DE102014113083A1

DE102014113083A1 - Drucksensor

Info

Publication number: DE102014113083A1
Application number: DE102014113083.9A
Authority: DE
Inventors: Ulfert Drewes; Andreas Rossberg; Anh Tuan Tham
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2014-09-11
Filing date: 2014-09-11
Publication date: 2016-03-17
Also published as: WO2016037817A1

Abstract

Es ist ein Drucksensor, mit einem Gehäuse (17, 51), insb. einem metallischen Gehäuse (17, 51), einer in dem Gehäuse (17, 51) zwischen einem eine Öffnung (19) des Gehäuses (17) außenseitlich allseitig umschließenden Absatz (21) und einem Gegenlager (23) eingespannten Druckmesszelle (1), insb. einer keramischen Druckmesszelle (1), die eine auf einem Grundkörper (3) unter Einschluss einer Druckmesskammer (5) angeordnete Messmembran (7) aufweist, und deren Messmembran (7) über die Öffnung (21) mit einem Druck (p) beaufschlagbar ist, beschrieben, dessen Druckmesszelle (1), insb. dessen Messmembran (7), vor in radialer Richtung wirkenden thermomechanischen Spannungen geschützt ist, indem zwischen einem äußeren Rand der Messmembran (7) und dem Absatz (21) ein Anpassungskörper (27, 31, 33) angeordnet ist, der einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der entlang des Anpassungskörper (27, 31, 33) in vom Absatz (21) zur Messmembran (7) verlaufender Richtung von einem einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten (αM) des Absatzes (21) entsprechenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf einen einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten (αk) der Messmembran (7) entsprechenden Ausdehnungskoeffizienten absinkt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drucksensor, mit einem Gehäuse, insb. einem metallischen Gehäuse, einer in dem Gehäuse zwischen einem eine Öffnung des Gehäuses außenseitlich allseitig umschließenden Absatz und einem Gegenlager eingespannten Druckmesszelle, insb. einer keramischen Druckmesszelle, die eine auf einem Grundkörper unter Einschluss einer Druckmesskammer angeordnete Messmembran aufweist, und deren Messmembran über die Öffnung mit einem Druck beaufschlagbar ist.
Drucksensoren finden weit gefächerte Anwendung in nahezu allen Bereichen der industriellen Messtechnik.
Zu diesen Drucksensoren zählen mit Absolutdruckmesszellen ausgestatteten Absolutdrucksensoren, die den absoluten, auf die Messmembran einwirkenden Druck gegen Vakuum messen, mit Relativdruckmesszellen ausgestattete Relativdrucksensoren, die den auf die Messmembran einwirkenden Druck bezogen auf einen der Druckmesskammer zugeführten Referenzdruck, z.B. dem aktuellen Atmosphärendruck, messen, sowie mit Differenzdruckmesszellen ausgestatte Differenzdrucksensoren, die eine Druckdifferenz zwischen einem ersten auf die Messmembran einwirkenden Druck und einem auf eine zweite Messmembran der Differenzdruckmesszelle einwirkenden zweiten Druck messen.
Keramische Druckmesszellen weisen regelmäßig eine auf einem keramischen Grundkörper unter Einschluss einer Druckmesskammer angeordnete keramische Messmembran auf. Keramische Druckmesszellen bieten den Vorteil, dass sie nicht nur thermisch, chemisch und mechanisch sehr beständig sind, sondern darüber hinaus auch eine sehr hohe Druckfestigkeit aufweisen.
Keramische Druckmesszellen müssen am Einsatzort montiert und mit dem zu messenden Druck beaufschlagt werden. Hierzu werden sie regelmäßig in ein Gehäuse eingesetzt, das eine Öffnung aufweist, über die die Messmembran mit dem zu messenden Druck beaufschlagbar ist. Dabei ist die Druckmesszelle im Gehäuse derart angeordnet, dass ein äußerer Rand der Druckmesszelle zwischen einem die Öffnung außenseitlich allseitig umschließenden Absatz und einem auf einer von der Messmembran abgewandten Rückseite der Messzelle angeordneten Gegenlager eingespannt ist.
Die hierzu verwendeten Gehäuse bestehen regelmäßig aus Metall. Das hat zur Folge, dass aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von keramischer Druckmesszelle und metallischem Gehäuse thermomechanische Spannungen innerhalb des Drucksensors entstehen.
Während in axialer Richtung, also parallel zur Flächennormale auf die Messmembran, verlaufende temperaturabhängige Spannungen durch eine elastische Einspannung der Druckmesszelle aufgefangen werden können, führen in radialer Richtung, also in senkrecht zur Flächennormale auf die Messmembran verlaufender Richtung, entstehende thermomechanische Spannungen regelmäßig zu einer Verspannung der Messmembran, die sich nachteilig auf die Messgenauigkeit des Drucksensors auswirkt, und insb. eine temperaturabhängige Hysterese der Messergebnisse bewirkt.
Zur Reduktion der nachteiligen Auswirkungen der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Gehäuse und Druckmesszelle ist in der DE 10 2004 057 A1 und der DE 103 34 854 A1 jeweils ein Drucksensor beschrieben, mit

– einem Gehäuse,
– einer in dem Gehäuse zwischen einem eine Öffnung des Gehäuses außenseitlich allseitig umschließenden Absatz und einem Gegenlager eingespannten Druckmesszelle,
– die eine auf einem Grundkörper unter Einschluss einer Druckmesskammer angeordnete Messmembran aufweist, und
– deren Messmembran über die Öffnung mit einem Druck beaufschlagbar ist, und
– einem zwischen einem äußeren Rand der Messmembran und dem Absatz eingespannten Entkopplungsring.

Dabei ist zwischen dem Entkopplungsring und der Messmembran sowie zwischen dem Entkopplungsring und dem Absatz jeweils eine Dichtung angeordnet.
Die beschriebenen Entkopplungsringe bestehen aus Keramik oder einem anderen Werkstoff mit einem an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der keramischen Druckmesszelle angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Der Messmembran wird also ein Körper, nämlich der Entkopplungsring, mit im Wesentlichen gleichem thermischem Ausdehnungskoeffizienten vorgelagert. Die Messmembran ist somit durch den Entkopplungsring räumlich getrennt von dem Ort an dem der Sprung vom thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Messmembran auf den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Absatzes des Gehäuses erfolgt. Dieser Ort wird durch den Entkopplungsring auf die von der Messmembran abgewandte Seite des Entkopplungsrings verschoben.
Entsprechend bewirkt der Entkopplungsring eine Verschiebung der sich in radialer Richtung ausbildenden thermomechanischen Verspannungen auf die von der Messmembran abgewandte dem Absatz zugewandte Seite des Entkopplungsrings. Diese Anordnung bewirkt, dass sich in radialer Richtung ausbildende thermomechanische Spannungen am Übergang vom Entkopplungsring zum Absatz konzentrieren, und dort Spannungsspitzen ausbilden, die über die Dichtung zwischen dem Entkopplungsring und dem Absatz abgebaut werden müssen.
In der DE 103 34 845 A1 ist beschrieben, als Dichtungen Flachdichtungen aus Polytetrafluorethylen (PTFE) einzusetzen, und auf den Stirnflächen des Entkopplungsrings, auf denen diese Dichtungen aufliegen, Strukturelemente vorzusehen, die eine radiale Bewegung der Dichtungen, insb. ein Kaltfließen unter Druck, begrenzen.
In der DE 10 2004 057 967 A1 ist beschrieben, als Dichtungen Flachdichtungen aus Polytetrafluorethylen (PTFE) einzusetzen, und auf den Stirnflächen des Entkopplungsrings jeweils einen ringförmigen, in axialer Richtung vorstehenden Vorsprung vorzusehen, dessen Stirnfläche die jeweilige Dichtfläche bildet. Die Vorsprünge bewirken eine Verkleinerung der Dichtflächen, so dass durch die Vorsprünge bei gleicher Einspannkraft in axialer Richtung eine höhere Flächenpressung der Flachdichtung erzielt wird.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Drucksensor mit einer in einem Gehäuse eingespannten Druckmesszelle, anzugeben, bei dem die Druckmesszelle, insb. die Messmembran, vor in radialer Richtung wirkenden thermomechanischen Spannungen geschützt ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Drucksensor gelöst, mit

