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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor, insbesondere Drucksensor, für ein Fluid. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Sensors, insbesondere eines Drucksensors, für ein Fluid.
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Stand der Technik
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Drucksensoren zur Messung von Drücken in Fluiden, also von Gasen oder Flüssigkeiten sowie viskosen Lösungen und Materialien (wie z. B. Öl, Honig, Sirup, Kaffeesahne, Wurstmasse, Schokoladenmasse, Teig), sind in verschiedenen Ausführungen bekannt. Beispielsweise existieren kapazitive Drucksensoren, die einen Kondensator oder mehrere Kondensatoren enthalten. Bei Druckbeaufschlagung werden die Abstände einer Membran zu zwei beidseitig gegenüberliegenden Kondensatorplatten verändert, wodurch sich auch die Dehnkapazität der Kondensatoren verändert, was ein Maß für den Druck darstellt. Der oder die Kondensatoren können Teil eines Verstärkers sein dessen Ausgangssignal von der Kapazität abhängig ist.
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Im Stand der Technik existiert eine Reihe von kapazitiven Druckzellen, unter anderem die kapazitiven Keramik-Druckzellen. Diese Druckzellen bestehen aus einer Keramikmembran mit einer ersten Kondensatorplatte und einem Keramikträgerelement mit einer oder mehreren Gegenkondensatorplatten. Die Keramikmembran wird mittels eines Abstandselements, wie beispielsweise ein Element aus Glaslot, von dem Trägerelement in einem definierten Abstand gehalten. Die Kondensatorplatten können mittels verschiedensten verfügbaren und zum Stand der Technik gehörenden Verfahren, wie beispielsweise Dick- und/oder Dünnschichttechnologien hergestellt werden.
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Diese Keramikdruckzellen, werden in einem Gehäuse eingebettet und mittels einer Elektronik können die Kondensatorsignale zu einem Druckwert bei einer definierten Temperatur umgewandelt und korrigiert werden.
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Für hygienische Anwendungen z. B. im Pharmabereich, in der Lebensmittelindustrie oder in der Getränkeindustrie werden hohe Anforderungen an die Sterilität gesetzt. Weil die herkömmlichen Drucksensoren jedoch zur Abdichtung der Membranen oder der Druckzellen in dem Gehäuse gummiartige oder allgemein elastische Dichtungen aufweisen, sind diese für solche Zwecke und Anwendungen nicht geeignet und deshalb nachteilig, weil sich beispielsweise Bakterien und Keime in derartigen Dichtungen einnisten können. Ferner sind fluidseitige Hohlräume des Sensors nachteilig, da sich auch darin Ablagerungen und insbesondere Keime ausbilden können.
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Beschreibung der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt gegenüber dem Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, einen Sensor, insbesondere einen Drucksensor zur Verfügung zu stellen, der zum einen dichtungslos und zum anderen dennoch fluiddicht ist. Vorzugsweise soll dieser Sensor frontbündig sein und fluidseitige Hohlräume vermeiden.
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Die oben genannte Aufgabe wird durch einen Sensor, insbesondere einen Drucksensor gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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Der erfindungsgemäße Sensor, insbesondere Drucksensor, für ein Fluid, insbesondere für eine Flüssigkeit, ein Gas oder ein viskoses Material, weist ein Gehäuseelement und ein Zellenelement, wie beispielsweise eine Keramikdruckzelle, dessen Material vorzugsweise Keramik umfasst, auf; wobei das Zellenelement und das Gehäuseelement jeweils zueinander komplementäre Positionierungseinrichtungen, beispielsweise Gewinde aufweisen, wodurch das Zellenelement relativ zum Gehäuseelement positionierbar ist.
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Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßenSensors besteht darin, das Zellenelement mit dem Gehäuseelement fluiddicht zu koppeln. Mit fluiddicht ist insbesondere flüssigkeitsdicht und/oder gasdicht und/oder dicht für das viskose Fluid gemeint bzw. allgemein hermetisch dicht.
