DE102021102046A1 - Medienbeständiger drucksensor für grosse druckbereiche - Google Patents

Abstract

Ein Drucksensor (10; 20; 30) umfasst ein Gehäuse (11), eine flexible Membran (12), welche zusammen mit dem Gehäuse (11) einen hermetisch abgeschlossenen Hohlraum (13) bildet, ein in dem Hohlraum (13) angeordnetes Sensorelement (14), und ein in dem Hohlraum (13) befindliches gasförmiges Medium (15).

Description

• TECHNISCHES GEBIET
• Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Drucksensor und die Verwendung desselben zur Druckmessung.
• HINTERGRUND
• Auf dem Gebiet der Elektromobilität gewinnt die Brennstoffzelle zunehmend an Bedeutung. Der für ihren Betrieb benötigte Wasserstoff muss unter hohen Drücken (bis zu 700 Bar oder mehr) gespeichert und transportiert werden. Die Bereitstellung der hierfür benötigten Infrastruktur beinhaltet den Aufbau von lokalen Generatoren zur Wasserstoffherstellung bis hin zu der Distribution über Wasserstofftankstellen. Dabei kommt dem Einsatz von Drucksensoren in Wasserstoffbehältern, Rohrverbindungen und dergleichen eine große Bedeutung zu. Auch in anderen Bereichen und in Verbindung mit anderen Medien kommen Drucksensoren, insbesondere für weite Druckbereiche, vermehrt zum Einsatz.
• Insbesondere die hohen Drücke und chemischen Eigenschaften von Wasserstoff stellen eine besondere Herausforderung für Drucksensoren dar. Zum einen ist es wichtig, sowohl niedrige bis mittlere als auch hohe Drücke von 700 bar oder mehr in Wasserstoffbehältern und dergleichen möglichst präzise zu messen. Zum anderen hat Wasserstoff u.a. die Eigenschaft, sich in die Gitterstruktur von Metallen einzubauen, was zu einer Werkstoffversprödung führen kann und damit die Materialien zerstören kann. Dieser Diffusionsprozess wird durch das Vorherrschen von hohen Drücken und Temperaturen auch noch beschleunigt. Auch andere Medien als Wasserstoff können ein Problem für die Beständigkeit der Materialien von Drucksensoren darstellen.
• Aus diesen und anderen Gründen besteht die Notwendigkeit der vorliegenden Offenbarung.
• KURZDARSTELLUNG
• Verschiedene Aspekte betreffen einen Drucksensor, umfassend ein Gehäuse, eine flexible Membran, welche zusammen mit dem Gehäuse einen hermetisch abgeschlossenen Hohlraum bildet, ein in dem Hohlraum angeordnetes Sensorelement, und ein in dem Hohlraum befindliches gasförmiges Medium.
• Verschiedene Aspekte betreffen die Verwendung eines Drucksensors bei einer druckführenden Einrichtung wie einem Behälter, einem Rohr oder einer Leitung, wobei der Drucksensor ein Gehäuse, eine flexible Membran, welche zusammen mit dem Gehäuse einen hermetisch abgeschlossenen Hohlraum bildet, ein in dem Hohlraum angeordnetes Sensorelement, und ein in dem Hohlraum befindliches gasförmiges Medium umfasst.
• Figurenliste
• Ein Drucksensor gemäß der Offenbarung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Die in den Zeichnungen gezeigten Elemente sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu relativ zueinander wiedergegeben. Identische Bezugszeichen können identische Komponenten bezeichnen. Gleiche Referenznummern bezeichnen entsprechende gleiche oder ähnliche Teile.
• 1 enthält 1A und 1B und zeigt ein prinzipielles Ausführungsbeispiel für einen Drucksensor in einem vertikalen Längsschnitt (A) und einem horizontalen Querschnitt entlang Achse B-B in 1A (B).
• 2 enthält 2A und 2B und zeigt ein Ausführungsbeispiel eines innerhalb eines TO-ähnlichen Gehäuses angeordneten Drucksensors in einem vertikalen Längsschnitt (A) und einem horizontalen Querschnitt entlang Achse B-B in 2A (B).
• 3 enthält 3A und 3B und zeigt als Ausführungsbeispiel einen Drucksensor mit Metallbalg in einem vertikalen Längsschnitt (A) und einem horizontalen Querschnitt entlang Achse B-B in 3A (B).