– einem Gehäuse, insb. einem metallischen Gehäuse,
– einer in dem Gehäuse zwischen einem eine Öffnung des Gehäuses außenseitlich allseitig umschließenden Absatz und einem Gegenlager eingespannten Druckmesszelle, insb. einer keramischen Druckmesszelle,
– die eine auf einem Grundkörper unter Einschluss einer Druckmesskammer angeordnete Messmembran aufweist, und
– deren Messmembran über die Öffnung mit einem Druck beaufschlagbar ist, der sich dadurch auszeichnet, dass zwischen einem äußeren Rand der Messmembran und dem Absatz ein Anpassungskörper angeordnet ist, der einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der entlang des Anpassungskörper in vom Absatz zur Messmembran verlaufender Richtung von einem einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Absatzes entsprechenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf einen einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Messmembran entsprechenden Ausdehnungskoeffizienten absinkt.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen dem Anpassungskörper und der Messmembran und zwischen dem Anpassungskörper und dem Absatz jeweils eine Dichtung, insb. eine Dichtung aus einem Elastomer oder eine Dichtung, insb. eine Flachdichtung, aus einem thermoplastischen Material, insb. aus Polytetrafluorethylen (PTFE), angeordnet.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist der Anpassungskörper ein zu einem Ring geschlossener Anpassungskörper mit rechteckigem Querschnitt.
Eine Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass

– zwischen dem Anpassungskörper und der Messmembran und zwischen dem Anpassungskörper und dem Absatz jeweils eine Dichtung, insb. eine Flachdichtung, insb. eine Dichtung aus einem thermoplastischen Material, insb. aus Polytetrafluorethylen (PTFE), angeordnet ist,
– der Anpassungskörper ein zu einem Ring geschlossenen Körper ist, und
– der Anpassungskörper auf dessen der Messmembran zugewandten Stirnseite und dessen dem Absatz zugewandten Stirnseite Strukturelemente aufweist.

Eine Ausgestaltung dieser Weiterbildung sieht vor, dass

– der Anpassungskörper aufeinander aufgebrachte Schichten aufweist,
– die Strukturelemente zu Ringen geschlossene, insb. kreisringförmige, insb. konzentrische, Stege sind, und
– benachbarte Stege durch Nuten voneinander getrennt sind,
– die durch eine der Bauhöhe der Strukturelemente entsprechende Anzahl von aufeinander aufgebrachten äußeren Schichten des Anpassungskörpers verlaufen, oder
– die in den beiden äußersten Schichten des Anpassungskörpers verlaufen, wobei die äußersten Schichten eine Schichtdicke aufweisen, die größer gleich der Bauhöhe der Strukturelemente ist.

Eine andere Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass

– zwischen dem Anpassungskörper und der Messmembran und zwischen dem Anpassungskörper und dem Absatz jeweils eine Dichtung, insb. eine Flachdichtung, insb. eine Dichtung aus einem thermoplastischen Material, insb. aus Polytetrafluorethylen (PTFE), angeordnet ist,
– der Anpassungskörper ein zu einem Ring geschlossenen Körper ist, und
– der Anpassungskörper auf dessen der Messmembran zugewandten Stirnseite und dessen dem Absatz zugewandten Stirnseite jeweils einen in axialer Richtung vorstehenden Vorsprung, insb. einen Vorsprung, der eine Bauhöhe aufweist, die größer gleich einer Dicke der Dichtung ist, insb. einen zu einem Ring geschlossenen Steg, aufweist.

Eine Ausgestaltung dieser anderen Weiterbildung sieht vor, dass

– der Anpassungskörper aufeinander aufgebrachte Schichten aufweist, und
– der der Messmembran zugewandte Vorsprung die äußerste membran-zugewandte Schicht des Anpassungskörpers bildet, und der dem Absatz zugewandte Vorsprung die gegenüberliegende äußerste dem Absatz zugewandte Schicht des Anpassungskörpers bildet, oder die Vorsprünge aus mehreren aufeinander aufgebrachten Schichten des Anpassungskörpers bestehen.

Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass der Anpassungskörper aufeinander angeordnete Schichten unterschiedlicher Zusammensetzung, insb. durch Lasersintern von metallische und/oder keramische Anteile enthaltenden Pulverschichten aufeinander aufgebrachte Schichten, aufweist, und

– die Schichten einen Keramikanteil aufweisen, der größer gleich 0 % und kleiner gleich 100 % ist, und einen Metallanteil aufweisen, der größer gleich 0 % und kleiner gleich 100 % ist, wobei
– der Keramikanteil in vom Absatz zur Messmembran verlaufender Richtung von Schicht zu Schicht zunimmt, und
– der Metallanteil in vom Absatz zur Messmembran verlaufender verlaufender Richtung von Schicht zu Schicht abnimmt.

Eine weitere Weiterbildung sieht vor, dass

– der Anpassungskörper aufeinander aufgebrachte Schichten aufweist, und
– eine Anzahl der Schichten größer gleich einer Differenz zwischen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Messmembran und dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Absatzes geteilt durch 2 ppm/K, insbesondere größer gleich der Differenz geteilt durch 1 ppm/K, insb. größer gleich dem zweifachen der Differenz geteilt durch 1 ppm/K, ist.

Eine weitere Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass

– der Anpassungskörper aufeinander aufgebrachte Schichten aufweist, und
– die Schichten eine Schichtdicke von nicht weniger als 10 µm, insbesondere nicht weniger als 20 µm, insb. nicht weniger als 40 µm aufweisen, und von nicht mehr als 400 µm, insbesondere nicht mehr als 200 µm, insb. nicht mehr als 100 µm aufweisen.

Eine weitere Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass

– der Anpassungskörper einen Körper mit im Wesentlichen rechteckigem Querschnitt umfasst, der in vom Absatz zur Messmembran verlaufender Richtung eine Höhe, und senkrecht dazu eine Breite aufweist, und
– ein Produkt aus einem Verhältnis von der Breite des Körpers zur Höhe des Körpers und dem Betrag der Differenz der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Messmembran und des Absatzes kleiner als eine Konstante mit der Dimension 1/K ist, wobei
– die Konstante kleiner als 0,1%/K, insbesondere kleiner 500 ppm/K, insb. kleiner als 250 ppm/K, insb. kleiner als 125 ppm/K, insb. kleiner als 60 ppm/K ist, und/oder
– die Konstante gleich einem Quotient aus einem dimensionslosen Verformungsparameter und einer Temperaturdifferenz zwischen einer maximalen und einer minimalen Temperatur, bei der der Drucksensor eingesetzt werden soll, ist, und der Verformungsparameter kleiner als 4%, insb. kleiner als 2%, insb. kleiner als 1% ist.

