DE102008035121B4 - Pressure measuring cell and manufacturing method therefor - Google Patents

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Abstract

Druckmesszelle (1) eines Drucksensors, die die folgenden Merkmale aufweist: a) eine Kontaktplatte (10), auf der ein Druckchip (20) angeordnet ist, b) einen Distanzring (30), dessen in axialer Richtung erste Seite durch die Kontaktplatte (10) verschlossen ist und dessen in axialer Richtung zweite Seite durch eine Membran (40) verschlossen ist, während c) die Membran (40) einen in Richtung des Distanzrings (30) vorstehenden, umfänglichen Befestigungsrand (42) aufweist, der vom Distanzring (30) umgossen ist.Pressure measuring cell (1) of a pressure sensor, comprising the following features: a) a contact plate (10) on which a pressure chip (20) is arranged, b) a spacer ring (30) whose first side in the axial direction by the contact plate (10 ) is closed and its second side in the axial direction by a membrane (40) is closed, while c) the membrane (40) in the direction of the spacer ring (30) projecting, peripheral mounting edge (42), of the spacer ring (30) is poured.

Description

Die Erfindung betrifft eine Druckmesszelle, insbesondere die Druckmesszelle eines Drucksensors, einen Drucksensor mit einer erfindungsgemäßen Druckmesszelle, ein Herstellungsverfahren einer Druckmesszelle, insbesondere der Druckmesszelle eines Drucksensors, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Drucksensors mit einer erfindungsgemäßen Druckmesszelle.The invention relates to a pressure measuring cell, in particular the pressure measuring cell of a pressure sensor, a pressure sensor with a pressure measuring cell according to the invention, a manufacturing method of a pressure measuring cell, in particular the pressure measuring cell of a pressure sensor, and a method for producing a pressure sensor with a pressure measuring cell according to the invention.

Eine Druckmesszelle, insbesondere die Druckmesszelle eines Drucksensors, weist üblicherweise einen Druckchip, eine Membran sowie einen Hohlraum zwischen Druckchip und Membran auf. Dieser Hohlraum ist beispielsweise mit einem Öl gefüllt. Die Membran trennt ein zu messendes Medium von dem Öl. Dieser Aufbau ist dort erforderlich, wo der Druckchip nicht direkt mit dem zu messenden Medium in Kontakt kommen darf oder soll.A pressure measuring cell, in particular the pressure measuring cell of a pressure sensor, usually has a pressure chip, a membrane and a cavity between the pressure chip and the membrane. This cavity is filled, for example, with an oil. The membrane separates a medium to be measured from the oil. This structure is required where the print chip may not or should not come into direct contact with the medium to be measured.

Die DE 94 06 625 U1 offenbart einen Drucksensor mit einem druckfesten Gehäuse. In dem Drucksensor ist ein Sensorelement angeordnet, wobei das Gehäuse mit einer Membran verschlossen ist und der Innenraum mit einer nicht kompressiblen Flüssigkeit gefüllt ist. Die elektrischen Anschlüsse des Sensorelementes sind über Kontaktstifte aus dem Gehäuse herausgeführt.The DE 94 06 625 U1 discloses a pressure sensor with a flameproof enclosure. In the pressure sensor, a sensor element is arranged, wherein the housing is closed with a membrane and the interior is filled with a non-compressible liquid. The electrical connections of the sensor element are led out of the housing via contact pins.

Die DE 10 2004 033 475 A1 offenbart eine Vorrichtung mit einem Gehäuse und wenigstens einem elektrischen Bauelement, wobei das Gehäuse wenigstens eines der elektrischen Bauelemente aufweist und wenigstens teilweise mit einem Passivierungsmittel befüllt ist. Weiterhin ist vorgesehen, dass das elektrische Bauelement wenigstens teilweise mit dem Passivierungsmittel bedeckt ist. Auf das Passivierungsmittel ist eine zusätzliche Materialschicht aufgebracht. Mit dieser zusätzlichen Materialschicht kann ein einfacher und kostengünstiger Aufbau einer gegenüber Umweltschädigungen resistiven Vorrichtung realisiert werden. Damit eignet sich die Vorrichtung für den Einsatz von elektrischen Bauelementen in kursiven Umgebungen.The DE 10 2004 033 475 A1 discloses a device having a housing and at least one electrical component, wherein the housing has at least one of the electrical components and is at least partially filled with a passivation agent. Furthermore, it is provided that the electrical component is at least partially covered with the passivation agent. An additional layer of material is applied to the passivating agent. With this additional layer of material, a simple and inexpensive construction of a device that is resistant to environmental damage can be realized. Thus, the device is suitable for the use of electrical components in italic environments.