• 4 enthält 4A und 4B auf und zeigt schematisch zur Illustration der geometrischen Verhältnisse einen Drucksensor ohne Drucklast (A) und einen Drucksensor mit Drucklast (B).
• 5 enthält 5A, 5B und 5C und zeigt schematisch eine Membran, beispielsweise eine Edelstahlmembran, in einer Draufsicht (A) und in einem seitlichen Querschnitt (B) sowie ein Diagramm, welches die Durchbiegung der Membran in Abhängigkeit vom Ort auf der Membran zeigt (C).
• 6 enthält 6A, 6B und 6C und zeigt schematisch eine Edelstahlmembran in einer Draufsicht (A) und in einem seitlichen Querschnitt (B) sowie ein Diagramm, welches die Druckänderung innerhalb des Hohlraums in Abhängigkeit von der äußeren Druckbelastung zeigt.
• DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
• In der folgenden detaillierten Beschreibung wird auf die beiliegenden Zeichnungen verwiesen, die einen Teil dieser Beschreibung bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt werden, in denen die Offenbarung praktiziert werden kann. Dabei wird eine richtungsweisende Terminologie wie „oben“, „unten“, „vorne“, „hinten“, „führend“, „nachlaufend“ usw. in Bezug auf die Ausrichtung der zu beschreibenden Figur(en) verwendet. Da die Bestandteile von Ausführungsformen in verschiedenen Orientierungen positioniert werden können, wird die Richtungsbezeichnung zur Veranschaulichung verwendet und ist in keiner Weise einschränkend. Es ist zu verstehen, dass auch andere Ausführungsformen verwendet und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne dass der Umfang der vorliegenden Offenbarung überschritten wird. Die folgende detaillierte Beschreibung ist daher nicht einschränkend zu verstehen, und der Umfang der vorliegenden Offenbarung wird durch die beigefügten Ansprüche definiert.
• Es ist zu beachten, dass die Merkmale der verschiedenen hier beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben.
• Wie in dieser Beschreibung verwendet, bedeuten die Begriffe „geklebt“, „befestigt“, „verbunden“, „gekoppelt“ und/oder „elektrisch verbunden/elektrisch gekoppelt“ nicht, dass die Elemente oder Schichten direkt miteinander kontaktiert werden müssen; zwischen den „geklebten“, „befestigten“, „verbundenen“, „gekoppelten“ und/oder „elektrisch verbundenen/elektrisch gekoppelten“ Elementen können Zwischenelemente oder -schichten vorgesehen werden. Gemäß der Offenbarung können die oben genannten Begriffe jedoch optional auch die spezifische Bedeutung haben, dass die Elemente oder Schichten direkt miteinander kontaktiert werden, d. h. dass keine Zwischenelemente oder -schichten zwischen den „geklebten“, „befestigten“, „verbundenen“, „gekoppelten“ und/oder „elektrisch verbundenen/elektrisch gekoppelten“ Elementen vorgesehen sind.
• Ferner kann das Wort „über“, das in Bezug auf ein Teil, ein Element oder eine Materialschicht verwendet wird, die „über“ einer Oberfläche gebildet oder angeordnet ist, hierin bedeuten, dass das Teil, das Element oder die Materialschicht „indirekt“ auf der implizierten Oberfläche angeordnet (z. B. platziert, gebildet, abgeschieden usw.) wird, wobei ein oder mehrere zusätzliche Teile, Elemente oder Schichten zwischen der implizierten Oberfläche und dem Teil, dem Element oder der Materialschicht angeordnet werden. Das Wort „über“, das in Bezug auf ein Teil, ein Element oder eine Materialschicht verwendet wird, das/die „über“ einer Oberfläche gebildet oder angeordnet ist, kann jedoch optional auch die spezifische Bedeutung haben, dass das Teil, das Element oder die Materialschicht „direkt auf“, z.B. in direktem Kontakt mit der implizierten Oberfläche, angeordnet (z.B. platziert, geformt, abgeschieden usw.) wird.
• 1 zeigt ein prinzipielles Ausführungsbeispiel eines Drucksensors gemäß der vorliegenden Offenbarung.
