DE19709846C1 - Druckdifferenz-Meßumformer - Google Patents
Druckdifferenz-MeßumformerInfo
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Description
Aus der europäischen Patentschrift EP 0 164 413 B1 ist ein
Druckdifferenz-Meßumformer bekannt, bei dem die Membran
scheibe als ein Membran-Wafer aus Silizium ausgeführt ist;
die beiden nebeneinander liegenden Meßmembranen sind dadurch
gebildet, daß der Membran-Wafer im Bereich der beiden Meßmem
branen durch Ätzen verdünnt ist. Die beiden Meßmembranen
grenzen an einen gemeinsamen Fluidraum an, der durch eine
Ausnehmung in einem weiteren Wafer gebildet ist, der fest mit
dem Membran-Wafer verbunden ist. Auf der von dem gemeinsamen
Fluidraum abgewandten Seite der Meßmembranen sind diese mit
einem ersten und einem zweiten Druck beaufschlagt, so daß die
Auslenkung jeder der beiden Meßmembranen die Druckdifferenz
wiedergibt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Druckdiffe
renz-Meßumformer vorzuschlagen, bei dem Nullpunkt und
Empfindlichkeit nahezu völlig unabhängig von Änderungen des
statischen Druckes sind.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Druckdifferenz-Meßumformer
mit einer an einer Fläche einer Membranscheibe
befindlichen, mit einem ersten Druck auf ihrer einen Seite
beaufschlagbaren ersten Meßmembran und mit einer neben der
ersten Meßmembran liegenden und mit einem zweiten Druck auf
ihrer einen Seite beaufschlagbaren zweiten Meßmembran sowie
mit einem gemeinsamen, dichten Fluidraum, der an die anderen
Seiten der Meßmembranen grenzt, der erste Druck dem offenen
Ende eines an seinem anderen Ende geschlossenen Röhrchens
zuführbar, und ein die erste Meßmembran tragender Teil der
Membranscheibe durchdringt das Innere des Röhrchens zwischen
dessen beiden Enden abgedichtet und ist so bemessen, daß der
erste Druck die Membranscheibe im Innern des Röhrchens beid
seits beaufschlagen kann; ein die zweite Meßmembran aufwei
sender weiterer Teil der Membranscheibe erstreckt sich in
einen an das Röhrchen angrenzenden Innenraum eines Behälters,
dem der zweite Druck zuführbar ist, derart, daß er beidseits
mit dem zweiten Druck beaufschlagbar ist.
Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Druckdifferenz-Meßumformers
besteht darin, daß der die erste Meßmembran tra
gende Teil der Membranscheibe beidseitig dem einen Druck aus
gesetzt ist, so daß ein "Atmen" dieses Teils der Membran
scheibe bei Änderungen des statischen Drucks nicht auftreten
kann. Entsprechendes gilt hinsichtlich des zweiten Teils der
Membranscheibe, weil auch dieser Teil allseits von dem zwei
ten Druck beaufschlagt ist. Es treten also insgesamt bei dem
erfindungsgemäßen Druckdifferenz -Meßumformer Volumenänderun
gen der Membranscheibe bei einer Änderung des statischen
Druckes nicht ein, so daß die Vorspannung der beiden Meßmem
branen nicht verändert wird; dadurch sind der Nullpunkt und
die Empfindlichkeit unabhängig vom statischen Druck, was sich
sehr vorteilhaft auf die Meßgenauigkeit des erfindungsgemäßen
Druckdifferenz-Meßumformers auswirkt.
Bei dem erfindungsgemäßen Druckdifferenz-Meßumformer kann die
Membranscheibe aus unterschiedlichen Materialien hergestellt
sein. Als besonders vorteilhaft wird es im Hinblick auf eine
möglichst einfache Herstellung und eine möglichst kleine
Bauform des Meßumformers insgesamt angesehen, wenn die Mem
branscheibe aus Silizium und das Röhrchen aus einem in seinem
Temperaturausdehnungskoeffizienten dem Silizium ähnlichen
Werkstoff bestehen.
Zur abgedichteten Halterung der Membranscheibe in dem
Röhrchen wird es als vorteilhaft angesehen, wenn der eine
Teil der Membranscheibe an dem Röhrchen mittels eines Lotes
oder eines Klebers abgedichtet gehalten ist. Dabei kann der
Kleber in vorteilhafter Weise Keramik-Kügelchen enthalten; es
besteht dann die Möglichkeit, überall den Abstand zwischen
der Membranscheibe und den Querschlitzen im Röhrchen gleich
mäßig breit zu halten.
Bezüglich der Unterbringung des mit der Membranscheibe verse
henen Röhrchens in einem Gesamtaufbau des erfindungsgemäßen
Druckdifferenz-Meßumformers bestehen verschiedene Möglichkei
ten; als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn das
Röhrchen mit seinem offenen Ende im Bereich einer Öffnung des
Behälters abgedichtet angebracht ist und der Behälter eine
weitere Öffnung aufweist, über die der zweite Druck zuführbar
ist.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung ist in
Fig. 1 ein Längsschnitt durch ein schematisch dargestelltes
Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Druck
differenz-Meßumformers und in
Fig. 2 ein Querschnitt entlang der Linie 2-2 desselben
Ausführungsbeispiels wiedergegeben.