Eine weitere Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass

– der Anpassungskörper einen aus aufeinander angeordneten Schichten aufgebauten Körper mit im Wesentlichen rechteckigem Querschnitt umfasst,
– die einzelnen Schichten jeweils eine sich parallel zur Flächennormalen auf die Schicht erstreckende Schichtdicke und eine sich senkrecht zur Flächennormalen auf die Schicht erstreckende Breite aufweisen, und
– ein Produkt aus dem Verhältnis der Breite der jeweiligen Schicht zu deren Schichtdicke und dem Betrag der Differenz der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der an diese Schicht angrenzenden Schichten kleiner als eine Konstante mit der Dimension 1/K ist, wobei
– die Konstante kleiner als 0,1%/K, insbesondere kleiner 500 ppm/K, insb. kleiner als 250 ppm/K, insb. kleiner als 125 ppm/K, insb. kleiner als 60 ppm/K ist, und/oder
– die Konstante gleich einem Quotient aus einem dimensionslosen Verformungsparameter und einer Temperaturdifferenz zwischen einer maximalen und einer minimalen Temperatur, bei der der Drucksensor eingesetzt werden soll, ist, und der Verformungsparameter kleiner als 4%, insb. kleiner als 2%, insb. kleiner als 1% ist.

Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Drucksensoren sieht vor, dass

– die Druckmesszelle eine Differenzdruckmesszelle ist,
– die eine zweite auf dem Grundkörper unter Einschluss einer Druckmesskammer angeordnete über eine zweite Öffnung im Gehäuse mit einem zweiten Druck beaufschlagbare Messmembran aufweist, und
– zwischen einem äußeren Rand der zweiten Messmembran und einem die zweite Öffnung außenseitlich umgebenden zweiten Absatz ein zweiter Anpassungskörper angeordnet ist, der einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der entlang des zweiten Anpassungskörpers in vom zweiten Absatz zur zweiten Messmembran verlaufender Richtung von einem dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des zweiten Absatzes entsprechenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf einen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der zweiten Messmembran entsprechenden Ausdehnungskoeffizienten absinkt.

Weiter umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines aus Schichten aufgebauten Anpassungskörpers für einen erfindungsgemäßen Drucksensor, das sich dadurch auszeichnet, dass

– die einzelnen Schichten erzeugt werden, indem eine Metallpulver und Keramikpulver in einem der Zusammensetzung der jeweiligen Schicht entsprechenden Mischungsverhältnis in durchmischter Form enthaltende Pulverschicht aufgebracht, und durch Lasersintern verfestigt wird, oder
– die einzelnen Schichten erzeugt werden, indem eine der Zusammensetzung der jeweiligen Schicht entsprechende Menge Metallpulver und eine der Zusammensetzung der jeweiligen Schicht entsprechende Menge Keramikpulver jeweils als Pulverschicht aufeinander aufgebracht werden, und die beiden Pulverschichten durch Lasersintern durchmischt und verfestigt werden.