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Als Positionierungseinrichtung kann z. B. ein Bajonettverschluss oder ein Gewinde verwendet werden. Durch die Verwendung beispielsweise eines Gewindes kann das Zellenelement in Bezug auf das Gehäuseelement positioniert werden, insbesondere derart, dass eine Frontbündigkeit zur Fluidseite hin erzielt wird. Zusätzlich kann beispielsweise noch ein Keramiklot oder, ein Glaslot zur Abdichtung verwendet werden. Dieses Lot kann zum Beispiel während der Positionierung und/oder nachträglich eingesetzt werden. Ferner kann ein derartiges Lot der Befestigung des Zellenelements in dem Gehäuseelement zum Beispiel in dem Gewinde des Gehäuseelements dienen. Weiterhin ist die Verbindung zwischen Zellenelement und Gehäuseelement fluiddicht, so dass eine elastische Dichtung, wie beispielsweise eine Gummidichtung, nicht erforderlich ist. In einer beispielhaften Ausführung kann das Zellenelement Keramikmaterial umfassen.
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Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Sensors besteht darin, dass fluidseitige Hohlräumen zwischen Zellenelement und Gehäuseelement mit einer Dichtungsmasse hermetisch abgedichtet sind.
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Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Sensors besteht darin, dass das Zellenelement eine keramische Membran umfassen kann. Die Membran besteht somit aus einem für hygienische Zwecke geeigneten Material und die druckabhängige Wölbung dieser keramischen Membran kann ausgenutzt werden, um Drücke zu messen.
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Üblicherweise kann die Membran mit einem Lot, beispielsweise mit einem Glas- und/oder Keramiklot mit einem Trägerelement fluiddicht und/oder hermetisch dicht verbunden sein. Dabei kann der Abstand zwischen Membran und Trägerelement entweder durch Abstandselemente und/oder durch dieses Lot definiert werden.
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Eine andere Weiterbildung des Sensors besteht darin, dass die komplementären Positionierungseinrichtungen ein Außengewinde des Zellenelements und ein Innengewinde des Gehäuseelements umfassen können.
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Eine andere Weiterbildung des Sensors besteht darin, dass die komplementären Positionierungseinrichtungen ein Außengewinde des Trägerelements und ein Innengewinde des Gehäuseelements umfassen können.
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Eine andere Weiterbildung des Sensors besteht darin, dass die komplementären Positionierungseinrichtungen ein Außengewinde der Abstandelemente, welche mit der Membran verbunden sind, und ein Innengewinde des Gehäuseelements umfassen können.
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Gemäß einer anderen Weiterbildung kann die Membran und/oder Abstandselemente aus Hochtemperatur-Mehrlagenkeramik (HTCC) gefertigt sein. Dieses Material ist für die Verwendung als Sensormembran gut geeignet, da sich Mehrlagenschaltungen auf der Basis von gesinterten Keramikträgern mit Leiterbahnen erzeugen lassen.
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Gemäß einer anderen Weiterbildung kann das Trägerelement aus Hochtemperatur-Mehrlagenkeramik (HTCC) gefertigt sein.
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Eine andere Weiterbildung besteht darin, dass wenigstens eine zweite Kondensatorelektrode fluidabgewandt bezüglich der Membran und beabstandet zur Membran angeordnet sein kann und die wenigstens eine zweite Kondensatorelektrode auf einem Trägerelement angeordnet sein kann. Auf diese Weise wird ein einfacher Aufbau zur Ausbildung eines Kondensators erzielt.
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Eine andere Weiterbildung besteht darin, dass eine fluidseitige Begrenzung des Zellenelements, insbesondere die Membran, frontbündig mit dem Gehäuseelement angeordnet ist. Dies dient zum Beispiel zur Verminderung eines Fluid-Strömungswiderstands und zur Vermeidung/Verringerung von fluidseitigen Hohlräumen.
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Eine andere Weiterbildung besteht darin, dass weiterhin eine Blende mit wenigstens einer Öffnung zur fluidseitigen Begrenzung des Sensors vorgesehen sein kann, und insbesondere wobei die Blende ein Außengewinde aufweisen kann, welches in ein Innengewinde des Gehäuseelement positioniert sein kann, beispielsweise schraubbar ist, oder wobei die Blende eine innere Positioniervorrichtung aufweisen kann, wie beispielsweise eine Innengewinde, welches auf ein Außen-Positioniervorrichtung des Gehäuseelementes wie beispielsweise eine Aussengewinde des Gehäuseelements schraubbar ist. Dabei bildet dann die Blende die Begrenzung des Sensors zum Fluid.
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Gemäß einer anderen Weiterbildung kann der Sensor weiterhin eine Temperaturmessvorrichtung zur Messung einer Temperatur an dem Zellenelement und oder der Membran umfassen.
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Gemäß einer anderen Weiterbildung kann der Sensor weiterhin eine Belastungsmessvorrichtung zur Messung einer Kraft auf das Zellenelement und/oder einer Verspannung des Zellenelements, insbesondere einen Dehnungsmessstreifen umfassen.