• Der Drucksensor 10 gemäß 1 enthält ein Gehäuse 11, eine flexible Membran 12, welche zusammen mit dem Gehäuse 11 einen hermetisch abgeschlossenen Hohlraum 13 bildet, ein in dem Hohlraum 13 angeordnetes Sensorelement 14, und ein in dem Hohlraum 13 befindliches gasförmiges Medium 15.
• Der zu messende, auf die Membran von außen einwirkende Druck P ist in der 1 durch Pfeile angedeutet. Das Sensorelement 14 misst nicht direkt den auf die Membran von außen einwirkenden Druck P, sondern detektiert eine Änderung einer physikalischen Größe, die sich dadurch ergibt, dass die Membran 12 durch den äußeren Druck P um einen bestimmten Betrag nach innen in den Hohlraum 13 gedrückt wird und eine Position einnimmt, wie sie mit der Bezugsziffer 12A gekennzeichnet ist. Der Drucksensor kann nach seiner Funktionsweise als ein Drucktransmitter oder Drucküberträger ausgestaltet sein. Der von außen auf die Membran 12 einwirkende Druck P presst die Membran um einen bestimmten Volumenbetrag ΔV, das Verdrängungsvolumen, in den Hohlraum 13, wodurch das Volumen des Hohlraums 13 um diesen Volumenbetrag ΔV verkleinert wird und der Druck des gasförmigen Mediums 15 vergrößert wird. Diese Druckvergrößerung kann durch ein als Drucksensor ausgebildetes Sensorelement 14 gemessen werden und dient als Maß für den außen herrschenden Druck. Nach Durchführung einer Kalibration kann in einer auf einem ASIC angeordneten Auswerteschaltung eine Kalibrationskurve gespeichert werden. Der ASIC kann entweder zusammen mit dem Sensorelement auf einem gemeinsamen Halbleiterdie integriert oder als davon getrenntes Bauelement in oder außerhalb des Hohlraums bereitgestellt werden.
• Neben der Druckänderung innerhalb des Hohlraums 13 kann aber auch eine andere physikalische Größe gemessen werden, die durch die nach innen gedrückte Membran 12 eine Änderung erfährt. Beispielsweise kann die Auslenkung der Membran 12 gemessen werden, wobei in diesem Fall das Sensorelement 12 als optischer oder Ultraschallsensor ausgebildet sein kann, der beispielsweise durch Laufzeitmessung eines vom Sensorelement emittierten und an der Membran reflektierten optischen oder Schallimpulses die Absenkung der Membran bestimmt. Dies wird weiter unten noch an einem konkreten Ausführungsbeispiel näher beschrieben.
• Das Sensorelement 14 kann demzufolge einer oder mehr aus einer Gruppe aufweisen, welche enthält einen Drucksensor, einen thermischen Leitfähigkeitssensor, einen Schallgeschwindigkeitssensor, einen Pellistor, einen katalytischen Sensor, einen induktiven Sensor, einen kapazitiven Sensor, einen resistiven Sensor, einen optischen Sensor, oder einen magnetischen Sensor.
• Unabhängig von der Funktions- und Arbeitsweise des Sensorelements 14 kann das Sensorelement 14 als ein mikro-elektro-mechanischer Sensor (MEMS) aufgebaut und hergestellt sein.
• Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das gasförmige Medium 15 Luft, insbesondere Luft unter Atmosphärendruck. Dies erleichtert den Herstellungsprozess, da während der Befestigung der Membran an dem Gehäuse keine künstliche Atmosphäre eines anderen Gases bereitgestellt werden muss. Da alle Gase kompressibel sind, kann aber prinzipiell auch jedes andere gasförmige Medium verwendet werden.
• Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die flexible Membran 12 aus einem Metall, insbesondere aus Stahl oder Edelstahl hergestellt ist. Auch das Gehäuse 11 kann aus Metall, insbesondere aus Stahl oder Edelstahl, hergestellt sein. Dadurch wird bestmögliche Resistenz des Drucksensors gegenüber aggressiven Medien wie Wasserstoff hergestellt.