Die Erfindung weist den Vorteil auf, das der thermische Ausdehnungskoeffizient des Absatzes durch den Anpassungskörper in axialer Richtung schrittweise in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Messmembran überführt wird. Hierdurch werden größere Sprünge zwischen den thermischen Ausdehnungskoeffizienten aneinander angrenzender Bauteile, an denen sich Spannungsspitzen in radialer Richtung wirkender thermomechanischer Spannungen ausbilden würden, vermieden. Das bietet den Vorteil, dass sich in radialer Richtung ausbildende thermomechanische Spannungen geringere Maximalwerte aufweisen, und insgesamt in den Anpassungskörper hinein verlagert werden, wo sie sich gleichmäßig über dessen gesamte Höhe hinweg verteilen. Dementsprechend sind die auf jeder Höhe entlang des Anpassungskörpers wirkenden thermomechanischen Spannungen entsprechend gering, und werden vom Anpassungskörper aufgenommen. Die Druckmesszelle, insb. deren Messmembran ist somit vor in radialer Richtung wirkenden thermomechanischen Spannungen geschützt.
Da der Abbau der in radialer Richtung wirkenden thermomechanischen Spannungen über den Anpassungskörper erfolgt, sind die Dichtungen vor Belastungen durch in radialer Richtung wirkende thermomechanische Spannungen geschützt.
Die Erfindung und deren Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen vier Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert. Gleiche Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt: einen Drucksensor mit einem Anpassungskörper mit rechteckigem Querschnitt;
2 zeigt: einen Drucksensor mit einem Anpassungskörper auf dessen Stirnflächen Strukturelemente vorgesehen sind;
3 zeigt: einen Drucksensor mit einem Anpassungskörper auf dessen Stirnflächen jeweils ein ringförmiger Vorsprung vorgesehen ist; und
4 zeigt: einen Differenzdrucksensor mit einer Differenzdruckmesszelle mit zwei Messmembranen und diesen vorgelagerten Anpassungskörpern.
1 zeigt einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drucksensors. Dieser umfasst eine Druckmesszelle 1 mit einem keramischen Grundkörper 3 und einer unter Einschluss einer Druckmesskammer 5 darauf aufgebrachten Messmembran 7. Grundkörper 3 und Messmembran 7 bestehen aus Keramik, z.B. aus Aluminiumoxid-Keramik (Al₂O₃).
Die Druckmesszelle 1 kann beispielsweise als Absolutdruckmesszelle ausgebildet sein. In dem Fall ist die unter der Messmembran 7 eingeschlossene Druckmesskammer 5 evakuiert. Alternativ kann sie als Relativdruckmesszelle ausgebildet sein. Hierzu wird der Druckmesskammer 5 über eine durch den Grundkörper 3 hindurch verlaufendehier als Option gestrichelt dargestellte -Druckzuleitung 9 ein Referenzdruck p_ref, z.B. ein Umgebungsdruck, zugeführt.
Die Messmembran 7 ist druckempfindlich, d.h. ein von außen auf sie einwirkender Druck p bewirkt eine druckabhängige Durchbiegung der Messmembran 7. Diese druckabhängige Durchbiegung wird mittels eines elektromechanischen Wandlers erfasst, der die druckabhängige Durchbiegung in ein elektrisches Primärsignal umwandelt. Als Wandler eignet sich z.B. ein kapazitiver Wandler, der eine auf einer der Messmembran 7 zugewandten Stirnseite des Grundkörpers 3 aufgebrachte Elektrode 11 und eine auf einer dem Grundkörper 3 zugewandten Innenseite der Messmembran 7 aufgebrachte Gegenelektrode 13 umfasst. Die Elektrode 11 ist über einen durch den Grundkörper 3 hindurch nach außen geführten Primärsignalpfad 15, z.B. einen in den Grundkörper 3 eingesetzten Tantalstift, elektrisch an eine hier nicht dargestellte Messelektronik angeschlossen, die anhand der von der druckabhängigen Durchbiegung der Messmembran 7 abhängigen Kapazität des durch die Elektrode 11 und die Gegenelektrode 13 gebildeten Kondensators den auf die Messmembran 7 einwirkenden zu messenden Druck p bestimmt.
Die keramische Druckmesszelle 1 ist in einem Gehäuse 17 eingespannt. Das Gehäuse 17 besteht beispielsweise aus einem Metall, z.B. aus einem Edelstahl. Es weist frontseitig eine Öffnung 19 auf, über die die Messmembran 7 der Druckmesszelle 1 mit dem zu messenden Druck p beaufschlagbar ist.
Zur Einspannung der Druckmesszelle 1 ist eine Einspannvorrichtung vorgesehen, in der ein äußerer Rand der Druckmesszelle 1 in axialer Richtung, also parallel zur Flächennormalen auf die Messmembran 7, zwischen einem Absatz 21 des Gehäuses 17 und einem Gegenlager 23 eingespannt ist. Der Absatz 21 umschließt die Öffnung 19 allseitig, und ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel durch eine frontseitig an das Gehäuse 17 angeformte, sich radial nach innen erstreckende Schulter des Gehäuses 17 gebildet.
Das Gegenlager 23 ist z.B. als Druckring ausgebildet, der in das Gehäuse 17 derart eingeschraubt wird, dass dessen dem Absatz 21 zugewandte Stirnseite einen Einspanndruck auf einen äußeren Rand der vom Absatz 21 abgewandten Rückseite der Druckmesszelle 1 ausübt.
Um eine Mindestgröße des auf die Druckmesszelle 1 wirkenden Einspanndrucks sowohl bei veränderlichen Temperaturen als auch bei auf die Druckmesszelle 1 einwirkenden Druckstößen zu gewährleisten, umfasst die Einspannvorrichtung vorzugsweise mindestens ein federelastisches Element. Das federelastische Element kann auf der von der Messmembran 7 abgewandten Rückseite und/oder der dieser gegenüberliegenden Frontseite der Druckmesszelle 1 angeordnet sein.
Ein Ausführungsbeispiel eines auf der Rückseite vorgesehenen federelastischen Elements ist in der rechten Hälfte von 1 dargestellt. Dort ist zwischen dem als Druckring ausgebildeten Gegenlager 23 und der Rückseite der Druckmesszelle 1 eine Spannfeder 25 angeordnet, die durch das Einschrauben des Druckrings gespannt wird.
Alternativ oder zusätzlich kann der Absatz 21 als federelastisches Element ausgebildet sein. Hierzu weist er z.B. eine Dicke auf, die derart bemessen ist, dass der Absatz 21 federelastisch ist.
Alternativ hierzu können in den erfindungsgemäßen Drucksensoren auch andere aus dem Stand der Technik bekannte Einspannungvorrichtungen verwendet werden, die eine axiale Einspannung der Druckmesszelle 1 bewirken.
Erfindungsgemäß ist zwischen dem äußeren Rand der Messmembran 7 und dem Absatz 21 ein zu einem Ring geschlossener Anpassungskörper 27 eingespannt. Der Anpassungskörper 27 ist zum Beispiel als Kreisring mit rechteckigem Querschnitt ausgebildet.