Die DE 37 03 685 C2 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Drucksensors. Der Drucksensor weist einen Trägerkörper und ein Sensorelement auf, die jeweils getrennt hergestellt werden. Der sich zwischen einer Membran und dem Sensorelement erstreckende Raum ist vollständig mit einer inkompressiblen Flüssigkeit gefüllt. Ein druckfester, den Raum ringförmig umgebender Messzellenkörper wird getrennt hergestellt, wobei zunächst die Membranflüssigkeit dicht an dem Messzellenkörper angebracht wird. Dann wird die vormontierte Messzellenkörper/Membran-Kombination so in die Flüssigkeit eingetaucht, dass der Raum sich vollständig mit Flüssigkeit füllt, woraufhin das Sensorelement flüssigkeitsdicht auf den Messzellenkörper montiert wird.The DE 37 03 685 C2 describes a method for manufacturing a pressure sensor. The pressure sensor has a carrier body and a sensor element, which are each manufactured separately. The space extending between a diaphragm and the sensor element is completely filled with an incompressible fluid. A pressure-resistant measuring cell body, which surrounds the space in a ring-shaped manner, is produced separately, with the membrane liquid initially being applied close to the measuring cell body. Then, the preassembled measuring cell body / membrane combination is immersed in the liquid so that the space is completely filled with liquid, whereupon the sensor element is mounted in a liquid-tight manner on the measuring cell body.

Ein Drucksensor, der für ein solches Einsatzgebiet konstruiert wurde, weist üblicherweise zwei Gehäusebestandteile auf. Beide Gehäusebestandteile zusammen ergeben den Drucksensor. Die Membran ist üblicherweise mit einem ersten Gehäusebestandteil verbunden. Zur Stabilisierung der Membran ist zusätzlich ein weiteres, stabilisierendes Bauteil an der Membran angeordnet und mit dem ersten Gehäusebestandteil verbunden. Die Membran befindet sich also zwischen dem stabilisierenden Bauteil und dem ersten Gehäusebestandteil. Der Druckchip befindet sich auf einem zweiten Gehäusebestandteil, der mit dem ersten Gehäusebestandteil verbunden ist. Der Druckchip ist auf dem zweiten Gehäusebestandteil üblicherweise in einer Aussparung angeordnet, so dass ein Hohlraum zwischen Druckchip und Sensormembran entsteht. Dieser Hohlraum ist beispielsweise mit einem Öl gefüllt.A pressure sensor designed for such a field of application usually has two housing components. Both housing components together make up the pressure sensor. The membrane is usually connected to a first housing component. To stabilize the membrane, a further, stabilizing component is additionally arranged on the membrane and connected to the first housing component. The membrane is thus located between the stabilizing component and the first housing component. The print chip is located on a second housing component, which is connected to the first housing component. The pressure chip is usually arranged on the second housing component in a recess, so that a cavity is formed between the pressure chip and the sensor membrane. This cavity is filled, for example, with an oil.

Ein Nachteil des oben beschriebenen Aufbaus ist die Aufteilung der Druckmesszelle auf zwei Gehäusebestandteile. Diese Aufteilung kann im Betrieb dazu führen, dass es zu einer Undichtigkeit kommt. Diese Undichtigkeit hat zur Folge, dass das Öl aus dem Hohlraum zwischen Druckchip und Membran austritt. Der Drucksensor ist somit nicht mehr in der Lage korrekte Messergebnisse zu ermitteln.A disadvantage of the structure described above is the division of the pressure measuring cell on two housing components. This division can lead to a leak during operation. This leakage has the consequence that the oil escapes from the cavity between the pressure chip and the membrane. The pressure sensor is thus no longer able to determine correct measurement results.