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Auf diese Weise gemessene Temperatur- und/oder Belastungswerte können dann in einer Auswerteelektronik zur Korrektur von Druckmesswerten verwendet werden, da beispielsweise Verformungen und/oder Verspannungen, welche durch eine Kraftausübung auf das Zellenelement bewirkt werden, Fehler in der Druckmessung verursachen können.
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Gemäß einer anderen Weiterbildung kann der Sensor weiterhin ein Dämpfungselement umfassen, insbesondere mit einem verformbaren und/oder elastischen Material, vorzugsweise Silikon. Damit können beispielsweise Kräfte und/oder Spannungen sowie deren Auswirkungen auf das Zellenelement sowie Vibrationen der Sensorumgebung abgedämpft und dadurch verursachte Messwertbeeinflussungen verringert werden.
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Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren zur Herstellung eines Sensors, insbesondere eines Drucksensors, für ein Fluid, nach Patentanspruch 11 gelöst.
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Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Bereitstellen eines keramischen Zellenelements; monolithisches und/oder hybrides Herstellen einer ersten Positionierungsvorrichtung, insbesondere eines ersten Gewindes oder einer ersten Bajonettverbindung, an dem Zellenelement; Herstellen einer zweiten, zur ersten Positionierungsvorrichtung komplementären Positionierungsvorrichtung, insbesondere eines zum ersten Gewinde komplementären zweiten Gewindes oder einer zur ersten Bajonettverbindung komplementären zweiten Bajonettverbindung, an einem Gehäuseelement; und Positionieren des Zellenelements relativ zum Gehäuseelement durch Zusammenfügen der ersten und der zweiten Positionierungsvorrichtung.
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In einer Weiterbildung des Verfahrens kann ein Lot, beispielsweise Glas- oder Keramiklot während des Positionierens der komplementären Positionierungsvorrichtungen zwischen der ersten und der zweiten Positionierungsvorrichtung verwendet werden, um eine fluiddichte Verbindung zu erreichen.
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In einer Weiterbildung des Verfahrens kann der weitere Schritt des Auffüllens von fluidseitigen Hohlräumen des Sensors mit einem Material, insbesondere mit Keramikkleber oder Glaslot oder Kunststoff vorgesehen sein.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Weiteren mit Bezug auf die Figuren beschrieben, die lediglich beispielhafte Ausführungsformen veranschaulichen und durchaus nicht den gesamten Umfang der Erfindung darstellen. Es versteht sich, dass die gezeigten Merkmale in anderen Kombinationen, als in den Beispielen beschrieben, im Rahmen der Erfindung Verwendung finden können.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors.
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2 zeigt eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors.
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3 zeigt eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors.
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4 zeigt eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors.
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5 zeigt eine fünfte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors.
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Beschreibung der Ausführungsformen
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1 zeigt eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors. Der Sensor 100 umfasst ein Gehäuseelement 20 und ein Zellenelement 10, welches aus einem Trägerelement 5, einer Membran 1 und einem (beispielsweise ringförmigen) Abstandselement 4 besteht, welche beispielsweise aus Keramikmaterial und/oder Glasmaterial wie beispielsweise Keramik- und/oder Glaslot hergestellt sind. Das Abstandselement 4 dient der Beabstandung der Membran 1 von dem Trägerelement 5. Das Abstandselement 4 kann als Halterung benutzt werden. Die Membran 1 und das Abstandselement 4 können einstückig ausgebildet sein. Das Abstandselement 4 entsteht monolithisch in demselben Herstellungsprozess wie die Membran 1 oder hybrid in einem dazu separaten Herstellungsprozess. Die Halterung 4 kann je nach Herstellungsprozess aus gleichem Material wie die Membran 1 sein, kann jedoch auch aus verschiedenem Material ausgebildet sein. Die Membran 1 wird auf bekannte Weise metallisiert und mit Glaslot 4 an dem Trägerelement 5 hermetisch dicht angebracht. Das Trägerelement 5 weist ein Außengewinde auf, das in ein Innengewinde des Gehäuseelements 20 geschraubt ist. Die Verschraubung erfolgt derart, dass die Membranseite, welche dem Fluid zugewandt ist, frontbündig mit dem Gehäuseelement 20 abschließt. Ein zusätzliches Dichtungsmaterial 6, wie beispielsweise Glas- oder Keramiklot wird entweder während der Verschraubung oder in einem separaten Schritt zur Abdichtung der Verschraubung zwischen den komplementären Positioniervorrichtungen wie beispielsweise Gewinden verwendet und/oder in einem separaten Schritt zur Abdichtung und/oder Ausfüllen der fluidseitigen Hohlräume, welche entstanden sind, verwendet. Dabei kann das Zellenelement nach der Verdichtung frontbündig mit dem Gehäuselement sein. Mit Frontbündigkeit ist gemeint, dass die Oberfläche des Zellenelements und die Oberfläche des Gehäuseelements, sowie die der Abdichtung 6 in einer Ebene liegen. Diese Ebene ist vorzugsweise senkrecht zu der vertikalen Achse des Gehäuseelementes.