Der Anpassungskörper 27 weist einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, der entlang des Anpassungskörper 27 in vom Absatz 21 zur Messmembran 7 verlaufender Richtung z von einem einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_M des Absatzes 21 entsprechenden Ausdehnungskoeffizienten auf einen einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_k der Messmembran 7 entsprechenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten absinkt.
Der Anpassungskörper 27 besteht hierzu vorzugsweise aus einer Anzahl N aufeinander angeordneten Schichten S_i unterschiedlicher Zusammensetzung. Die einzelnen Schichten S_i verlaufen parallel zueinander und parallel zur Messmembran 7. Die Zusammensetzung der einzelnen Schichten S_i wird derart vorgegeben, dass die dem Absatz 21 zugewandte äußerste Schicht S₁ des Anpassungskörpers 27 einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten α₁ aufweist, der dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_M des Absatzes 21 entspricht, und ausgehend von dieser äußersten Schicht S₁ von Schicht zu Schicht schrittweise derart auf den thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_M des Absatzes 21 abfällt, dass die der Messmembran 7 zugewandte äußerste Schicht S_N einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_N aufweist, der dem Ausdehnungskoeffizienten α_K der Messmembran 7 entspricht.
Hierzu weisen die Schichten S_i jeweils einen Keramikanteil auf, der größer gleich 0% und kleiner gleich 100 % ist, und einen Metallanteil auf, der größer gleich 0% und kleiner gleich 100 % ist. Die Anteile sind vorzugsweise derart vorgegeben, dass der Keramikanteil der Schichten S_i in vom Absatz 21 zur Messmembran 7 verlaufender Richtung z von Schicht zu Schicht ansteigt, während der Metallanteil der Schichten S_i in vom Absatz 21 zur Messmembran 7 verlaufender Richtung z von Schicht zu Schicht abnimmt.
Ordnet man der dem Absatz 21 zugewandten äußersten Schicht S₁ die Koordinate z = 0, und der der Messmembran 7 zugewandten äußersten Schicht S_N des Anpassungskörpers 27 die Koordinate z = h zu, wobei h gleich der Höhe des Anpassungskörpers 27 ist, beträgt der Metallanteil einer Schicht S_i mit der mittleren axialen Koordinate z beispielsweise 100% × (1 – z/h) und der Keramikanteil dieser Schicht S_i beträgt 100% × (z/h).
Zur Herstellung des Anpassungskörpers 27 können bekannte Verfahren zur Herstellung von Gradientenwerkstoffen eingesetzt werden. Ein Beispiel hierzu ist die in der EP 0984839 B1 beschriebene Infiltration eines Poren unterschiedlicher Porengröße aufweisenden Keramikkörpers mit Metall. Alternativ können aufeinander angeordnete Schichten unterschiedlicher Zusammensetzung durch Schichtpressen, Sedimentation oder Naßpulversprühen erzeugt und anschließend gesintert werden.
Vorzugsweise ist der Anpassungskörper 27 ein Sinterkörper, dessen Schichten S_i zum Beispiel durch Lasersintern von Pulverschichten entsprechender von Schicht zu Schicht unterschiedlicher Zusammensetzung erzeugt werden. Hierzu kann zum Beispiel das in der IMW-Industriemitteilung Nr. 29 (2004) von Trenke mit dem Titel „Selektives Lasersintern von metallisch/keramischen Schichtstrukturen" beschriebene Laser-Sinterverfahren eingesetzt werden.
Bei diesem Verfahren werden die Komponenten z.B. in Form von mikroskaligen Teilchen bereitgestellt, deren Korngröße vorzugsweise nicht mehr als 20 µm und besonders bevorzugt nicht mehr als 10 µm beträgt.
Zum Präparieren einer Schicht wird die koordinaten-abhängige Mischung der Komponenten auf die bereits verfestigten Schichten aufgetragen und durch Lasersintern verfestigt. Die gewünschte Zusammensetzung der jeweiligen Schicht S_i kann dadurch erzeugt werden, dass eine Metallpulver und Keramikpulver im gewünschten Mischungsverhältnis in durchmischter Form enthaltende Pulverschicht aufgebracht und durch Lasersintern verfestigt wird. Alternativ kann die Zusammensetzung dadurch erzielt werden, dass die entsprechende Menge Metallpulver und die entsprechende Menge Keramikpulver jeweils als Pulverschicht entsprechender Dicke aufeinander aufgebracht werden, und die beiden Pulverschichten durch Lasersintern durchmischt und verfestigt werden.
Ggf. kann der Sinterkörper nach erfolgter Präparation unter Druck bei hoher Temperatur gehalten werden, um das Gefüge zu verdichten.
Die Unterschiede der thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_Si, α_Si+1 aneinander angrenzender Schichten S_i, S_i+1 des Anpassungskörpers 27 sind umso geringer, je größer die Anzahl N der Schichten S ist. Je geringer diese Unterschiede sind, umso geringer sind auch die sich aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten ausbildenden temperarturabhängigen Spannungen. Die Anzahl N der Schichten wird daher in Abhängigkeit von der Differenz ∆α = α_M – α_K der über den Anpassungskörper 27 schrittweise aneinander anzupassenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_M, α_K des Absatzes 21 bzw. des Gehäuses 17 und der Messmembran 7 vorzugsweise derart vorgegeben, das die Anzahl N nicht weniger als (∆α)/(2 ppm/K), insbesondere nicht weniger als (∆α)/(1 ppm/K) und bevorzugt nicht weniger als (2∆α)(1 ppm/K) beträgt.
Der Anpassungskörper 27 weist im Querschnitt in einer parallel zur Flächennormalen auf die Schichten S_i vom Absatz 21 zur Messmembran 7 verlaufenden Richtung z eine Höhe h und in einer senkrecht zur Flächennormalen auf die Schichten S_i verlaufenden Richtung eine Breite d auf. Die Abmessungen des Anpassungskörpers 27 werden vorzugsweise derart vorgegeben, dass das Produkt aus dem Verhältnis der Breite d des Anpassungskörpers 27 zu dessen Höhe h und dem Betrag der Differenz ∆α der thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_K, α_M der Messmembran 7 und des Absatzes 21, kleiner als eine vorgegebene Konstante ξ mit der Dimension 1/K ist, für die gilt: ξ < 0,1%/K, insbesondere < 500 ppm/K, vorzugsweise < 250 ppm/K, weiter bevorzugt < 125 ppm/K und besonders bevorzugt < 60 ppm/K:
Die Konstante ξ wird vorzugsweise als Quotient aus einem dimensionslosen Verformungsparameter C und einer Temperaturdifferenz ΔT gemäß: ξ = C / ΔT bestimmt, wobei