Ein weiterer Nachteil ist, dass die Membran auf dem ersten Gehäusebestandteil nicht nur befestigt ist, sondern auch zwischen dem stabilisierenden Bauteil und dem Gehäuse angeordnet ist. Dies führt dazu, dass die Membran in ihrer Flexibilität eingeschränkt ist. Dadurch kann es wiederum dazu kommen, dass keine korrekten Messergebnisse ermittelt werden können. Zusätzlich nachteilig ist, dass eine Auslenkung der Membran zu einer Beschädigung des stabilisierenden Bauteils oder der Membran führen kann. Weiterhin wird durch diese Auslenkung eine zusätzliche Kraft von dem stabilisierenden Bauteil auf die Befestigung der Membran ausgeübt. Dies beeinflusst die Befestigung der Membran nachteilig.Another disadvantage is that the membrane is not only fixed on the first housing component, but is also arranged between the stabilizing component and the housing. As a result, the flexibility of the membrane is limited. This may in turn mean that no correct measurement results can be determined. Another disadvantage is that a deflection of the membrane can lead to damage of the stabilizing component or the membrane. Furthermore, an additional force is exerted by the stabilizing component on the attachment of the membrane by this deflection. This adversely affects the attachment of the membrane.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine im Vergleich zum Stand der Technik optimierte Druckmesszelle, insbesondere für den Einsatz in einem Drucksensor, und ein Verfahren zur Herstellung dieser Druckmesszelle bereitzustellen.It is therefore the object of the present invention to provide a pressure measuring cell optimized in comparison with the prior art, in particular for use in a pressure sensor, and a method for producing this pressure measuring cell.

Die oben genannte Aufgabe wird durch eine Druckmesszelle gemäß Anspruch 1, einen Drucksensor gemäß Anspruch 8, ein Herstellungsverfahren einer Druckmesszelle gemäß Anspruch 9 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Drucksensors gemäß Anspruch 17 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungen gehen aus der Beschreibung, den Zeichnungen sowie den Unteransprüchen hervor.The above object is achieved by a pressure measuring cell according to claim 1, a pressure sensor according to claim 8, a manufacturing method of a pressure measuring cell according to claim 9 and a method for producing a pressure sensor according to claim 17. Further advantageous embodiments will become apparent from the description, the drawings and the dependent claims.

Die erfindungsgemäße Druckmesszelle, insbesondere die Druckmesszelle eines Drucksensors, weist die folgenden Merkmale auf: eine Kontaktplatte, auf der ein Druckchip angeordnet ist, einen Distanzring, dessen in axialer Richtung erste Seite durch die Kontaktplatte verschlossen ist und dessen in axialer Richtung zweite Seite durch eine Membran verschlossen ist, während die Membran einen in Richtung des Distanzrings vorstehenden, umfänglichen Befestigungsrand aufweist, der vom Distanzring umschlossen ist.The pressure measuring cell according to the invention, in particular the pressure measuring cell of a pressure sensor, has the following features: a contact plate on which a pressure chip is arranged, a spacer whose first side in the axial direction is closed by the contact plate and the second side in the axial direction by a membrane is closed, while the membrane has a projecting in the direction of the spacer ring, circumferential mounting edge, which is enclosed by the spacer ring.

Die Befestigung einer Membran erfolgt über einen vorstehenden, umfänglichen Befestigungsrand der Membran an einem Distanzring. Dadurch wird eine in axialer Richtung erste Seite des Distanzrings verschlossen. Eine in axialer Richtung zweite Seite des Distanzrings wird durch eine Kontaktplatte verschlossen. Auf dieser Kontaktplatte ist ein Druckchip angeordnet. Aufgrund dieser Anordnung entsteht eine eigenständige Druckmesszelle. Ein Hohlraum zwischen der Kontaktplatte und der Membran ist mit einer Flüssigkeit, beispielsweise einem Öl, gefüllt.The attachment of a membrane via a protruding, peripheral fastening edge of the membrane to a spacer ring. This closes a first side of the spacer ring in the axial direction. A second side of the spacer ring in the axial direction is closed by a contact plate. On this contact plate a pressure chip is arranged. Due to this arrangement creates an independent pressure measuring cell. A cavity between the contact plate and the membrane is filled with a liquid, such as an oil.

Ein Vorteil dieser Anordnung ist, dass die Druckmesszelle eine eigenständige Einheit bildet. Als daraus resultierender Vorteil ergibt sich, dass das Öl dicht in dem Hohlraum eingeschlossen ist.An advantage of this arrangement is that the pressure measuring cell forms an independent unit. As a result, the result is that the oil is sealed in the cavity.

Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung ist, dass sowohl für die Kontaktplatte, den Distanzring als auch für die Membran die unterschiedlichsten Ausgangsmaterialien einsetzbar sind. Beispielhaft zu nennen sind: Metalle, Kunststoffe oder keramische Ausgangsmaterialien. Je nach Anforderungsgebiet können diese Ausgangsmaterialien mit beispielsweise mit einer Kunststoffschicht versehen sein. Somit ist eine Anpassung des Ausgangsmaterials an die jeweilige Einsatzumgebung realisierbar.Another advantage of this arrangement is that a wide variety of starting materials can be used both for the contact plate, the spacer ring as well as for the membrane. Examples include: metals, plastics or ceramic starting materials. Depending on the requirements, these starting materials may be provided with, for example, a plastic layer. Thus, an adaptation of the starting material to the respective application environment can be realized.

Aus dem Einsatz der verschiedensten Ausgangsmaterialien leitet sich als weiterer Vorteil die Abstimmung hinsichtlich der thermischen Koeffizienten von Bestandteilen der Druckmesszelle oder der ganzen Druckmesszelle mit Bezug auf die im Hohlraum befindliche Flüssigkeit ab. Somit können die thermischenFrom the use of different starting materials is derived as a further advantage, the vote on the thermal coefficients of components of the pressure measuring cell or the entire pressure measuring cell with respect to the liquid in the cavity. Thus, the thermal

Claims (17)

