-
Die Erfindung betrifft einen Druckmessaufnehmer zur Bestimmung eines ersten Drucks (p1) eines Mediums, wobei der erste Druck (p1) in Bezug auf einen zweiten Druck (p2) bestimmt wird, wobei der zweite Druck (p2) ein definierter Druck oder ein Atmosphärendruck ist. Der Druckmessaufnehmer umfasst einen Druckmittler mit einer Trennmembran, welche das Medium berührt und mit dem ersten Druck (p1) des Mediums beaufschlagt ist, wobei ein erster hydraulischer Druckübertragungspfad den ersten Druck (p1) von der Trennmembran an eine erste druckempfindliche Fläche eines Drucksensors überträgt, und den Drucksensor, welcher auf der ersten druckempfindlichen Fläche mit dem ersten Druck (p1) und auf einer zweiten der ersten Fläche gegenüberliegenden druckempfindlichen Fläche mit dem zweiten Druck (p2) beaufschlagt ist.
-
Druckmessaufnehmer zur Aufnahme von Drücken werden in der industriellen Druckmesstechnik in der Regel in Absolut-, Relativ- oder Differenzdruckmessgeräten eingesetzt. Typischerweise wirkt der erste Druck des Mediums auf die Trennmembran ein und wird mittels eines ersten hydraulischen Druckübertragungspfades an den Drucksensor übertragen. Der hydraulische Druckübertragungspfad ist in der Regel mit einer Druckmittlerflüssigkeit gefüllt, welche häufig einer nicht unerheblichen thermischen Ausdehnung unterliegen. Derartige Druckmessaufnehmer sind beispielsweise in der
DE 10 2015 103 420 A1 , der
DE 10 2016 124 775 A1 oder der
DE 10 2014 103 142 A1 bekannt geworden.
-
Als Drucksensor wird häufig ein Silizium-Chip verwendet, welcher üblicherweise auf ein Silizium-Substrat gebondet ist. Der Drucksensor gibt einen Druckmesswert ab, der proportional zu dem zu messenden Druck ist. Der Druckmesswert steht somit zu einer weiteren Verarbeitung, Auswertung und/oder Anzeige zur Verfügung. Um eine gute Messempfindlichkeit zu gewährleisten, arbeitet ein Druckmessaufnehmer bevorzugt in einem Bereich, der unterhalb eines kritischen Grenzwertes für den Druck liegt. Wird der kritische Grenzwert überschritten, besteht die Gefahr, dass der Chip zerstört wird.
-
Generell gilt, dass sich Temperaturerhöhungen negativ auf die Trennmembran auswirken, da sich das Volumen der Druckmittlerflüssigkeit, typischerweise ein Silikonöl, mit erhöhter Temperatur ausdehnt, wodurch die Belastung an der Trennmembran zunimmt und diese in das Medium hineingedrückt wird. Im schlimmsten Fall kann dies zu einer irreversiblen, plastischen Verformung der Trennmembran führen.
-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Druckmessaufnehmer bereitzustellen, welcher mit einem geringen Volumen an Druckmittlerflüssigkeit auskommt.
-
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch einen Druckmessaufnehmer zur Bestimmung eines ersten Drucks (p1) eines Mediums, wobei der erste Druck (p1) in Bezug auf einen zweiten Druck (p2) bestimmt wird, wobei der zweite Druck (p2) ein definierter Druck oder ein Atmosphärendruck ist, wobei der Druckmessaufnehmer umfasst:
- - einen Druckmittler mit einer Trennmembran, welche das Medium berührt und mit dem ersten Druck (p1) des Mediums beaufschlagt ist, wobei ein erster hydraulischer Druckübertragungspfad den ersten Druck (p1) von der Trennmembran an eine erste druckempfindliche Fläche eines Drucksensors überträgt,
- - den Drucksensor, welcher auf der ersten druckempfindlichen Fläche mit dem ersten Druck (p1) und auf einer zweiten der ersten Fläche gegenüberliegenden druckempfindlichen Fläche mit dem zweiten Druck (p2) beaufschlagt ist, und
- - einen Füllkörper, auf welchem der Drucksensor aufgebracht ist, wobei im Inneren des Füllkörpers eine Kapillare für die Führung eines zweiten Druckübertragungspfads hin zur zweiten druckempfindlichen Fläche des Drucksensors vorgesehen ist, wobei der zweite Druckübertragungspfad die zweite druckempfindliche Fläche des Drucksensors mit dem zweiten Druck (p2) beaufschlagt.
