DE19525038A1

DE19525038A1 - Meßwandler zum Messen eines Druckes, einer Kraft oder einer Beschleunigung

Info

Publication number: DE19525038A1
Application number: DE1995125038
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dipl Phys Brinkhaus
Original assignee: Bricon AG; Metallux AG
Current assignee: Bricon AG; Metallux AG
Priority date: 1994-07-11
Filing date: 1995-07-10
Publication date: 1996-02-01

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der elek tronischen Messung von mechanischen Größen wie Druck, Kraft oder Beschleunigung. Sie betrifft einen Meßwandler zum Messen eines Druckes, einer Kraft, oder einer Beschleunigung, mit einem Keramiksubstrat, welches Keramiksubstrat in einem Membranbereich durch die zu messende Größe auslenkbar ist und in dem Membran bereich auf das Keramiksubstrat aufgebrachte Meßelemente zur Messung der Auslenkung bzw. Dehnung des Keramiksubstrats im Mem branbereich trägt, sowie mit ersten Mitteln zur Befestigung des Keramiksubstrats, welche ersten Mittel ein Trägerteil zur Auf nahme des Keramiksubstrats und ein mit dem Trägerteil verbunde nes Anschlußteil zum Anschluß des Meßwandlers an eine Meß stelle umfassen.

Eine solcher Meßwandler ist z. B. aus der Druckschrift DE-A1-40 18 638 bekannt.

STAND DER TECHNIK

Für die elektrische bzw. elektronische Messung mechanischer Größen wie z. B. den Druck, oder auch die Kraft oder die Be schleunigung wird häufig eine Membran verwendet, deren Auslen kung durch die mechanische Größe mittels einer Meßbrücke aus piezoresistiven Meßelementen, die auf der Membran angeordnet ist, gemessen wird. Piezoresistive Drucksensoren gibt es in der Silizium- und Dickschichttechnik. Bei der Siliziumtechnologie werden die piezoresistiven Widerstände in das Siliziumsubstrat implantiert. Bei der Dickschichttechnik verwendet man piezoresi stive Dickschichtpasten, die häufig auf Keramik als Trägermate rial aufgebracht werden.

Von großer Bedeutung in den Anwendungen sind die Medienverträg lichkeit und der Einbau dieser Wandlersysteme in geeignete Ge häuse. Die Kontaktierung bzw. Ankopplung der Sensoren an das Ge häuse ist hierbei in der Regel von höchster Schwierigkeit. Für eine hohe Belastung und Langzeitstabilität werden bis anhin, insbesondere auch bei piezoresistiven Keramik-Drucksensoren, nur stützende Systeme für Druck- und Kraftsensoren verwendet, wie sie in der eingangs genannten Druckschrift oder auch in der EP- A1-0 531 696 (dortige Fig. 1) beschrieben sind. Bei derartigen stützenden Systemen ist die Membran bzw. das Keramiksubstrat zwischen einer oberen und unteren Halterung eingespannt.

Diese stützenden Systeme können praktisch nicht verhindern, daß Spannungen aus allen Richtungen auf die Membrane einwirken. Ganz besonders gilt dies für Keramikmembranen, die keine speziell ge bildete oder eingeprägte Membrane haben (das Prägen und Ausbil den von Membranen in Keramik ist heute noch sehr teuer und rela tiv schlecht in der Reproduzierbarkeit). Für eine einwandfreie und genaue Druckmessung, Beschleunigungs- oder Kraftmessung ist die Einleitung der wirkenden Kräfte auf die Membrane nur aus der zu messenden Größe aber unabdingbar.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen auf der membranartigen Verbiegung eines Keramiksubstrats basierenden Meßwandler zur Messung von Druck, Kraft oder Beschleunigung zu schaffen, bei welcher die Wirkung der mechanischen Spannungen von der Befesti gungs- und Anschlußseite her auf das Meßergebnis auf ein Mini mum reduziert oder ganz ausgeschlossen ist.