Druckmesszelle (1) eines Drucksensors, die die folgenden Merkmale aufweist: a) eine Kontaktplatte (10), auf der ein Druckchip (20) angeordnet ist, b) einen Distanzring (30), dessen in axialer Richtung erste Seite durch die Kontaktplatte (10) verschlossen ist und dessen in axialer Richtung zweite Seite durch eine Membran (40) verschlossen ist, während c) die Membran (40) einen in Richtung des Distanzrings (30) vorstehenden, umfänglichen Befestigungsrand (42) aufweist, der vom Distanzring (30) umgossen ist.Pressure measuring cell ( 1 ) of a pressure sensor which has the following features: a) a contact plate ( 10 ), on which a pressure chip ( 20 ) is arranged, b) a spacer ring ( 30 ), whose first side in the axial direction through the contact plate ( 10 ) and its second side in the axial direction through a membrane ( 40 ), while c) the membrane ( 40 ) one in the direction of the spacer ring ( 30 ) projecting, circumferential attachment edge ( 42 ), which of the spacer ring ( 30 ) is poured around. Druckmesszelle (1) gemäß Anspruch 1, in der ein Winkel zwischen dem umfänglichen Befestigungsrand (42) und der Membran (40) 90° beträgt.Pressure measuring cell ( 1 ) according to claim 1, in which an angle between the peripheral fastening edge ( 42 ) and the membrane ( 40 ) Is 90 °. Druckmesszelle (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, in der der Befestigungsrand (42) mindestens eine weitere Abwinklung aufweist.Pressure measuring cell ( 1 ) according to one of the preceding claims, in which the fastening edge ( 42 ) has at least one further bend. Druckmesszelle gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, die einen Abstand, vorzugsweise ein axialer und/oder lateraler Abstand, zwischen einer Membranfläche, die durch einen vom Befestigungsrand (42) umlaufenen Bereich der Membran (40) definiert ist, und dem Distanzring (30) aufweist.Pressure measuring cell according to one of the preceding claims, which has a distance, preferably an axial and / or lateral distance, between a membrane surface which passes through one of the mounting edge ( 42 ) circumscribed area of the membrane ( 40 ) is defined, and the spacer ring ( 30 ) having. Druckmesszelle (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, in der der Befestigungsrand (42) im umgossenen Bereich eine Perforierung und/oder eine Profilierung aufweist.Pressure measuring cell ( 1 ) according to one of the preceding claims, in which the fastening edge ( 42 ) has a perforation and / or a profiling in the encapsulated area. Druckmesszelle (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, in der der Distanzring (30) und die Kontaktplatte (10) aus einem Kunststoff bestehen.Pressure measuring cell ( 1 ) according to one of the preceding claims, in which the spacer ring ( 30 ) and the contact plate ( 10 ) consist of a plastic. Druckmesszelle (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, die eine Metallschicht aufweist.Pressure measuring cell ( 1 ) according to one of the preceding claims, comprising a metal layer. Drucksensor mit einer Druckmesszelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7.Pressure sensor with a pressure measuring cell according to one of claims 1 to 7. Herstellungsverfahren einer Druckmesszelle eines Drucksensors, das die folgenden Schritte umfasst: a) Bereitstellen (A) einer Membran mit einem abgewinkelten, umfänglichen Befestigungsrand, b) Befestigen (B) der Membran an einer in axialer Richtung ersten Seite eines Distanzringes mittels Umgießen des Befestigungsrands, c) Befestigen (C) einer Kontaktplatte mit einem darauf angeordnetem Druckchip an einer in axialer Richtung zweiten Seite des Distanzringes.Manufacturing method of a pressure measuring cell of a pressure sensor, comprising the following steps: a) providing (A) a membrane having an angled circumferential attachment edge, b) attaching (B) the membrane to a first side of a spacer ring in the axial direction by means of encapsulation of the fastening edge, c) fastening (C) a contact plate with a pressure chip arranged thereon on a second side of the spacer ring in the axial direction. Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 9, in dem die Druckmesszelle metallisiert (G) wird.Manufacturing method according to claim 9, in which the pressure measuring cell is metallised (G). Herstellungsverfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 10, in dem ein Bereich am Befestigungsrand zwischen einer Membranfläche, die durch einen vom Befestigungsrand umlaufenen Bereich der Membran definiert ist, und dem Distanzring frei gelassen wird.A manufacturing method according to any one of claims 9 to 10, wherein an area at the attachment edge is left free between a diaphragm surface defined by a portion of the diaphragm surrounded by the attachment edge and the spacer ring. Herstellungsverfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, in dem das Verbinden der Kontaktplatte mit dem Distanzring mittels Reibschweißen erfolgt. Manufacturing method according to one of claims 9 to 11, in which the connection of the contact plate with the spacer ring by means of friction welding. Herstellungsverfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 12, das die weiteren Schritte umfasst: a) Befüllen (D) eines Raums zwischen Membran und Kontaktplatte mit einer Flüssigkeit, insbesondere einem Öl, und danach b) Befestigen (C) der Kontaktplatte mit einem darauf angeordnetem Druckchip an einer in axialer Richtung zweiten Seite des Distanzringes.A manufacturing method according to any one of claims 9 to 12, comprising the further steps of: a) filling (D) a space between the membrane and contact plate with a liquid, in particular an oil, and thereafter b) attaching (C) the contact plate with a pressure chip arranged thereon on a second side of the spacer ring in the axial direction. Herstellungsverfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 12, das den weiteren Schritt umfasst: a) Befestigen (C) der Kontaktplatte mit einem darauf angeordnetem Druckchip an einer in axialer Richtung zweiten Seite des Distanzringes und danach b) Befüllen (E) des Raums zwischen Membran und Kontaktplatte mit einer Flüssigkeit, insbesondere einem Öl, über eine in der Kontaktplatte vorhandene Öffnung.Manufacturing method according to one of claims 9 to 12, comprising the further step: a) attaching (C) of the contact plate with a pressure chip arranged thereon on a second side of the spacer ring in the axial direction and thereafter b) filling (E) of the space between the membrane and the contact plate with a liquid, in particular an oil, via an opening provided in the contact plate. Herstellungsverfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 14, das den weiteren Schritt umfasst: Ausbilden (F) einer Perforierung und/oder Profilierung in einem am Distanzring zu befestigenden Bereich des Befestigungsrands, bevor der zu befestigende Bereich des Befestigungsrand am Distanzring befestigt wird.Manufacturing method according to one of claims 9 to 14, comprising the further step: Forming (F) a perforation and / or profiling in a region of the fastening edge to be fastened to the spacer ring before the region of the fastening edge to be fastened is fastened to the spacer ring. Herstellungsverfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 15, in dem eine Aufrauung mindestens von einem von miteinander zu verbindenden Bereichen durchgeführt wird.A manufacturing method according to any one of claims 9 to 15, wherein roughening is performed on at least one of areas to be joined together. Verfahren zur Herstellung eines Drucksensors mit einer Druckmesszelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, das die folgenden Schritte umfasst: a) Bereitstellen eines Sensorgehäuses und b) Installieren der Druckmesszelle in dem Sensorgehäuse.Method for producing a pressure sensor with a pressure measuring cell according to one of claims 1 to 7, comprising the following steps: a) providing a sensor housing and b) Install the pressure cell in the sensor housing.
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