• Wie noch in weiteren Ausführungsformen zu sehen sein wird, kann die flexible Membran 12 eine Lamellenstruktur aufweisen. Diese kann in Form von konzentrischen Kreisen um einen Mittelpunkt der Membran bereitgestellt werden, wobei die Membran in jedem dieser konzentrischen Kreise gewellt ist. Damit wird erreicht, dass die Membran ungehindert dem äußeren Druck nachgeben und sich in den Hohlraum erstrecken kann. Die Membran nutzt gewissermaßen das Material der gewellten Bereiche, um sich in den Hohlraum auszudehnen. Zu diesem Zweck kann jedoch auch eine andere geeignete Membranausführung als eine Lamellenstruktur vorgesehen sein. Insbesondere für kleinere Drücke ist auch der Einsatz von einer Membran ohne derartige Strukturen denkbar.
• Wie ebenfalls noch in weiteren Ausführungsformen zu sehen sein wird, kann das Gehäuse des Drucksensors eine Befestigungsstruktur aufweisen, welche konfiguriert ist den Drucksensor mit einem externen Befestigungselement zu verbinden. Das kann beispielsweise ein Außengewinde, ein Innengewinde oder eine Schnappverbindung sein. Das externe Befestigungselement kann beispielsweise an der Innenwand eines Wasserstofftanks oder einer Rohrleitung angeordnet sein und stellt das Gegenstück der Befestigungsstruktur sein.
• 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Drucksensors in einem vertikalen Längsschnitt (A) und einem horizontalen Querschnitt entlang Achse B-B in 2A (B).
• Der Drucksensor 20 gemäß 2 enthält ein Gehäuse 21, eine flexible Membran 22, welche zusammen mit dem Gehäuse 21 einen hermetisch abgeschlossenen Hohlraum 23 bildet, ein in dem Hohlraum 23 angeordnetes Sensorelement 24, und ein in dem Hohlraum 23 befindliches gasförmiges Medium 25. 2A zeigt auch wieder die Membran 22A im eingedrückten Zustand.
• Das Gehäuse 21 des Drucksensors 20 ist mehrteilig aufgebaut. Es weist eine kreisförmige metallische Bodenplatte 21.1 auf, auf dessen oberer Oberfläche das Sensorelement 24 aufgebracht ist. Zusätzlich zu dem Sensorelement 24 ist ein ASIC-Halbleiterdie 26 auf der oberen Oberfläche der Bodenplatte 21.1 aufgebracht, welcher mit dem Sensorelement 24 durch beispielsweise einen Bonddraht elektrisch verbunden ist. Mit den Halbleiterdies 24 und 26 sind Pins 27 elektrisch verbunden, die durch die Bodenplatte 21.1 geführt werden und aus deren unteren Oberfläche als externe Kontaktelemente herausragen. Auf den Randbereich der Bodenplatte 21.1 ist eine zylinderförmige Gehäusewand 21.2 aufgebracht, zwischen deren Innenwand sich die Membran 22 befindet. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Hohlraum also durch die Bodenplatte 21.1, die zylinderförmige Gehäusewand 21.2 und die Membran 22 gebildet. Dieser Teil des Drucksensors 20 ähnelt somit einem TO-Package.
• Darüber hinaus weist das Gehäuse 21 einen oberen zylindrischen Metallblock 21.3 auf, dessen unterer Abschnitt einen Außendurchmesser aufweist, der geringfügig kleiner ist als der Innendurchmesser der zylinderförmigen Gehäusewand 21.2. Mit diesem unteren Abschnitt ist der Metallblock 21.3 in den oberen Abschnitt der zylinderförmigen Gehäusewand 21.2 eingeschoben. Der zylindrische Metallblock 21.3 weist des Weiteren eine innere Bohrung auf, welche zwei Abschnitte unterschiedlichen Durchmessers aufweist. Während ein erster oberer Abschnitt 21.3A mit einem relativ geringen Durchmesser von der oberen Oberfläche ausgehend sich nach unten erstreckt, schließt sich daran ein zweiter unterer Abschnitt 21.3B mit einem relativ großen Durchmesser an, wobei die Membran 22 unterhalb dieses zweiten Abschnitts 21.3B angeordnet ist und beispielsweise an den unteren Rand des unteren Abschnitts 21.3B befestigt sein kann. Wie durch den Pfeil P angedeutet, strömt das Gas durch den oberen Abschnitt 21.3A und füllt dann den unteren Abschnitt 21.3B aus.
• Wie ebenfalls in 2A zu sehen ist, weist ein oberer Abschnitt des Metallblocks 21.3 ein Außengewinde auf, mit welchem der Drucksensor 20 beispielsweise in eine ein Innengewinde aufweisende Bohrung einer Wand einer druckführenden Einrichtung wie beispielsweise eines Druckbehälters wie eines Wasserstofftanks oder einer Rohrleitung eingesetzt werden kann.
