind die hier beschriebenen Drucksensoren auch dazu geeignet, den
Druck von chemisch aggressiven Medien zu erfassen, da die Dehnmessstreifen
vor den chemisch aggressiven Medien geschützt sind.
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- 1
- Drucksensor
- 2
- Trägermembran
- 3
- Leiterbahn
- 4
- Kontaktfläche
- 5
- Dehnmessstreifen
- 6
- Druckmessbereich
- 7
- Schutzmembran
- 8
- Stabilisierungsring
- 9
- O-Ring
- 10
- O-Ring
- 11
- Fassung
- 12
- Messvolumen
- 13
- Referenzvolumen
- 14
- Messmedium
- 15
- Referenzmedium
- 16
- Druck
- 17
- Druck
- 18
- Sensormembran
- 19
- Drucksensor
- 20
- Keramikschicht
- 21
- Drucksensor
- 22
- Membranschicht
- 23
- Strichlinie
- 24
- Strichlinie
- 25
- Drucksensor
- 26
- Gelschicht
- 27
- Schutzfolie
- 28
- Fassung
- 29
- O-Ring
- 30
- O-Ring
- 31
- Drucksensor
- 32
- Glaslotschicht
- 33
- Drucksensor
- 34
- Glasschicht
- 35
- Drucksensor
- 36
- Grundkörper