-
Der Füllkörper weist konstruktionsbedingt an seinen Außenwandungen, welche einem Gehäuse zugewandt sind, typischerweise schmale Spalte auf, in welche die Druckmittlerflüssigkeit gelangen kann. Dies gilt sowohl für die Druckmessaufnehmer aus dem Stand der Technik wie auch für den erfindungsgemäßen Druckmessaufnehmer. Im erfindungsgemäßen Füllkörper ist jedoch im Gegensatz zum Stand der Technik kein zusätzliches Silizium-Substrat nötig, auf welchem der Silizium-Chip aufgebracht ist. Insbesondere ist im erfindungsgemäßen Druckmessaufnehmer kein mit Druckmittlerflüssigkeit gefüllter Hohlraum im Füllkörper für das Einbringen des Silizium-Substrats vorhanden, sondern nur eine Kapillare für die Führung des zweiten hydraulischen Druckübertragungspfades. Im Vergleich zum Stand der Technik reduziert die vorliegende Erfindung die Menge der Druckmittlerflüssigkeit im Füllkörper bzw. im Druckaufnehmer und verringert dadurch die Belastung an der Trennmembran, da diese weniger Druckmittlerflüssigkeit bei höheren Temperaturen aufnehmen muss.
-
Bei einem Druckaufnehmer, der nach dem Stand der Technik insgesamt beispielsweise ca. 200 µl Druckmittlerflüssigkeit, in der Regel Silikonöl, enthält, wäre es mit der vorliegenden Erfindung möglich bis zu 40 µl einzusparen, was fast einem Viertel des vorherigen Gesamtvolumens an Druckmittlerflüssigkeit entspricht.
-
In einer weiteren Ausgestaltung weist das Material des Füllkörpers einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, der mit dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Drucksensors im Wesentlichen übereinstimmt. Je geringer die Unterschiede in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen Füllkörper und Drucksensor sind, desto weniger thermomechanische Spannungen werden vom Füllkörper auf den Drucksensor übertragen. Größere Unterschiede zwischen den thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Drucksensor und Füllkörper können die Messgenauigkeit des Drucksensors verschlechtern und den Temperaturbereich, in dem der Druckmessaufnehmer eingesetzt wird, verkleinern. Der thermische Ausdehnungskoeffizient des Füllkörpers kann beispielsweise in einem Bereich von 1 bis 10 ppm K-1, bevorzugt in einem Bereich von 1 bis 5 ppm K-1, liegen.
-
Im einfachsten Fall kann der Füllkörper aus demselben Material wie der Drucksensor, also beispielsweise Silizium mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 2.6 ppm K-1, gefertigt sein. Aber auch andere Materialien sind denkbar, wie beispielsweise Siliziumcarbid (2.7 ppm K-1) oder Poly(benzoxazole imide) (3.3 ppm K-1).
-
In einer zusätzlichen Ausgestaltung ist der Drucksensor mittels Kleben oder Bonden auf dem Füllkörper aufgebracht. Die Möglichkeiten einen Drucksensor auf ein Substrat bzw. einen Füllkörper aufzubringen, sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Für den Fall der Verwendung eines Klebers sollte ein Kleber ausgewählt werden, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient mit dem des Drucksensors vergleichbar ist.
-
Vorteilhafterweise handelt es sich bei dem Drucksensor um einen Siliziumchip.