Die Aufgabe wird bei einem Meßwandler der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das Keramiksubstrat einseitig mit dem Trägerteil stoffschlüssig verbunden ist, und das zweite Mittel zur kräftemäßigen Entkopplung zwischen dem Trägerteil und dem Anschlußteil vorgesehen sind. Die einseitige Verbindung des Ke ramiksubstrats mit dem Trägerteil, bei der eine mechanische Ge genstütze auf der anderen Seite des Substrats weggelassen und die ganze Gegenkraft nur durch die stoffschlüssige Verbindung des Substrats mit dem Trägerteil aufgebracht wird, verhindert, daß durch Einspannkräfte auf das Substrat einwirken und das Meßergebnis verfälschen können. Weitere störende Kräfte, die vom Anschlußteil auf das Trägerteil und von dort auf das Kera miksubstrat übertragen werden könnten, werden durch die erfin dungsgemäßen zweiten Entkopplungsmittel verhindert.

Eine erste bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Meßwandlers zeichnet sich dadurch aus, daß das Trägerteil auf seiner Oberseite in einen Ringbereich übergeht, daß das Kera miksubstrat auf die Oberseite des Ringbereichs aufgeklebt ist, und daß der Ringbereich den Membranbereich des Keramiksubstrats umschließt und nach außen hin begrenzt. Durch die ringförmige Ausbildung des Trägerteils und die Verklebung des Substrats mit dem Ringbereich wird eine besonders einfache und kostengünstige Befestigung erreicht, die zugleich den Membranbereich auf dem Substrat definiert.

Eine zweite bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Meßwandlers ist dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwandler als Drucksensor ausgebildet ist, und daß der Ringbereich des Trägerteils einen Druckraum seitlich umschließt und begrenzt, welcher Druckraum auf der Oberseite durch den Membranbereich des Keramiksubstrats abgeschlossen wird, und auf der Unterseite durch einen Anschlußkanal mit einem unter Druck stehenden Me dium beaufschlagbar ist. Durch die Verklebung des Kera miksubstrats mit dem Ringbereich des Trägerelements wird hier ohne zusätzliche Vorkehrungen eine sichere Abdichtung des Druck raumes zur Membrane bzw. zum Membranbereich hin erzielt.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Ver klebung zwischen dem Keramiksubstrat und dem Trägerteil über eine Kleberschicht, welche organische Anteile und Glasfasern enthält. Die Glasfasern verbessern die Stabilität der Verklebung und bewirken, daß die Kleberschicht eine Mindestdicke aufweist, die größer oder gleich dem Durchmesser der Glasfasern ist. Die organischen Anteile im Kleber geben der Kleberschicht zusammen mit dieser Mindestdicke eine gewisse Elastizität, die zu einer kräftemäßigen Entkopplung zwischen Keramiksubstrat und Träger teil beiträgt.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, daß als Meßelemente piezoresistive Widerstände vorgesehen sind, und daß die piezoresistiven Widerstände zusammen mit dem Keramiksubstrat eine Dickschicht-Hybridschaltung bilden. Hier durch läßt sich bei gleichzeitig kompaktem und für die Serien fertigung geeignetem Aufbau eine Meßanordnung realisieren, die robust und unempfindlich gegenüber hohen Belastungen ist.

Eine andere bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeich net, daß das Anschlußteil und das Trägerteil rotationssymme trisch zu einer gemeinsamen Achse ausgebildet sind, und zusammen ein einstückiges Drehteil bilden, daß das Anschlußteil im Durchmesser größer als oder ungefähr gleich groß ist wie das Trägerteil, und daß die zweiten Mittel zur kräftemäßigen Ent kopplung eine Einschnürung zwischen Trägerteil und Anschlußteil umfassen. Auf diese Weise kann mit einfachen herstellungstechni schen Mitteln eine weitgehende spannungs- bzw. kräftemäßige Entkopplung zwischen Anschlußteil und Trägerteil erreicht wer den.

Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen An sprüchen.

KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes, bevorzugtes Ausführungsbeispiel für einen Meßwandler nach der Erfindung in Form eines Druck sensors mit einer Entkopplung zwischen Trägerteil und Anschlußteil mittels einer Einschnürung; und