• 3 enthält 3A und 3B und zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Drucksensors in einem vertikalen Längsschnitt (A) und einem horizontalen Querschnitt entlang Achse B-B in 3A (B).
• Der Drucksensor 30 gemäß 3 enthält ein Gehäuse 31, eine flexible Membran 32, welche zusammen mit dem Gehäuse 31 einen hermetisch abgeschlossenen Hohlraum 33 bildet, ein in dem Hohlraum 33 angeordnetes Sensorelement 34, und ein in dem Hohlraum 33 befindliches gasförmiges Medium 35. 3A zeigt auch wieder die Membran 32A im eingedrückten Zustand. Das Gehäuse 31 ist also sowohl als Aufnahme für die Sensorik (Platine, Sensorelement, Schaltungselemente) als auch als Abdichtung der Druckkammer des Sensors zu verstehen.
• Das Gehäuse 31 des Drucksensors 30 enthält einen zylindrischen Metallblock 31.1, der eine zentrale Bohrung aufweist. Die zentrale Bohrung weist einen ersten oberen Abschnitt mit relativ großem Durchmesser und einen sich an den ersten Abschnitt anschließenden zweiten unteren Abschnitt mit relativ geringem Durchmesser auf. Die Membran 32A ist an dem oberen Rand des oberen Abschnitts befestigt, so dass der obere Abschnitt den Hohlraum 33 bildet. In den zweiten unteren Abschnitt der Bohrung ist ein Pfropfen 31.2 derart eingesetzt, dass seine obere Oberfläche und eine obere Oberfläche des Metallblocks 31.1 innerhalb des ersten oberen Abschnitts der Bohrung einander koplanar sind. Auf der oberen Oberfläche des Pfropfens 31.2 ist eine PCB 37 angeordnet, auf welche das Sensorelement 34 befestigt ist. Ebenfalls auf der PCB 37 ist ein ASIC-Halbleiterdie 36 aufgebracht, welcher mit dem Sensorelement 34 durch einen Bonddraht elektrisch verbunden ist. Mit den Halbleiterdies 34 und 36 sind Pins 38 elektrisch verbunden, die durch den Pfropfen 31.2 geführt werden und aus deren unteren Oberfläche als externe Kontaktelemente herausragen. Im vorliegenden Fall ragen sie in eine nach außen offene untere zentrale Bohrung des Metallblocks 31.1.
• Die in 3 gezeigte Ausführungsform beinhaltet eine in dem Hohlraum 33 vorhandene offene Drahtverbindung zwischen dem Sensorelement 34 und dem ASIC-Chip 36. Andere Ausführungsformen sind denkbar, die keine offene Drahtverbindung aufweisen. So kann beispielsweise das Sensorelement (z.B. MEMS-Chip) und der ASIC-Chip auf einem gemeinsamen Träger (Substrat) angeordnet werden. Das Sensorelement, insbesondere als MEMS-Chip, kann auch zusammen mit dem ASIC-Chip auf einem einzigen Halbleiterdie monolithisch integriert sein. Schließlich ist auch denkbar, Sensorelement und ASIC-Chip als ein SMD-Package (surface mount device) herzustellen, welches kundenseitig auf eine Platine montiert wird.
• Wie ebenfalls in 3A zu sehen ist, weist ein oberer Abschnitt des Metallblocks 31.1 ein Außengewinde auf, mit welchem der Drucksensor 30 beispielsweise in eine ein Innengewinde aufweisende Bohrung einer Wand einer druckführenden Einrichtung wie eines Druckbehälters, etwa eines Wasserstofftanks oder einer Rohrleitung, eingesetzt werden kann.
• 4 enthält 4A und 4B auf und zeigt schematisch einen Drucksensor ohne Drucklast (A) und einen Drucksensor mit Drucklast (B).
• Mit den in 4 angegebenen Parametern, nämlich V_pkg, p_pkg, T_pkg (Volumen, Druck, Temperatur ohne Drucklast) und V'_pkg, p'_pkg, T'_pkg (Volumen, Druck, Temperatur mit Drucklast), lassen sich die folgenden Berechnungen hinsichtlich der Anforderungen an einen als Drucksensor ausgelegtes Sensorelement .
• Unter der Annahme eines idealen Gases für das im Hohlraum eingeschlossene gasförmige Medium gilt zunächst: $$\blacksquare \frac{p_{pkg}}{p_{pkg}^{\text{'}}}=\frac{v_{pkg}^{\text{'}}}{v_{pkg}}$$