– die Temperaturdifferenz ΔT gleich der Differenz T_max – T_min der maximalen und der minimalen Temperatur T_max, T_min ist, bei der der Drucksensor eingesetzt werden soll, und
– C ein dimensionsloser Verformungsparameter ist, für den gilt: C < 4%, insbesondere C < 2% und bevorzugt C < 1%.

Dabei werden die einzelnen Schichten S_i des Anpassungskörpers 27 vorzugsweise derart bemessen, dass das Produkt aus dem Verhältnis der Breite d_s der jeweiligen Schicht S_i zu deren Schichtdicke s und dem Betrag der Differenz ∆α_s der thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_Si-1, α_Si+1 der an diese Schicht S_i angrenzenden Schichten S_i-1, S_i+1 ebenfalls kleiner als die oben genannte vorzugsweise als Quotient aus dem dimensionslosen Verformungsparameter C und der Temperaturdifferenz ΔT bestimmte Konstante ξ ist. D. h.:
Dabei weisen die einzelnen Schichten S_i vorzugsweise eine Schichtdicke s von nicht weniger als 10 µm, insbesondere nicht weniger als 20 µm und bevorzugt nicht weniger als 40 µm auf, und von nicht mehr als 400 µm, insbesondere nicht mehr als 200 µm und bevorzugt nicht mehr als 100 µm auf.
Nimmt man als Beispiel eine Messmembran 7 aus Aluminiumoxid-Keramik mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_K von 8 ppm/K und ein Gehäuse 17 aus Edelstahl mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_M von 16 ppm/K, dann beträgt die Differenz ∆α der thermischen Ausdehnungskoeffizienten 8 ppm/K. Hieraus ergibt sich eine bevorzugte Mindestanzahl N ≥ 2 ∆α /(1 ppm/K) von 16 Schichten. Bei den oben angegebenen besonders bevorzugten Schichtdicken von 40 µm bis 100 µm ergibt sich hieraus eine bevorzugte Mindesthöhe h des Anpassungskörpers 27 von 640 µm bis 1,6 mm. Geht man von einem Temperaturbereich von –40°C bis + 130 °C aus, in dem der Drucksensor eingesetzt werden soll, erhält man unter Anwendung des besonders bevorzugten Verformungsparameters C von 1% für die Konstante ξ gemäß ξ = C/∆T einen Wert von 58,88 ppm/K. Damit liegt die über die oben angeführte Bemessungsregel d/h |∆α| < ξ berechenbare Breite d des Anpassungskörpers 27 bei einer Höhe h von 640 µm vorzugweise unterhalb von 4,8 mm.
Zur Abdichtung des Gehäuseinnenraums gegenüber der Umgebung des Drucksensors ist zwischen dem Anpassungskörper 27 und dem äußeren Rand der Messmembran 7 und zwischen dem Anpassungskörper 27 und dem Absatz 21 jeweils eine Dichtung 29 vorgesehen. Die Dichtungen 29 bestehen zum Beispiel aus einem Elastomer, und sind vorzugsweise als Formdichtungen, insb. als flache Formdichtungen mit balliger Kontur ausgebildet.
Durch den Anpassungskörper 27 wird der thermische Ausdehnungskoeffizient α_M des Absatzes 21 in axialer Richtung schrittweise in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_K der Messmembran 7 überführt. Hierdurch werden größere Sprünge zwischen den thermischen Ausdehnungskoeffizienten aneinander angrenzender Bauteile, an denen sich Spannungsspitzen in radialer Richtung wirkender thermomechanischer Spannungen ausbilden würden, vermieden.
Hierdurch wird erreicht, dass die sich in radialer Richtung ausbildenden thermomechanischen Spannungen geringere Maximalwerte aufweisen, und von der Messmembran 7 und dem Absatz 21 weg und in den Anpassungskörper 27 hinein verlagert werden, wo sie sich gleichmäßig über dessen gesamte Höhe h hinweg verteilen. Dementsprechend sind die auf jeder Höhe entlang des Anpassungskörpers 27 wirkenden thermomechanischen Spannungen entsprechend gering, und werden vom Anpassungskörper 27 aufgenommen.
Im Unterschied zum eingangs genannten Stand der Technik, wo die Spannungsspitzen der in radialer Richtung wirkenden thermomechanischen Spannungen über die Dichtung zwischen dem Entkopplungsring und dem Absatz abgebaut werden müssen, sind die Dichtungen 29 zwischen Anpassungskörper 27 und Absatz 21 und zwischen Anpassungskörper 27 und Messmembran 7 des erfindungsgemäßen Drucksensors vor Belastungen durch in radialer Richtung wirkende thermomechanische Spannungen geschützt.
Auch wenn die Erfindung vorliegend am Beispiel der im metallischen Gehäuse 17 eingespannten keramischen Druckmesszelle 1 beschrieben ist, ist sie völlig analog auch in Verbindung mit anderen Materialkombinationen von Druckmesszelle und Gehäuse einsetzbar.
Anstelle von Dichtungen 29 aus einem Elastomer können in Verbindung mit den erfindungsgemäßen Drucksensoren auch Dichtungen aus einem thermoplastischen Material, wie zum Beispiel Polytetrafluorethylen (PTFE), eingesetzt werden. Diese Dichtwerkstoffe weisen gegenüber Elastomeren den Vorteil einer höheren thermischen und chemischen Beständigkeit auf.
Zwei Ausführungsbeispiele hierzu sind in den 2 und 3 dargestellt. Sie unterscheiden sich von dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel durch deren Anpassungskörper 31 bzw. 33 und die als Flachdichtungen ausgebildeten Dichtungen 35 zwischen Anpassungskörper 31 bzw. 33 und Messmembran 7 und zwischen Anpassungskörper 31 bzw. 33 und Absatz 21. Die Flachdichtungen bestehen vorzugsweise aus einem thermoplastischen Material, z. B. aus Polytetrafluorethylen (PFTE). Im Übrigen wird auf die Beschreibung zu 1 verwiesen.
Der in dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel vorgesehene Anpassungskörper 31 ist ein zu einem Ring geschlossenen Körper mit rechteckigem Querschnitt, auf dessen der Messmembran 7 zugewandten Stirnseite und dessen dem Absatz 21 zugewandten Stirnseite jeweils Strukturelemente 37 vorgesehen sind. Die Strukturelemente 37 dienen dazu eine radiale Bewegung der Dichtungen 35, insb. ein Kaltfließen unter Druck, begrenzen. Hierzu genügen bereits Strukturelemente 37 geringer Bauhöhe. So können in Verbindung mit Flachdichtungen aus Polytetrafluorethylen (PTFE) mit einer Dicke von 0,2 mm zum Beispiel Strukturelemente 37 mit einer Bauhöhe von 0,1 mm eingesetzt werden. Abweichungen von diesen Zahlenwerten sind selbstverständlich möglich.
Genau wie der in 1 dargestellte Anpassungskörper 27 weist auch der in 2 dargestellte Anpassungskörper 31 einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, der entlang des Anpassungskörper 31 in vom Absatz 21 zur Messmembran 7 verlaufender Richtung z von einen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_M des Absatzes 21 entsprechenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf einen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_k der Messmembran 7 entsprechenden Ausdehnungskoeffizienten absinkt. Der Anpassungskörper 31 kann insoweit auf die gleiche Weise aufgebaut sein, wie der in 1 dargestellte Anpassungskörper 27.
Die vorstehenden Strukturelemente 37 können z.B. als zu Ringen geschlossene, z.B. kreisringförmige konzentrische Stege ausgebildet sein. Diese werden z.B. dadurch erzeugt, dass mittels mikromechanischer Bearbeitung jeweils benachbarte Stege voneinander trennende Nuten mit einer der Bauhöhe der Stege entsprechenden Nuttiefe erzeugt werden. In dem Fall durchdringen die Nuten eine der Nuttiefe entsprechende Anzahl der aufeinander aufgebrachten äußeren Schichten des Anpassungskörpers 31. Diese Variante ist in der linken Hälfte von 2 dargestellt.