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel, ebenfalls in Form eines Drucksensors, bei welchem die Entkopplung durch eine geeignete Wahl der Durchmesser von Trägerteil und Anschlußteil erreicht wird.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Der in Fig. 1 dargestellte Drucksensor enthält als zentrale Meßeinrichtung ein Keramiksubstrat 15, auf dem ein Membranbe reich 17 festgelegt ist, dessen Auslenkung in Abhängigkeit von der einwirkenden Meßgröße elektrisch bzw. elektronisch gemes sen wird. Dazu sind innerhalb des Membranbereiches 17 auf einer Seite des Keramiksubstrats 15 Meßelemente 16, vorzugsweise in Form von piezoresistiven Dickschichtwiderständen, aufgebracht, die ihren Widerstand mit der Auslenkung des Membranbereiches 17 ändern. Die Widerstände sind üblicherweise in Form einer Wheatstoneschen Brücke angeordnet, deren Versorgungsspannung und Ausgangssignal mittels einer entsprechenden Auswerteelektronik (z. B. 29 in Fig. 2) bereitgestellt bzw. verarbeitet wird. Die Meßelemente 16 können grundsätzlich auf jeder der beiden Substratseiten aufgebracht sein. Es wird jedoch bevorzugt, sie auf der Seite aufzubringen, die nicht mit dem zu messenden Druckmedium in Berührung steht. Auf diese Weise ist sicherge stellt, daß im Falle eines aggressiven Druckmediums die Meße lemente nicht durch das Medium beschädigt oder verändert werden.

Das Keramiksubstrat 15 mit den Meßelementen 16 ist mit seiner Unterseite auf ein Trägerteil 13 aufgeklebt. Das Trägerteil 13 geht dazu auf seiner Oberseite in einen Ringbereich 13a über, der aus Symmetriegründen vorzugsweise kreisförmig und konzen trisch zur Achse 36 des Meßwandlers ist. Der Ringbereich 13a ist auf seiner Oberseite abgeflacht und bildet eine kreisring förmige Klebefläche, auf die das Keramiksubstrat 15 mittels ei ner Kleberschicht 19 aufgeklebt ist. Eine hohe Stabilität dieser Verklebung wird vorzugsweise dadurch erreicht, daß der Kleber der Kleberschicht 19 organische Anteile enthält, und daß in der Kleberschicht 19 Glasfasern eingebettet sind. Der Ringbereich 13a definiert mit seiner kreisförmigen Innenkante den Rand des Membranbereichs 17 auf dem Keramiksubstrat 15. Der Ringbereich 13a umschließt und begrenzt seitlich zugleich einen Druckraum 20. Der Druckraum 20 wird auf der Oberseite durch den Membranbe reich 17 des Keramiksubstrats 15 abgeschlossen und ist auf der Unterseite durch einen Anschlußkanal 21 mit dem unter Druck stehenden Medium beaufschlagbar, dessen Druck gemessen werden soll.

An das Trägerteil 13 schließt sich nach unten ein Anschlußteil 22 an, mittels dessen der Meßwandler an der Meßstelle montiert und angeschlossen werden kann. Das Anschlußteil 22 umfaßt ei nen innenliegenden Anschlußraum 23, in welchen der vom Druck raum 20 kommende Anschlußkanal 21 mündet. Das Anschlußteil 22 ist im Anschlußraum 23 mit einem Innengewinde 24 versehen, und läßt sich so auf einen entsprechenden, mit einem Außengewinde ausgerüsteten Anschlußstutzen aufschrauben. Die untere Partie des Anschlußteils ist dazu als Sechskant 10 ausgebildet. Zum Schutz des Keramik-Dickschichthybrids (15, 16) ist eine Schutz kappe 18 vorgesehen, die auf ein Außengewinde 11 am An schlußteil 22 aufgeschraubt oder aber anderweitig am An schlußteil 22 befestigt werden kann.

Damit die beim Anschluß des Meßwandlers im Anschlußteil 22 entstehenden mechanischen Spannungen und Kräfte sich nicht stö rend auf das Keramiksubstrat auswirken, sind zwischen dem An schlußteil 22 und den Trägerteil 13 Mittel zur spannungs- bzw. kräftemäßigen Entkopplung vorgesehen. Im Fall des Meßwandlers aus Fig. 1, bei welcher der Durchmesser des Anschlußteils 22 größer ist als der Durchmesser des Trägerteils 13, bestehen die Entkopplungsmittel in einer Einschnürung (lokalen Durchmesserverringerung) 12. Die Größenordnung der Einschnürung 12 kann an folgendem Beispiel verdeutlicht werden: Bei einem Außendurchmesser des Trägerteils 13 von etwa 16 mm und einem Außendurchmesser des Anschlußteils 22 von etwa 23 mm beträgt der minimale Durchmesser im Bereich der Einschnürung 12 etwa 6 mm, so daß die Durchmesserreduktion deutlich mehr als 2 : 1 beträgt. Weiterhin ist zu beachten, daß die Dicke (d2 in Fig. 2) des Trägerteils 13 deutlich größer ist als die Dicke (d1 in Fig. 2) des Keramiksubstrats, damit sich das Trägerteil 13 bei den zu messenden Drücken praktisch starr verhält und nicht die Meßergebnisse verfälscht. Ein Verhältnis der Dicken d2 : d1 von 3 : 1 bis 10 : 1 hat sich dafür als günstig erwiesen.