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In einer Ausführungsform, ist die Membran, vorzugsweise aus Keramik, etwa einige 10 μm bis einige 100 μm, vorzugsweise zwischen 200 μm und 500 μm dick. Die Höhe des Halterungselements bzw. des Abstandselements 4 beträgt je nach Herstellungsprozess etwa einigen 100 nm bis einige 10 μm, vorzugsweise zwischen 100 nm und 30 μm. Der Durchmesser des Zellenelements 10 beträgt wenige mm bis einige 10 mm vorzugsweise 5 mm bis 40 mm. Der Durchmesser der Membran 1 beträgt wenige mm bis einige 10 mm, vorzugsweise 5 mm bis 40 mm. Die Membran ist vorzugsweise aus Keramik und kann aus einer Hochtemperatur-Mehrlagenkeramik HTCC gefertigt sein. Die Zelle weist ferner eine Metallschicht 2 auf, welche beispielsweise ebenfalls in dem Sinterprozess zur Herstellung der Keramik hergestellt wird. Die Metallisierungsschicht 2 ist innerhalb der Anordnung ausgebildet. Die Herstellung der Metallschicht 2 kann ferner oder alternativ auch durch Galvanisieren oder Sputtern erfolgen. Je nach Herstellungsprozess kann diese Metallschicht wenige nm bis mehrere μm dick sein. In diesem Fall muss man die anderen Dimensionierungen des Zellenelements in einer Weise anpassen, dass diese wirkungsgleich arbeiten kann. Die Dicke der Metallschicht 2 beträgt je nach Herstellungsprozess etwa einige nm bis einige 10 μm, vorzugsweise zwischen 5 μm und 10 μm und ist vorzugsweise aus Metallen, welche den Sinterungsprozess überstehen können, wie z. B. Molybdän. Die Schicht 2 kann weiterhin poliert werden, und sie bildet eine Elektrode eines Kondensators zur Messung des Drucks.
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1 zeigt weiterhin Gegenelektroden 3 des Kondensators, welche auf dem Trägerstück 5, welches ebenfalls aus Keramik oder HTCC-Material hergestellt sein kann, angeordnet sind. Es kann jedoch auch nur eine Gegenelektrode 3 vorgesehen sein. Das Trägerstück 5 wird mittels einem Abstandselement bzw. Halterungselement 4, das vorzugsweise aus Glas oder aus Glaslegierungen oder aus Keramikmasse und/oder Keramiklegierung hergestellt wird, mit der Membran 1 verbunden. Die Dicke des Trägerelements 5 ist zwischen 0,5 und 20 mm, vorzugsweise etwa 4 bis 8 mm.
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Die metallische Schicht 3 der Gegenelektroden beträgt je nach Herstellungsprozess etwa einige nm bis einige mehrere 10 μm vorzugsweise zwischen 5 μm und 10 μm. Ein Druck auf die Membran führt zur Änderung der Kapazität des Kondensators. Weiterhin kann eine Elektronik, z. B. als nur ein ASIC oder als mehrere ASICs ausgebildet, zur Auswertung der Messungen vorgesehen sein.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung besteht darin, die kommerziell erhältliche und auf Dünnschicht basierte Zellen, wie beispielsweise die Ceracore UCS2 von der Firma ENVEC, mit einer Positioniervorrichtung wie in dieser Anmeldung beschrieben auszurüsten, vorzugsweise bereits bei der Herstellung, und entsprechend dem Verfahren nach Anspruch 11 in einem Drucksensor zu integrieren.
