-
Stand der Technik
-
Die Erfindung betrifft ein Drucksensor zur Verwendung in thermisch beanspruchten Räumen gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.
-
Zur Druckmessung ist bereits eine Vielzahl von Drucksensoren bekannt, bei denen der Druck mittels eines keramischen Sensorelements, welches auf einem metallischen Trägerelement fixiert ist, ermittelt wird. Aus der
DE 102004006197 ist ein Drucksensor bekannt, bei dem ein Sensorchip auf einem Glassockel befestigt ist, wobei der Glassockel seinerseits auf einem Metallsockel befestigt ist. Bei starker thermischer Belastung, insbesondere wenn der Drucksensor zyklischen Temperaturschwankungen ausgesetzt ist, kann es zwischen dem Sensorelement bzw. dem Glassockel und dem Metallsockel aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu Spannungen kommen, die den Drucksensor schädigen können. Aus der
DE 102007052364 ist ein Drucksensor bekannt, bei dem zur Reduktion von thermischen Spannungen ein Sensorchip über einen keramischen Zwischenträger mit einem metallischen Gehäusesockel verbunden ist, wobei der keramische Zwischenträger mit elastischem Kleber zwischen dem Sensorchip und dem Gehäusesockel verklebt ist und über diesen Zwischenträger die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen Gehäusesockel und Sensorchip zumindest teilweise kompensiert werden können.
-
Offenbarung
-
Der erfindungsgemäße Sensor mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass die thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem metallischen Grundträger und dem keramischen Sensorelement so gering sind, dass das Bauteil nicht geschädigt wird. Ein Einsatz des Sensors ist auch bei thermisch wechselnder Belastung dauerhaft ohne Schädigung des Sensors möglich. Ferner wird keine zusätzliche Zwischenschicht benötigt, was die Kosten des Sensors reduziert.
-
Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn der thermische Ausdehnungskoeffizient des metallischen Trägerelements, insbesondere in einem Temperaturbereich von 20°C bis 80°C weniger als 2·10–6 /K beträgt. Dieser Temperaturbereich ist ein typischer Anwendungsbereich für den vorgeschlagenen Sensor, so dass es gerade in diesem Bereich darauf ankommt, dass die Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem keramischen Sensorelement und dem metallischen Trägerelement möglichst dicht beieinander liegen.
-
Dabei ist insbesondere Vorteilhaft, wenn das metallische Trägerelement aus einer Eisen-Nickel-Legierung mit ca. 35% Nickel und 65% Eisen, beispielsweise Invar, beseht. Eine solche Eisen-Nickel-Legierung weist in einem Temperaturbereich zwischen ca. 0°C und 100°C einen sehr geringen thermischen Ausdehnungs-koeffizient auf und ist daher sehr gut für das metallische Trägerelement geeignet.
-
Alternativ ist mit Vorteil vorgesehen, dass das metallische Trägerelement aus einer Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung mit ca. 33% Nickel und ca. 4,5% Kobalt, beispielsweise Inovco, besteht. Eine solche Legierung weist ebenfalls in dem beschriebenen Temperaturbereich einen sehr geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf und ist daher besonders geeignet als metallisches Trägerelement.
-
In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das keramische Sensorelement eine geometrische ähnliche Grundfläche wie das metallische Trägerelement aufweist. Durch geometrische ähnliche Grundflächen werden noch auftretende thermische Spannungen gleichmäßig verteilt, so dass Spannungsspitzen, welche zu Rissen oder Brüchen führen könnten, sicher vermieden werden.
-
Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Grundfläche eine Kreisform besitzt, was ebenfalls dem Ziel dient, mögliche auftretende thermische Spannungen zu reduzieren. Mit dem gleichen Ziel ist es vorteilhaft, wenn das keramische Sensorelement zentrisch auf dem metallischen Trägerelement angeordnet ist.
-
Ein einer weiteren Weiterbildung ist vorgesehen, dass das keramische Sensorelement eine Messzelle und einen Glassockel aufweist, wobei die Messzelle auf dem Glassockel befestigt ist. Durch die Befestigung der Messzelle auf dem Glassockel kann das Sensorelement leichter gefasst und positioniert werden, ohne ein Beschädigung der Messzelle zu riskieren.
-
Zeichnungen
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In den 1 bis 3 sind gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleicher Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Die 1 bis 3 zeigen jeweils ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors. 4 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Sensor.