Trägerteil 13 und Anschlußteil 22 bilden vorzugsweise zusammen ein einstückiges Drehteil, welches aus einem Stahl, Messing, oder einem anderen geeigneten Werkstoff bestehen kann. Die Wand stärken, insbesondere im Bereich der Einschnürung 12, sind dabei in Abhängigkeit vom Werkstoff so zu wählen, daß sie bei den im Arbeitsbereich der Meßanordnung liegenden Drücken von mehreren 100 bar bis über 1000 bar eine ausreichende Sicherheit gewähr leisten.

Ein zweites Ausführungsbeispiel eines Drucksensors nach der Er findung ist in Fig. 2 wiedergegeben. Auch hier ist ein Kera miksubstrat 28 mittels einer Klebeschicht 32 der o.g. Art auf den Ringbereich 35a eines Trägerteils 35 geklebt. Das Kera miksubstrat 228 mit seinem Membranbereich 31 ist in diesem Fall flächenmäßig größer ausgelegt und ragt über den Ringbereich 35a hinaus. Hierdurch wird Platz geschaffen für die Aufnahme der Auswerteelektronik 29, die in Form von diskreten Bausteinen wie z. B. einem Konstantspannungs-IC oder einem Operationsverstärker, oder diskreten Kondensatoren, auf dem Keramiksubstrat 28 unter gebracht und mit der aus den Meßelementen gebildeten Wheatstoneschen Brücke verbunden sind. Selbstverständlich ist eine solche Vergrößerung der Substratfläche und Integration der Auswerteelektronik auch bei dem Beispiel aus Fig. 1 möglich.

Druckraum 27 und Anschlußkanal 33 sind in der gleichen Weise ausgebildet, wie bei dem Meßwandler gemäß Fig. 1. Anders ist hier die Art der spannungs- bzw. kräftemäßigen Entkopplung zwi schen dem Trägerteil 35 und dem Anschlußteil 26. Die Entkopp lung wird einfach dadurch bewirkt, daß der Außendurchmesser des Anschlußteils 26 deutlich kleiner gewählt ist als der Außendurchmesser des Trägerteils 35. Durch diesen "pilzartigen" Aufbau ist die Einleitung unerwünschter Kräfte in das Kera miksubstrat 28 ebenfalls stark vermindert. Der im Anschlußteil 26 untergebrachte Anschlußraum 25 ist entsprechend im Durchmes ser verringert. Anstelle eines Innengewindes ist zu Anschluß zwecken ein Außengewinde 34 vorgesehen.

Die Erfindung ist am Beispiel von Drucksensoren erläutert wor den. Ausgehend von den in Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsbei spielen können durch geringfügige Modifikationen aus den Druck sensoren Beschleunigungs- oder Kraftsensoren abgeleitet werden. Ein Beschleunigungssensor ergibt sich beispielsweise, wenn auf das Keramiksubstrat 15 bzw. 28 im Membranbereich 17 bzw. 31 ein Gewicht aufgebracht wird, daß aufgrund seiner Massenträgheit bei Beschleunigungs- oder Bremsvorgängen eine entsprechende Kraft auf das Substrat ausübt. Ein Kraftsensor ergibt sich, wenn die zu messende Kraft über einen z. B. durch den Anschlußkanal 21 bzw. 33 verschiebbar geführten Druckstempel in den Membranbe reich 17 bzw. 31 eingeleitet wird.

Insgesamt ergibt sich mit der Erfindung ein einfach und robust aufgebauter Sensor, der für hohe Belastungen geeignet ist, sich für die Serienfertigung eignet, und durch eine hohe Unempfind lichkeit gegen Fremdeinflüsse wie z. B. von der Befestigung her rührende mechanische Spannungen ausgezeichnet ist.