Alternativ kann auf der der Messmembran 7 zugewandten Stirnseite und der dem Absatz 21 zugewandten Stirnseite des Anpassungskörpers 31 jeweils eine im Vergleich zu den übrigen Schichten dickere die Strukturelemente 37 aufweisende äußerste Schicht 39, 41 vorgesehen werden. Diese äußersten Schichten 39, 41 weisen hierzu eine Schichtdicke auf, die größer gleich der Bauhöhe der Strukturelement 37 ist. Diese Variante ist in der rechten Hälfte von 2 dargestellt. Dabei weist die der Messmembran 7 zugewandte dickere Schicht 39 einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, der dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_M der Messmembran 7 entspricht, und die dem Absatz 21 zugewandte dickere Schicht 41 weist einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, der dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_M des Absatzes 21 entspricht.
Der in 3 dargestellte Anpassungskörper 33 umfasst einen zu einem Ring geschlossenen Körper mit rechteckigem Querschnitt, auf dessen der Messmembran 7 zugewandten Stirnseite und dessen dem Absatz 21 zugewandten Stirnseite jeweils ein ringförmiger, in axialer Richtung vorstehender Vorsprung 43, 45 bzw. 47, 49, z.B. ein zu einem Ring geschlossener Steg, vorgesehen ist.
Bei dieser Variante bilden die Stirnflächen der Vorsprünge 43, 45 bzw. 47, 49 die Dichtflächen des Anpassungskörpers 33. Die aufgrund der Vorsprünge 43, 45 bzw. 47, 49 verkleinerten Dichtflächen, bieten den Vorteil, dass bei gleicher Einspannkraft in axialer Richtung eine höhere Flächenpressung der Flachdichtung erzielt wird. Dabei weisend die Vorsprünge 43, 45 bzw. 47, 49 vorzugsweise eine Bauhöhe auf, die größer gleich einer Dicke der Dichtung 35 ist.
Die Vorsprünge 43, 45 bzw. 47, 49 weisen in radialer Richtung beispielsweise eine Breite in der Größenordnung von ein bis zwei Zehntelmillimetern bis zu ein bis zwei Millimetern, und in axialer Richtung beispielsweise eine Höhe von einem bis zu einigen wenigen Zehntelmillimetern, z.B. 0,3 mm, auf.
Die beiden Vorsprünge 43, 45 können zum Beispiel jeweils durch eine einzelne auf den dazwischen angeordneten Körper aufgebrachte Schicht mit entsprechender Grundfläche und Dicke gebildet sein. Diese Variante ist in der linken Hälfte von 3 dargestellt. In dem Fall entspricht der der Messmembran 7 zugewandte Vorsprung 43 der äußersten membran-zugewandten Schicht des Anpassungskörpers 33 und weist einen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_K der Messmembran 7 entsprechenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf. Er besteht vorzugsweise aus der Keramik der Messmembran 7. Der dem Absatz 21 zugewandte Vorsprung 45 bildet die gegenüberliegende äußerste dem Absatz 21 zugewandte Schicht des Anpassungskörpers 33 und weist einen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_M des Absatzes 21 entsprechenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf. Er besteht vorzugsweise aus dem Metall des Absatzes 21.
Alternativ können die Vorsprünge 47, 49 genau wie der dazwischen befindliche Körper aus mehreren aufeinander aufgebrachten Schichten des Anpassungskörpers 33 bestehen. Diese Variante ist in der rechte Hälfte von 3 dargestellt. In dem Fall sinkt der thermische Ausdehnungskoeffizient des Anpassungskörper 33 über alle Schichten desselben, also auch die die Vorsprünge 47, 49 bildenden Schichten, in vom Absatz 21 zur Messmembran 7 verlaufender Richtung von Schicht zu Schicht auf den dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_k der Messmembran 7 entsprechenden Ausdehnungskoeffizienten ab.
Die Erfindung ist völlig analog auch in Verbindung mit Differenzdrucksensoren mit einer in einem metallischen Gehäuse 51 eingespannten Differenzdruckmesszelle 53, insb. einer keramischen Differenzdruckmesszelle 53, einsetzbar. Ein Ausführungsbeispiel hierzu ist in 4 dargestellt. Die Differenzdruckmesszelle 53 unterscheidet sich von den in 1 bis 3 dargestellten Druckmesszellen 1 dadurch, dass sie eine unter Einschluss einer Druckmesskammer 5 auf die der ersten Messmessmembran 7 gegenüberliegende Rückseite des Grundkörpers 3 aufgebrachte zweite Messmembran 7 aufweist. Die zweite Messmembran 7 ist über eine zweite Öffnung 21 im Gehäuse 51 mit einem zweiten Druck p₂ beaufschlagbar.
Die beiden Druckmesskammern 5 sind mit einer Druck übertragenden Flüssigkeit gefüllt, und über eine Druckübertragungsleitung 55 miteinander verbunden. Die von der zu messenden Druckdifferenz ∆p abhängige Auslenkung der ersten und/oder der zweiten Messmembran 7 wird auch hier z.B. mittels eines kapazitiven elektromechanischen Wandlers erfasst, der an eine hier nicht dargestellte Messelektronik angeschlossen ist, die anhand der gemessenen Kapazitäten den Differenzdruck ∆p bestimmt.
Die Differenzdruckmesszelle 53 ist im Gehäuse 51 in axialer Richtung, also parallel zu den Flächennormalen auf die beiden Messmembranen 7 eingespannt. Hierzu weist das Gehäuse 51 z.B. zwei jeweils eine der Öffnungen 19 aufweisende Gehäusesegmente 57 auf, die miteinander mittels einer hier nur schematisch dargestellten mechanischen Verbindungsvorrichtung 59 verbunden sind. Jede der Öffnungen 19 ist außenseitlich von einem Absatz 21 des jeweiligen Gehäusesegments 57 umgeben.
Genau wie die Druckmesszellen 1 von 1 bis 3 ist auch die Differenzdruckmesszelle 53 zwischen dem Absatz 21 eines der Gehäusesegmente 57 und einem Gegenlager eingespannt, wobei das Gegenlager hier durch den Absatz 21 des gegenüberliegenden Gehäusesegments 57 und die die beiden Gehäusesegmente 57 verbindende Verbindungsvorrichtung 59 gebildet wird.
Zwischen den äußeren Rändern der Messmembranen 7 und dem die Öffnung 21, über die die jeweilige Messmembran 7 mit dem ersten bzw. dem zweiten Druck p₁, p₂ beaufschlagbar ist, außenseitlich umgebenden Absatz 21 des jeweiligen Gehäusesegments 57 ist jeweils ein Anpassungskörper 27 angeordnet, der einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der entlang des jeweiligen Anpassungskörpers 27 in vom jeweiligen Absatz 21 zur jeweiligen Messmembran 7 verlaufender Richtung von einem dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_M des jeweiligen Absatzes 21 entsprechenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf einen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten α_k der jeweiligen Messmembran 7 entsprechenden Ausdehnungskoeffizienten abfällt.
Zur Abdichtung des Gehäuseinnenraums gegenüber der Umgebung des Differenzdrucksensors ist auch hier zwischen jedem der Anpassungskörper 27 und dem äußeren Rand der diesem zugewandten Messmembran 7 und zwischen jedem der Anpassungskörper 27 und dem diesem zugewandten Absatz 21 jeweils eine Dichtung 29 vorgesehen.
Die Anpassungskörper 27 und die Dichtungen 29 können – wie in 4 – dargestellt auf die anhand von 1 beschriebene Weise ausgebildet sein. Alternativ können stattdessen auch die anhand von 2 und 3 beschriebenen Anpassungskörper 31 bzw. 33 und Dichtungen 35 eingesetzt werden.
Bezugszeichenliste