-
Ausführungsformen der Erfindung
-
In der 1 ist ein erfindungsgemäßer Sensor 10 dargestellt. Der Sensor 10 umfasst eine Sensorelement 12, wobei das Sensorelement eine Messzelle 14 und einen Glassockel 15 umfasst. Die Messzelle 14 hat einen kreisförmigen Querschnitt und ist zentrisch auf einem Glassockel 15 angeordnet. Der Glassockel 15 weist ebenfalls einen kreisförmigen Querschnitt 13 auf und ist seinerseits zentrisch auf einem metallischen Trägerelement 18 angeordnet. Das metallische Trägerelement 18 weist ebenfalls einen kreisförmigen Querschnitt 19 auf. Das Sensorelement 12 ist beispielsweise als Drucksensor ausgebildet, wobei der Drucksensor eine keramische Messmembran aufweist. Der Sensor 10 ist zu seinem Schutz in der Regel in ein Gehäuse eingesetzt, wobei sowohl Kunststoff- als auch Metallgehäuse verwendet werden.
-
Die Messzelle 14 wird beispielsweise aus einem Halbleiterträger gefertigt, beispielsweise einem Siliziumwafer. Aus einem solchen Halbleiterträger lässt sich mittels Mikrostrukturierung eine drucksensible Messmembran herstellen, wobei die Verformung der Messmembran beispielsweise durch Piezoelemente erfasst wird. Der Glassockel 15 weist dabei einen ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie die Messzelle 14 auf, so dass es zwischen dem Glassockel 15 und der Messzelle 14 nicht zu thermischen Verspannungen kommt. Das metallische Trägerelement 18 ist aus einem Stahl mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten hergestellt, beispielsweise aus einer Eisen-Nickel-Legierung oder einer Eisen-Kobalt-Nickel-Legierung, beispielsweise Invar oder Inovco. Eine typische Eisen-Nickel-Legierung enthält dabei ca. 35–36% Nickel, so dass der thermische Ausdehnungskoeffizient αM in einem Bereich von 0°C bis 100°C, bevorzugt zwischen 20°C und 80°C kleiner als 2·10–6 / K ist. Eine typische Eisen-Kobalt-Nickel-Legierung weist dabei ca. 33%-Nickel und ca. 4,5%Kobalt auf. Der Glassockel 15 weist dabei ebenfalls einen thermischen Ausdehnungs-koeffizienten αS auf, der kleiner als 2·10–6 / K ist. Durch die Abstimmung der Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Glassockel 15 und dem metallischen Trägerelement 18 werden Spannungen aufgrund von auftretenden Wärmeunterschieden bei der Herstellung oder im Betrieb des Sensors 10 reduziert, was die Dauerhaltbarkeit des Sensors 10 erhöht. Alternativ kann anstelle des Glassockels 15 auch ein anderer keramischer Sockel verwendet werden. Dabei sind die Messzelle 14, der Glassockel 15 und das metallische Grundträger 18 koaxial, bevorzugt konzentrisch, zueinander angeordnet. Prinzipiell ist es alternativ denkbar, dass die Messzelle 14 exzentrisch auf dem Glassockel angeordnet ist, sowie dass die Messzelle 14 und/oder der Glassockel 15 und/oder das metallische Trägerelement 18 nicht koaxial zueinander angeordnet sind, wenn dies beispielsweise aus Bauraumgründen nicht möglich ist.
-
Die Ausführungsform des in 2 dargestellten Sensors 10 unterscheidet sich gegenüber der in 1 vorgeschlagenen Ausführungsform lediglich darin, dass die Messzelle 14 in dieser Ausführungsform eine rechteckige oder quadratische Grundfläche aufweist. Durch die annähernd gleichen Ausdehnungskoeffizienten zwischen der Messzelle 14 und dem Glassockel 15, wird ein vergleichbar gutes Ergebnis bzgl. der Spannungsfreiheit zwischen den einzelnen Komponenten wie in der Ausführungsform nach 1 erreicht.
-
3 stellt eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors 10 dar, wobei in dieser Ausführungsform die Messzelle 14, der Glassockel 15 sowie das metallische Trägerelement 18 eine rechteckige bzw. quadratische Grundfläche aufweisen. Durch die jeweils geometrisch ähnlichen Grundflächen wird ebenfalls erreicht, dass es bei einer geringfügig unterschiedlichen thermischen Ausdehnung einzelner Bauteile des Sensors 10 nicht zu Bauteilschäden durch Thermospannungen kommt. Alternativ sind weitere geometrisch ähnlich Grundflächen, beispielsweise n-Ecke, wobei n-bevorzugt zwischen 3 und 16 liegt, oder Ellipsen denkbar. Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform wie im Ausführungsbeispiel zu 1 dargestellt, bei dem zur Reduzierung von möglichen Spannungsspitzen sowohl die Werkstoffpaarung zwischen dem metallischen Grundträger 18 und dem Glassockel 15 als auch die geometrische Formgebung in der obenstehenden vorteilhaften Weise kombiniert sind.
-
In 4 ist ein Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Sensor dargestellt.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102004006197 [0002]
- DE 102007052364 [0002]