-
Bevorzugterweise ist der erste Druck über ein kapazitives oder resistives Messverfahren bestimmbar.
-
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass auf der dem Füllkörper abgewandten Seite des Drucksensors ein Isolierkörper zur elektrischen Abschirmung des Drucksensors vorgesehen ist, der zumindest die dem Isolierkörper zugewandte Fläche des Drucksensors vollständig abdeckt. Das in der Regel metallische Gehäuse, in welches der Füllkörper eingebracht ist, kann prinzipiell elektrische Ladungen an den Drucksensor übertragen und damit die präzise Bestimmung des ersten Drucks durch den Drucksensor beeinträchtigen. Der Isolierkörper soll eben dies verhindern und die Messgenauigkeit des Drucksensors sicherstellen.
-
Vorteilhafterweise ist auf der dem Drucksensor abgewandten Seite des Füllkörpers eine Glasdurchführung zur elektrischen Versorgung des Drucksensors vorgesehen. Der Drucksensor benötigt eine Stromversorgung und in der Regel eine elektrische Verbindung zu externen Geräten, an welchen der bestimmte erste Druck weitergeleitet wird. Elektrische Leitungen werden typischerweise durch eine Glasdurchführung an den Zielort geführt.
-
In einer möglichen Ausgestaltung ist der Druckmessaufnehmer als ein Absolutdruckmessaufnehmer ausgestaltet, wobei der zweite Druckübertragungspfad als ein Hohlraum mit einem definierten Druck ausgestaltet ist. Typischerweise ist in dem Hohlraum ein Vakuum angelegt.
-
In einer anderen möglichen Ausgestaltung ist der Druckmessaufnehmer als ein Relativdruckmessaufnehmer ausgestaltet, wobei der Relativdruckmessaufnehmer eine Referenzdruckzuführung als zweiten Druckübertragungspfad aufweist, welche der zweiten druckempfindlichen Fläche des Drucksensors den Atmosphärendruck in Form von Umgebungsluft zuführt.
-
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
- 1: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Druckmessaufnehmers, welcher als ein Absolutdruckmessaufnehmer ausgestaltet ist.
- 2: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Druckmessaufnehmers, welcher als ein Relativdruckmessaufnehmer ausgestaltet ist
- 3: eine Draufsicht auf den Drucksensor im erfindungsgemäßen Druckmessaufnehmer.
-
Ein erfindungsgemäßer Druckmessaufnehmer 1 dient zur Bestimmung eines ersten Drucks p1, wobei der erste Druck p1 in Bezug auf einen zweiten Druck p2 bestimmt wird, wobei der zweite Druck p2 ein definierter Druck oder ein Atmosphärendruck ist. Der erste Druck p1 ist beispielsweise über ein kapazitives oder resistives Messverfahren bestimmbar, wie aus dem Stand der Technik bekannt.
-
In 1 ist der erfindungsgemäße Druckmessaufnehmer 1 als Absolutdruckmessaufnehmer 1a ausgestaltet. In 2 ist der erfindungsgemäße Druckmessaufnehmer 1 als ein Relativdruckmessaufnehmer 1b ausgestaltet. Sowohl der Absolutdruckmessaufnehmer 1a als auch der Relativdruckmessaufnehmer 1b weisen einen Druckmittler 3 mit einer Trennmembran 4 auf, welche das Medium 2 berührt und mit dem ersten Druck p1 des Mediums 2 beaufschlagt ist. Ein erster hydraulischer Druckübertragungspfad 5 überträgt den ersten Druck p1 von der Trennmembran 4 zu einer ersten druckempfindlichen Fläche 6a des Drucksensors 6. Der Drucksensor 6, beispielsweise ein Silizium-Chip, weist eine erste druckempfindliche Fläche 6a und eine zweite druckempfindliche Fläche 6b auf, welche einander gegenüberliegen und jeweils mit dem ersten Druck p1 und dem zweiten Druck p2 beaufschlagt sind.