1: Druckmesszelle
3: Grundkörper
5: Druckmesskammer
7: Messmembran
9: Druckzuleitung
11: Elektrode
13: Gegenelektrode
15: Primärsignalpfad
17: Gehäuse
19: Öffnung
21: Absatz
23: Gegenlager
25: Spannfeder
27: Anpassungskörper
29: Dichtung
31: Anpassungskörper
33: Anpassungskörper
35: Dichtung
37: Strukturelemente
39: Schicht
41: Schicht
43: Vorsprung
45: Vorsprung
47: Vorsprung
49: Vorsprung
51: Gehäuse
53: Differenzdruckmesszelle
55: Druckübertragungsleitung
57: Gehäusesegment
59: Verbindungsvorrichtung

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 102004057 A1 [0008]
DE 10334854 A1 [0008]
DE 10334845 A1 [0012]
DE 102004057967 A1 [0013]
EP 0984839 B1 [0051]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

IMW-Industriemitteilung Nr. 29 (2004) von Trenke mit dem Titel „Selektives Lasersintern von metallisch/keramischen Schichtstrukturen“ [0052]

Claims

Drucksensor, mit – einem Gehäuse (17, 51), insb. einem metallischen Gehäuse (17, 51), – einer in dem Gehäuse (17, 51) zwischen einem eine Öffnung (19) des Gehäuses (17) außenseitlich allseitig umschließenden Absatz (21) und einem Gegenlager (23) eingespannten Druckmesszelle (1), insb. einer keramischen Druckmesszelle (1), – die eine auf einem Grundkörper (3) unter Einschluss einer Druckmesskammer (5) angeordnete Messmembran (7) aufweist, und – deren Messmembran (7) über die Öffnung (21) mit einem Druck (p) beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem äußeren Rand der Messmembran (7) und dem Absatz (21) ein Anpassungskörper (27, 31, 33) angeordnet ist, der einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der entlang des Anpassungskörper (27, 31, 33) in vom Absatz (21) zur Messmembran (7) verlaufender Richtung von einem einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten (α_M) des Absatzes (21) entsprechenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf einen einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten (α_k) der Messmembran (7) entsprechenden Ausdehnungskoeffizienten absinkt.
Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Anpassungskörper (27, 31, 33) und der Messmembran (7) und zwischen dem Anpassungskörper (27, 31, 33) und dem Absatz (21) jeweils eine Dichtung (29, 35), insb. eine Dichtung (29) aus einem Elastomer oder eine Dichtung (35), insb. eine Flachdichtung, aus einem thermoplastischen Material, insb. aus Polytetrafluorethylen (PTFE), angeordnet ist.
Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anpassungskörper (27) ein zu einem Ring geschlossener Anpassungskörper (27) mit rechteckigem Querschnitt ist.
Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – zwischen dem Anpassungskörper (31) und der Messmembran (7) und zwischen dem Anpassungskörper (31) und dem Absatz (21) jeweils eine Dichtung (35), insb. eine Flachdichtung, insb. eine Dichtung (35) aus einem thermoplastischen Material, insb. aus Polytetrafluorethylen (PTFE), angeordnet ist, – der Anpassungskörper (31) ein zu einem Ring geschlossenen Körper ist, und – der Anpassungskörper (31) auf dessen der Messmembran (7) zugewandten Stirnseite und dessen dem Absatz (21) zugewandten Stirnseite Strukturelemente (37) aufweist.
Drucksensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass – der Anpassungskörper (31) aufeinander aufgebrachte Schichten (S_i) aufweist, – die Strukturelemente (37) zu Ringen geschlossene, insb. kreisringförmige, insb. konzentrische, Stege sind, und – benachbarte Stege durch Nuten voneinander getrennt sind, – die durch eine der Bauhöhe der Strukturelemente (37) entsprechende Anzahl von aufeinander aufgebrachten äußeren Schichten des Anpassungskörpers (27) verlaufen, oder – die in den beiden äußersten Schichten (39, 41) des Anpassungskörpers (31) verlaufen, wobei die äußersten Schichten (39, 41) eine Schichtdicke aufweisen, die größer gleich der Bauhöhe der Strukturelemente (37) ist.
Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – zwischen dem Anpassungskörper (33) und der Messmembran (7) und zwischen dem Anpassungskörper (33) und dem Absatz (21) jeweils eine Dichtung (35), insb. eine Flachdichtung, insb. eine Dichtung (35) aus einem thermoplastischen Material, insb. aus Polytetrafluorethylen (PTFE), angeordnet ist, – der Anpassungskörper (33) ein zu einem Ring geschlossenen Körper ist, und – der Anpassungskörper (33) auf dessen der Messmembran (7) zugewandten Stirnseite und dessen dem Absatz (21) zugewandten Stirnseite jeweils einen in axialer Richtung vorstehenden Vorsprung (43, 45; 47, 49), insb. einen Vorsprung (43, 45; 47, 49), der eine Bauhöhe aufweist, die größer gleich einer Dicke der Dichtung (25) ist, insb. einen zu einem Ring geschlossenen Steg, aufweist.
Drucksensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass – der Anpassungskörper (33) aufeinander aufgebrachte Schichten (S_i) aufweist, und – der der Messmembran (7) zugewandte Vorsprung (43) die äußerste membran-zugewandte Schicht des Anpassungskörpers (33) bildet, und der dem Absatz (21) zugewandte Vorsprung (45) die gegenüberliegende äußerste dem Absatz (21) zugewandte Schicht des Anpassungskörpers (33) bildet, oder die Vorsprünge (47, 49) aus mehreren aufeinander aufgebrachten Schichten des Anpassungskörpers (33) bestehen.
Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anpassungskörper (27, 31, 33) aufeinander angeordnete Schichten (S_i) unterschiedlicher Zusammensetzung, insb. durch Lasersintern von metallische und/oder keramische Anteile enthaltenden Pulverschichten aufeinander aufgebrachte Schichten, aufweist, und – die Schichten (S_i) einen Keramikanteil aufweisen, der größer gleich 0 % und kleiner gleich 100 % ist, und einen Metallanteil aufweisen, der größer gleich 0 % und kleiner gleich 100 % ist, wobei – der Keramikanteil in vom Absatz (21) zur Messmembran (7) verlaufender Richtung (z) von Schicht zu Schicht zunimmt, und – der Metallanteil in vom Absatz (21) zur Messmembran (7) verlaufender verlaufender Richtung (z) von Schicht zu Schicht abnimmt.
Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – der Anpassungskörper (27, 31, 33) aufeinander aufgebrachte Schichten aufweist, und – eine Anzahl (N) der Schichten (S_i) größer gleich einer Differenz (∆α) zwischen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten (α_M) der Messmembran (7) und dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten (α_K) des Absatzes (21) geteilt durch 2 ppm/K, insbesondere größer gleich der Differenz (∆α) geteilt durch 1 ppm/K, insb. größer gleich dem zweifachen der Differenz (∆α) geteilt durch 1 ppm/K, ist.
Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – der Anpassungskörper (27, 31, 33) aufeinander aufgebrachte Schichten (S_i) aufweist, und – die Schichten (S_i) eine Schichtdicke (s) von nicht weniger als 10 µm, insbesondere nicht weniger als 20 µm, insb. nicht weniger als 40 µm aufweisen, und von nicht mehr als 400 µm, insbesondere nicht mehr als 200 µm, insb. nicht mehr als 100 µm aufweisen.
Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – der Anpassungskörper (27, 31, 33) einen Körper mit im Wesentlichen rechteckigem Querschnitt umfasst, der in vom Absatz (21) zur Messmembran (7) verlaufender Richtung eine Höhe (h), und senkrecht dazu eine Breite (d) aufweist, und – ein Produkt aus einem Verhältnis von der Breite (d) des Körpers zur Höhe (h) des Körpers und dem Betrag der Differenz (∆α) der thermischen Ausdehnungskoeffizienten (α_K, α_M) der Messmembran (7) und des Absatzes (21) kleiner als eine Konstante (ξ) mit der Dimension 1/K ist, wobei – die Konstante (ξ) kleiner als 0,1%/K, insbesondere kleiner 500 ppm/K, insb. kleiner als 250 ppm/K, insb. kleiner als 125 ppm/K, insb. kleiner als 60 ppm/K ist, und/oder – die Konstante (ξ) gleich einem Quotient aus einem dimensionslosen Verformungsparameter (C) und einer Temperaturdifferenz (ΔT) zwischen einer maximalen und einer minimalen Temperatur (T_max, T_min), bei der der Drucksensor eingesetzt werden soll, ist, und der Verformungsparameter kleiner als 4%, insb. kleiner als 2%, insb. kleiner als 1% ist.
Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – der Anpassungskörper (27, 31, 33) einen aus aufeinander angeordneten Schichten (S_i) aufgebauten Körper mit im Wesentlichen rechteckigem Querschnitt umfasst, – die einzelnen Schichten (S_i) jeweils eine sich parallel zur Flächennormalen auf die Schicht (S_i) erstreckende Schichtdicke (s) und eine sich senkrecht zur Flächennormalen auf die Schicht (S_i) erstreckende Breite (d_s) aufweisen, und – ein Produkt aus dem Verhältnis der Breite (d_s) der jeweiligen Schicht (S_i) zu deren Schichtdicke (s) und dem Betrag der Differenz (∆α_s ) der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der an diese Schicht (S_i) angrenzenden Schichten (S_i-1, S_i+1) kleiner als eine Konstante (ξ) mit der Dimension 1/K ist, wobei – die Konstante (ξ) kleiner als 0,1%/K, insbesondere kleiner 500 ppm/K, insb. kleiner als 250 ppm/K, insb. kleiner als 125 ppm/K, insb. kleiner als 60 ppm/K ist, und/oder – die Konstante (ξ) gleich einem Quotient aus einem dimensionslosen Verformungsparameter (C) und einer Temperaturdifferenz (ΔT) zwischen einer maximalen und einer minimalen Temperatur (T_max, T_min), bei der der Drucksensor eingesetzt werden soll, ist, und der Verformungsparameter kleiner als 4%, insb. kleiner als 2%, insb. kleiner als 1% ist.
Drucksensor nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass – die Druckmesszelle eine Differenzdruckmesszelle (53) ist, – die eine zweite auf dem Grundkörper (3) unter Einschluss einer Druckmesskammer (5) angeordnete über eine zweite Öffnung (21) im Gehäuse (51) mit einem zweiten Druck (p₂) beaufschlagbare Messmembran (7) aufweist, und – zwischen einem äußeren Rand der zweiten Messmembran (7) und einem die zweite Öffnung (21) außenseitlich umgebenden zweiten Absatz (21) ein zweiter Anpassungskörper (27, 31, 33) angeordnet ist, der einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der entlang des zweiten Anpassungskörpers (27, 31, 33) in vom zweiten Absatz (21) zur zweiten Messmembran (7) verlaufender Richtung von einem dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten (α_M) des zweiten Absatzes (21) entsprechenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf einen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten (α_k) der zweiten Messmembran (7) entsprechenden Ausdehnungskoeffizienten absinkt.
Verfahren zur Herstellung eines aus Schichten aufgebauten Anpassungskörpers (27, 31, 33) für einen Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die einzelnen Schichten (S_i) erzeugt werden, indem eine Metallpulver und Keramikpulver in einem der Zusammensetzung der jeweiligen Schicht (S_i) entsprechenden Mischungsverhältnis in durchmischter Form enthaltende Pulverschicht aufgebracht, und durch Lasersintern verfestigt wird, oder – die einzelnen Schichten (S_i) erzeugt werden, indem eine der Zusammensetzung der jeweiligen Schicht (S_i) entsprechende Menge Metallpulver und eine der Zusammensetzung der jeweiligen Schicht (S_i) entsprechende Menge Keramikpulver jeweils als Pulverschicht aufeinander aufgebracht werden, und die beiden Pulverschichten durch Lasersintern durchmischt und verfestigt werden.