  

  $$\blacksquare p_{pkg}^{\text{'}}=\frac{p_{pkg}\cdot v_{pkg}}{v_{pkg}^{\text{'}}}=\frac{p_{pkg}\cdot v_{pkg}}{\left(v_{pkg}-\Delta v_{pkg}\right)}$$

  

  $$\blacksquare \Delta p_{pkg}:=p_{pkg}^{\text{'}}-p_{pkg}$$

  

  $$\blacksquare \Delta p_{pkg}=\frac{p_{pkg}\cdot v_{pkg}}{\left(v_{pkg}-\Delta v_{pkg}\right)}-p_{pkg}$$

  
• Ferner wird ein zylinderförmiger Hohlraum mit einem Radius r = 0.5 cm und einer Höhe h = 0.6 cm angenommen. Daraus ergibt sich Folgendes unter Annahme einer konstanten Temperatur im Hohlraum.
• > $T_{pkg}=T_{pkg}^{\text{'}}$
  
• > V_pkg = πr² · h = π · 0.5² · 0.6 cm³ ≈ 0.5cm³
• > p_pkg = 1bar = 1000hPa
• > Drucklast:
• > p₀ E [0 - 1000] bar
• Geht man ferner von einem Drucksensor mit folgenden Messparametern aus:
• > Druckbereich 300-1200hPa → 900hPa
• > Absolute Genauigkeit +/-1hPa
• > => dann kann der Sensor 900/1=900 „Druckstufen“ auflösen
• Daraus ergibt sich die folgende Minimalbedingung um einen bestimmten Druckbereich aufzulösen: $$>\frac{max\Delta p_{pkg}}{min\Delta p_{pkg}}<900$$

  
• 5 enthält 5A, 5B und 5C und zeigt schematisch eine Membran in einer Draufsicht (A) und in einem seitlichen Querschnitt (B) sowie ein Diagramm, welches die Durchbiegung der Membran in Abhängigkeit vom Ort auf der Membran zeigt (C). Die Membran kann beispielsweise aus Edelstahl gefertigt sei, wobei auch andere Materialien wie Titan oder Metalllegierungen aus Al, Cu, Zn, oder auch Kunststoffe denkbar sind.
• Für die Durchbiegung der Membran gilt folgende Formel: $$w\left(r\right)=\frac{3\left(1-v^2\right)\cdot a^4\cdot p_0}{16E{h}^3}\cdot {\left(1-{\left(\frac{r}{a}\right)}^2\right)}^2$$

  

  wobei gilt:

w

Durchbiegung

ν

Poissonzahl

a

Radius

p0

Drucklast

E

Young's Modul

h

Membrandicke

• Daraus lässt sich das Verdrängungsvolumen wie folgt berechnen. $$\begin{array}{l}N\\ =\frac{E\cdot h^3}{12\cdot \left(1-v^2\right)}\end{array}$$

  

  $$w_0=w\left(0\right)=\frac{a^4\cdot p_0}{64N}$$

  

  $$r\left(w\right)=\sqrt{a^2-\frac{8\sqrt{N}\sqrt{w_0}}{\sqrt{p_0}}}$$

  

  $$\Delta v_{pkg}=\pi \cdot {\displaystyle \underset{0}{\overset{w_0}{\int }}{r}^2\left(w\right)dw}$$

  

  $$=\pi {{\displaystyle \underset{0}{\overset{w_0}{\int }}\left(\sqrt{a^2-\frac{8\sqrt{N}\sqrt{w_0}}{\sqrt{p_0}}}\right)}}^{2}dw=\pi \cdot \left(a^2{w}_0-\frac{16\sqrt{N}{w}_0{}^{\frac{3}{2}}}{3\sqrt{p_0}}\right)$$