-
Der erfindungsgemäße Druckmessaufnehmer 1,1a, 1b weist außerdem einen Füllkörper 7 auf, auf welchen der Drucksensor 6 aufgebracht ist, beispielsweise mittels Kleben oder Bonden. Im Inneren des Füllkörpers 7 ist eine Kapillare 8 vorgesehen, welche zur Führung des zweiten Druckübertragungspfads 9 dient. Der zweite Druckübertragungspfad 9 beaufschlagt die zweite druckempfindliche Fläche 6b des Drucksensors 6 mit dem zweiten Druck p2. Im Beispiel des Absolutdruckmessaufnehmers 1a ist der zweite Druckübertragungspfad 9 als ein Hohlraum 9a mit einem definierten Druck ausgestaltet (vgl. 1). Im Beispiel des Relativdruckmessaufnehmers 1b hingegen ist der zweite Druckübertragungspfad 9 als eine Referenzdruckzuführung 9b ausgestaltet, welche der zweiten druckempfindlichen Fläche 6b des Drucksensors 6 den Atmosphärendruck in Form von Umgebungsluft zuführt (vgl. 2).
-
Im Gegensatz zu herkömmlichen Druckmessaufnehmern, bei welchen der Drucksensor auf einem Substrat aufgebracht ist, welches fast allseitig mit Druckmittlerflüssigkeit umgeben ist, wird beim erfindungsgemäßen Druckmessaufnehmer 1 das Volumen der Druckmittlerflüssigkeit deutlich begrenzt. Durch den Wegfall der umgebenden Druckmittlerflüssigkeit ist der Füllkörper 7 und der Drucksensor 6 gegenüber thermomechanischen Spannungen weniger geschützt. Daher ist es von Vorteil, wenn der Füllkörper 7 beispielsweise aus einem Material mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten besteht, welcher dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Drucksensors 6 im Wesentlichen entspricht. In beiden Fällen wird die Übertragung von thermomechanischen Spannungen auf den Drucksensor 6 von Seiten des Füllkörpers 7 deutlich reduziert, so dass der Drucksensor 6 in seiner Funktion nicht eingeschränkt ist.
-
Zur elektrischen Abschirmung des Drucksensors 6 ist optional ein Isolierkörper 10 vorgesehen, so dass der Drucksensor 6 zwischen dem Isolierkörper 10 und dem Füllkörper 7 angeordnet ist. Der Isolierkörper 10 ist vorzugsweise aus einem nicht-metallischen bzw. nicht-leitenden Material gefertigt. Die zur elektrischen Versorgung des Drucksensors 6 benötigten Kabel werden beispielsweise durch eine Glasdurchführung 11 bereitgestellt, welche auf der dem Drucksensor 6 abgewandten Seite des Füllkörpers 7 angeordnet ist.
-
In 3 ist eine Draufsicht des Drucksensors 6 zu sehen. In dieser Ausgestaltung ist der Drucksensor 6 auf den Füllkörper 7 gebondet, wobei andere Fügemethoden nicht ausgeschlossen sind. In 3 wird deutlich, dass rings um den Drucksensor 6 keine Spalten oder Fugen vorhanden sind, in denen Druckmittlerflüssigkeit gefüllt werden kann.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Druckmessaufnehmer
- 1a
- Absolutdruckmessaufnehmer
- 1b
- Relativdruckmessaufnehmer
- 2
- Medium
- 3
- Druckmittler
- 4
- Trennmembran
- 5
- erster hydraulischer Druckübertragungspfad
- 6
- Drucksensor
- 6a
- erste druckempfindliche Fläche
- 6b
- zweite druckempfindliche Fläche
- 7
- Füllkörper
- 8
- Kapillare
- 9
- zweiter Druckübertragungspfad
- 9a
- Hohlraum
- 9b
- Referenzdruckzuführung
- 10
- Isolierkörper
- 11
- Glasdurchführung
-
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 102015103420 A1 [0002]
- DE 102016124775 A1 [0002]
- DE 102014103142 A1 [0002]