Bezugszeichenliste

10 Sechskant
11, 34 Außengewinde
12 Einschnürung
13, 35 Trägerteil
13a, 35a Ringbereich
14 Innenraum
15, 28 Keramiksubstrat
16, 30 Meßelement
17, 31 Membranbereich
18 Schutzkappe
19, 32 Kleberschicht
20, 27 Druckraum
21, 33 Anschlußkanal
22, 26 Anschlußteil
23, 25 Anschlußraum
24 Innengewinde
29 Auswerteelektronik
36 Achse
d1 Dicke (Keramiksubstrat)
d2 Dicke (Trägerteil).

Claims

1. Meßwandler zum Messen eines Druckes, einer Kraft, oder einer Beschleunigung, mit einem Keramiksubstrat (15, 28), welches Keramiksubstrat (15, 28) in einem Membranbereich (17, 31) durch die zu messende Größe auslenkbar ist und in dem Mem branbereich (17, 31) auf das Keramiksubstrat (15, 28) aufge brachte Meßelemente (16, 30) zur Messung der Auslenkung bzw. Dehnung des Keramiksubstrats (15, 28) im Membranbereich (17, 31) trägt, sowie mit ersten Mitteln zur Befestigung des Kera miksubstrats (15, 28), welche ersten Mittel ein Trägerteil (13, 35) zur Aufnahme des Keramiksubstrats (15, 28) und ein mit dem Trägerteil (13, 15) verbundenes Anschlußteil (22, 26) zum An schluß des Meßwandlers an eine Meßstelle umfassen, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramiksubstrat (15, 28) einseitig mit dem Trägerteil (13, 35) stoffschlüssig verbunden ist, und das zweite Mittel zur kräftemäßigen Entkopplung zwischen dem Trä gerteil (13, 35) und dem Anschlußteil (22, 26) vorgesehen sind.

2. Meßwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerteil (13, 35) auf seiner Oberseite in einen Ring bereich (13a, 35a) übergeht, daß das Keramiksubstrat (15, 28) auf die Oberseite des Ringbereichs (13a, 35a) aufgeklebt ist, und daß der Ringbereich (13a, 35a) den Membranbereich (17, 31) des Keramiksubstrats (15, 28) umschließt und nach außen hin begrenzt.

3. Meßwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwandler als Drucksensor ausgebildet ist, und daß der Ringbereich (13a, 35a) des Trägerteils (13, 35) einen Druck raum (20, 27) seitlich umschließt und begrenzt, welcher Druck raum (20, 27) auf der Oberseite durch den Membranbereich (17, 31) des Keramiksubstrats (15, 28) abgeschlossen wird, und auf der Unterseite durch einen Anschlußkanal (21, 33) mit einem un ter Druck stehenden Medium beaufschlagbar ist.

4. Meßwandler nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verklebung zwischen dem Keramiksubstrat (15, 28) und dem Trägerteil (13, 35) über eine Kleberschicht (19, 32) erfolgt, welche organische Anteile enthält.

5. Meßwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kleberschicht (19, 32) Glasfasern enthält.

6. Meßwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßelemente (16, 30) piezoresistive Widerstände vorgesehen sind, und daß die piezoresistiven Wider stände zusammen mit dem Keramiksubstrat (15, 28) eine Dick schicht-Hybridschaltung bilden.

7. Meßwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelemente (16, 30) auf der dem Trä gerteil (13, 35) gegenüberliegenden Seite des Keramiksubstrats (15, 28) angeordnet sind.

8. Meßwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Anschlußteil (22, 26) und das Träger teil (13, 35) rotationssymmetrisch zu einer gemeinsamen Achse (36) ausgebildet sind, und zusammen ein einstückiges Drehteil bilden.

9. Meßwandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Anschlußteil (22) im Durchmesser größer als oder un gefähr gleich groß ist wie das Trägerteil (13), und daß die zweiten Mittel zur kräftemäßigen Entkopplung eine Einschnürung (12) zwischen Trägerteil (13) und Anschlußteil (22) umfassen.

10. Meßwandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Mittel zur kräftemäßigen Entkopplung ein An schlußteil (26) umfassen, welches im Durchmesser deutlich klei ner ist als das Trägerteil (35).

11. Meßwandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß neben den Meßelementen (30) auch noch eine Auswerteelek tronik (29) auf dem Keramiksubstrat angeordnet ist.