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Die Dichtungsmasse 6, vorzugsweise Glas- und/oder Keramiklot kann bereits bei Verschraubung des Zellenelementes in dem Gehäuseelements aufgebracht werden und/oder nachträglich zur Abdichtung der Todräume benutzt werden. In jedem Fall bewirkt diese Dichtungsmasse eine hermetische Dichtfunktion für den Sensors und/oder das Zellenelement. Die Dichtungsmasse 6 kann auch zwischen den komplementären Positionierungsvorrichtungen zur Verdichtung während des Zusammenführens der Positionierungsvorrichtungen benutzt werden.
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2 zeigt eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors. Der Sensor 200 ist in dieser Ausführungsform derart ausgestaltet, dass das Zellenelement 10 vom Fluid aus gesehen in Bezug auf das Gehäuseelement 20 mit einem Abstand nach hinten angeordnet ist. Als vordere Begrenzung des Sensors 200 ist eine Blende 30 mit einer oder mehreren Öffnungen vorgesehen, wobei in diesem Fall die Blende frontbündig mit dem Gehäuse verschraubt ist. Das Zellenelement kann beispielsweise durch Distanzierungselemente 21 von der Blende in einem definierten Abstand gehalten werden. Dabei kann das Distanzierungselement 21 so ausgestaltet sein, dass es lediglich aus einem Bereich der Blende ohne Gewinde besteht.
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3 zeigt eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors. Der Sensor 300 ist in dieser Ausführungsform derart ausgestaltet, dass die Blende 30 mit einem Innengewinde versehen ist, das mit einem Außengewinde des Gehäuseelements 20 verschraubt ist. Der Abstand zwischen Gehäuseelement 20 und Blende 30 ist hier mittels eines Distanzierungselements 31 vorgegeben. Dabei kann das Distanzierungselement so ausgestaltet sein, dass es lediglich aus einem Bereich der Blende ohne Gewinde besteht.
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4 zeigt eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors. Der Sensor 400 ist in dieser Ausführungsform gegenüber der ersten Ausführungsform derart ausgestaltet, dass ein Temperatursensor 7 vorgesehen ist, der die Temperatur des Zellenelements 10, insbesondere die Temperatur an der Verbindungsstelle des Temperatursensors 7 mit dem Trägerelement 5 misst. Der Temperatursensor kann auch beliebig innerhalb des Gehäuselements oder auf dem Zellenelement platziert werden. Weiterhin ist in dieser Ausführungsform eine Belastungsmessvorrichtung 8, z. B. in Form einer Dehnungsmessvorrichtung, beispielsweise eines Dehnungsstreifens, vorgesehen. Damit können mechanische Kräfte, die auf die Sensorzelle 10 wirken, gemessen werden. Zudem ist eine Elektronik 40 in Form eines einzelnen ASIC oder mehreren ASICs vorgesehen, welche die Signale von der Elektrode 2, den Gegenelektroden 3, sowie von dem Temperatursensor 7 und der Dehnungsmessvorrichtung 8 sowohl von einander unabhängig als auch in Kombination auswertet. Auf diese Weise können Verfälschungen des Druckmessergebnisses durch mechanische Belastungen und/oder temperaturbedingte Belastungen und/oder Verformungen korrigiert werden, indem beispielsweise eine vorkalibrierte Tabelle mit Temperatur- und entsprechenden Korrekturfaktoren in der Auswerteelektronik gespeichert ist.
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5 zeigt eine fünfte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors. Der Sensor 500 weist in dieser Ausführungsform ein Dämpfungselement 50, 51 auf. Dies besteht beispielsweise aus einer U-förmigen (vorzugsweise dünnwandigen) Ringstruktur, die in das Gehäuseelement 20 eingeschraubt ist, und aus einer verformbaren, elastischen Masse 51, beispielsweise Silikon. Auf diese Weise können beispielsweise Kräfte und/oder Spannungen sowie deren Auswirkungen auf das Zellenelement sowie Vibrationen der Sensorumgebung abgedämpft und dadurch verursachte Messwertbeeinflussungen verringert werden, was zu einer verbesserten Messgenauigkeit führt, da ungedämpfte Kraftauswirkungen und/oder Vibrationen zu Verspannungen und/oder Verformungen der Sensorzelle 10 führen und damit Messsignalschwankungen z. B. aufgrund von Schwankungen der Kondensatorkapazität verursachen können.
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Die Dichtungsmasse kann in allen hier beschriebenen Ausführungsformen zu den erfindungsgemäßen Zwecken verwendet werden. Die hier beschriebenen Ausführungsformen stellen lediglich Beispiele der Erfindung dar, die in den nachfolgenden Patentansprüchen definiert ist.