  
• 6 zeigt ein Diagramm, welches die Druckänderung innerhalb des Hohlraums in Abhängigkeit von der äußeren Druckbelastung zeigt.
• Für die Kurven gelten die folgenden Werte von a und h von unten nach oben (die Größen a und h sind in 5A und 5B gezeigt):
• a = 2.5 mm; h = 400 µm
• a = 5.0 mm; h = 600 µm
• a = 5.0 mm; h = 400 µm
• a = 5.0 mm; h = 200 µm
• a = 7.5 mm; h = 400 µm
• Der mit dem breiten Pfeil gezeigte Bereich bestimmt den minimal auflösbaren Druckbereich. Für die Kurve mit den Parametern a = 5.0 mm und h = 400 µm gilt eine Drucktranslation von 100bar/10mbar = 10⁴, FS-Bereich 100 bar, absolute Genauigkeit 0.1 bar.
• Die in der 6 gezeigten Resultate beziehen sich auf eine planare Volumenmembran. Diese Beispielrechnung ist ein Nachweis für die generelle Funktionalität. Angepasst an die jeweiligen Geometrien und Drücke werden handelsübliche Metallmembranen als auch konfektionierte Membranen wesentlich bessere Performance zeigen.
• BEISPIELE
• Im Folgenden werden Vorrichtungen und Verfahren gemäß der Offenbarung anhand von Beispielen erläutert.
• Beispiel 1 ist ein Drucksensor, umfassend ein Gehäuse, eine flexible Membran, welche zusammen mit dem Gehäuse einen hermetisch abgeschlossenen Hohlraum bildet, ein in dem Hohlraum angeordnetes Sensorelement, und ein in dem Hohlraum befindliches gasförmiges Medium.
• Beispiel 2 ist der Drucksensor nach Beispiel 1, bei welchem das gasförmige Medium Luft ist.
• Beispiel 3 ist der Drucksensor nach Beispiel 2, bei welchem die Luft unter Atmosphärendruck oder einem für die Anwendung nötigen Über- oder Unterdruck steht.
• Beispiel 4 ist der Drucksensor nach einem der vorherigen Beispiele, bei welchem die flexible Membran aus einem Metall hergestellt ist.
• Beispiel 5 ist der Drucksensor nach Beispiel 4, bei welchem das Metall Stahl oder Edelstahl ist.
• Beispiel 6 ist der Drucksensor nach einem der vorherigen Beispiele, bei welchem die flexible Membran eine Lamellenstruktur aufweist.
• Beispiel 7 ist der Drucksensor nach einem der vorherigen Beispiele, bei welchem das Sensorelement ein mikro-elektro-mechanischer Sensor (MEMS) ist.
• Beispiel 8 ist der Drucksensor nach einem der vorherigen Beispiele, bei welchem das Sensorelement einen oder mehr aus einer Gruppe aufweist, welche enthält einen Drucksensor, einen thermischen Leitfähigkeitssensor, einen Schallgeschwindigkeitssensor, einen Pellistor, einen katalytischen Sensor, einen induktiven Sensor, einen kapazitiven Sensor, einen resistiven Sensor, einen optischen Sensor, oder einen magnetischen Sensor.
• Beispiel 9 ist ein Drucksensor nach einem der vorherigen Beispiel, welcher resistent gegenüber aggressiven Medien ist.
• Beispiel 10 ist ein Drucksensor nach Beispiel 9, welcher resistent gegenüber Wasserstoff ist.
• Beispiel 11 ist ein Drucksensor nach einem der vorherigen Beispiele, bei welchem das Gehäuse eine Befestigungsstruktur aufweist, welche konfiguriert ist den Drucksensor mit einem externen Befestigungselement zu verbinden.
• Beispiel 12 ist ein Drucksensor nach Beispiel 11, bei welchem die Befestigungsstruktur ein Außengewinde, ein Innengewinde oder eine Schnappverbindung aufweist.
• Beispiel 13 ist ein Drucksensor nach einem der vorherigen Beispiele, bei welchem das Sensorelement zusammen mit einem ASIC, welcher eine Auswerteschaltung enthält, auf einem Halbleiterdie monolithisch integriert ist.
• Beispiel 14 ist ein Drucksensor nach einem der Beispiele 1 bis 12, welcher zusätzlich zu dem Sensorelement einen Halbleiterdie mit einem darauf angeordneten ASIC aufweist, welcher eine Auswerteschaltung enthält.
• Beispiel 15 ist die Verwendung eines Drucksensors bei einer druckführenden Einrichtung wie einem Behälter, einem Rohr oder einer Leitung, wobei der Drucksensor ein Gehäuse, eine flexible Membran, welche zusammen mit dem Gehäuse einen hermetisch abgeschlossenen Hohlraum bildet, ein in dem Hohlraum angeordnetes Sensorelement, und ein in dem Hohlraum befindliches gasförmiges Medium umfasst.
• Obwohl hier spezifische Ausführungsformen illustriert und beschrieben wurden, werden diejenigen, die sich in der Kunst gewöhnlich auskennen, es zu schätzen wissen, dass eine Vielzahl von alternativen und/oder gleichwertigen Implementierungen können die gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsformen ersetzen, ohne dass der Umfang der vorliegenden Offenbarung überschritten wird. Dieser Antrag soll alle Anpassungen oder Variationen der hier besprochenen spezifischen Ausführungsformen abdecken. Es ist daher beabsichtigt, dass diese Offenbarung nur durch die Ansprüche und deren Äquivalente beschränkt wird.

Claims (15)

1. Drucksensor (10; 20; 30), umfassend ein Gehäuse (11); eine flexible Membran (12), welche zusammen mit dem Gehäuse (11) einen hermetisch abgeschlossenen Hohlraum (13) bildet; ein in dem Hohlraum (13) angeordnetes Sensorelement (14); und ein in dem Hohlraum (13) befindliches gasförmiges Medium (15) .
2. Drucksensor (10; 20; 30) nach Anspruch 1, bei welchem das gasförmige Medium (15) Luft ist.
3. Drucksensor (10; 20; 30) nach Anspruch 2, bei welchem die Luft unter Atmosphärendruck oder unter einem Über- oder Unterdruck steht.
4. Drucksensor (10; 20; 30) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei welchem die flexible Membran (12) aus einem Metall hergestellt ist.
5. Drucksensor (10; 20; 30) nach Anspruch 4, bei welchem das Metall Stahl oder Edelstahl ist.
6. Drucksensor (10; 20; 30) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei welchem die flexible Membran (14) eine Lamellenstruktur aufweist.
7. Drucksensor (10; 20; 30) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei welchem das Sensorelement (14) ein mikro-elektro-mechanischer Sensor (MEMS) ist.
8. Drucksensor (10; 20; 30) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei welchem das Sensorelement (14) einen oder mehr aus einer Gruppe aufweist, welche enthält einen Drucksensor, einen thermischen Leitfähigkeitssensor, einen Schallgeschwindigkeitssensor, einen Pellistor, einen katalytischen Sensor, einen induktiven Sensor, einen kapazitiven Sensor, einen resistiven Sensor, einen optischen Sensor, oder einen magnetischen Sensor.
9. Drucksensor (10; 20; 30) nach einem der vorherigen Ansprüche, welcher resistent gegenüber aggressiven Medien ist.
10. Drucksensor (10; 20; 30) nach Anspruch 9, welcher resistent gegenüber Wasserstoff ist.
11. Drucksensor (10; 20; 30) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei welchem das Gehäuse (11) eine Befestigungsstruktur aufweist, welche konfiguriert ist den Drucksensor (10) mit einem externen Befestigungselement zu verbinden.
12. Drucksensor (10, 20; 30) nach Anspruch 11, bei welchem die Befestigungsstruktur ein Außengewinde, ein Innengewinde oder eine Schnappverbindung aufweist.
13. Drucksensor (10; 20; 30) nach einem der vorherigen Ansprüche, bei welchem das Sensorelement (14) zusammen mit einem ASIC, welcher eine Auswerteschaltung enthält, auf einem Halbleiterdie monolithisch integriert ist.
14. Drucksensor (10; 20; 30) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, welcher zusätzlich zu dem Sensorelement einen Halbleiterdie mit einem darauf angeordneten ASIC aufweist, welcher eine Auswerteschaltung enthält.
15. Verwendung eines Drucksensors bei einer druckführenden Einrichtung wie einem Behälter, einem Rohr oder einer Leitung, wobei der Drucksensor ein Gehäuse, eine flexible Membran, welche zusammen mit dem Gehäuse einen hermetisch abgeschlossenen Hohlraum bildet, ein in dem Hohlraum angeordnetes Sensorelement, und ein in dem Hohlraum befindliches gasförmiges Medium umfasst.

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