Wie die Fig. 1 und 2 erkennen lassen, ist in einem Behäl
ter 1 ein Röhrchen 2 untergebracht. Das Röhrchen 2 ist an
seinem in der Fig. 1 oberen Ende 3 geschlossen und an seinem
anderen Ende 4 offen. Der Rand 5 des offenen Endes 4 des
Röhrchens 2 ist dicht mit einem Abdeckteil 6 des Behälters 1
verbunden. Über das offene Ende 4 ist das Röhrchen 2 mit
einem ersten Druck P1 beaufschlagt. Über eine weitere Öffnung
7 des Behälters 1 ist ein Anschluß an einen zweiten Druck P2
vorgenommen.
Wie die Figuren ferner zeigen, ist das Röhrchen 2 mit zwei
diametralen Schlitzen 8a und 8b versehen, in die von der
Seite her eine Membranscheibe 9 eingebracht ist. Die Membran
scheibe 9 weist einen eine in den Figuren nur schematisch an
gedeutete erste Meßmembran 10 tragenden Teil 11 und einen
eine ebenfalls nur schematisch dargestellte zweite Meßmembran
12 tragenden weiteren Teil 13 auf. Die Membranscheibe 9 ist
mit ihrem einen Teil 11 so durch die Schlitze 8a und 8b des
Röhrchens 2 geschoben, daß sich die erste Meßmembran 10 voll
kommen innerhalb des Röhrchens 2 befindet; dabei ist dafür
Sorge getragen, daß durch den einen Teil 11 das Röhrchen 2 in
seinem Querschnitt nicht völlig ausgefüllt ist, damit der
erste Druck P1 den einen Teil 11 der Membranscheibe 9 nicht
nur auf dessen einer Seite 14, sondern auch auf dessen ande
rer Seite 15 beaufschlagt. Der eine Teil 11 der Membran
scheibe 9 ist also auf beiden Seiten mit dem ersten Druck P1
beaufschlagt und verändert sich daher in seinen Abmessungen
bei Änderungen des statischen Druckes nicht.
Wie insbesondere die Fig. 1 zeigt, ist der eine Teil 11 der
Membranscheibe 9 durch jeweils zwei Klebestellen 16a und 16b
bzw. 17a und 17b dichtend mit dem Röhrchen 2 verbunden. Dabei
ist darauf geachtet, daß der dafür verwendete Kleber ölbe
ständig ist, weil sich innerhalb des Röhrchens 2 und inner
halb des Behälters 7 bis zu üblichen, nicht gezeigten Trenn
membranen Öl befindet. Gegebenenfalls kann der Kleber auch
Keramik-Kügelchen enthalten, wenn die Spalte zwischen der
Membranscheibe 9 und dem Röhrchen 2 im Bereich der Schlitze
8a und 8b gleichmäßig ausgefüllt sein sollen.
Der weitere Teil 13 der Membranscheibe 9 liegt vollkommen im
Innenraum 18 des Behälters 7, und zwar frei dem zweiten Druck
P2 ausgesetzt, wie es die Fig. 1 erkennen läßt. Dies bedeu
tet, daß der weitere Teil 13 der Membranscheibe 9 überall dem
Druck P2 ausgesetzt ist.
Die in der Fig. 1 nur schematisch dargestellten Meßkammern
19 und 20 unterhalb der Meßmembranen 10 und 12 sind über eine
Verbindungsleitung 21 unter Bildung eines gemeinsamen
Fluidraums 22 miteinander verbunden, der in üblicher Weise
mit Öl gefüllt und verschlossen ist.
Seitlich ist in einer Wand 23 des Behälters 7 eine Glasdurch
führung 24 angebracht, durch die elektrische Anschlußstifte
25 geführt sind. Diese sind über Bonddrähte mit der Membran
scheibe 9 verbunden.
Die Messung der Druckdifferenz mittels der entsprechend den
Drücken P1 und P2 ausgelenkten Meßmembranen 10 und 20 kann in
bekannter Weise erfolgen, weshalb einer guten Übersichtlich
keit halber diese Details in den Figuren nicht gezeigt sind.
Beispielsweise ist es möglich, mit den Meßmembranen 10 und 20
und ihnen gegenüberliegenden Gegenelektroden jeweils einen
Meßkondensator zu bilden und die sich entsprechend der Druck
differenz ergebenden Kapazitätsänderungen elektrisch auszu
werten. Es ist aber auch beispielsweise möglich, auf beiden
Meßmembranen 10 und 20 Widerstandsanordnungen nach Art von
Dehnungsmeßstreifen vorzusehen und darüber eine der Druckdif
ferenz entsprechende Meßgröße zu gewinnen.
Claims (5)
1. Druckdifferenz-Meßumformer mit einer an einer Fläche einer
Membranscheibe (9) befindlichen, mit einem ersten Druck (P1)
auf ihrer einen Seite beaufschlagbaren ersten Meßmembran (10)
und mit einer neben der ersten Meßmembran (10) liegenden und
mit einem zweiten Druck (P2) auf ihrer einen Seite
beaufschlagbaren zweiten Meßmembran (12) sowie mit einem
gemeinsamen, dichten Fluidraum (22), der an die anderen
Seiten der Meßmembranen (10, 12) grenzt, wobei
- - der erste Druck (P1) dem offenen Ende eines an seinem anderen Ende geschlossenen Röhrchens (2) zuführbar ist,
- - ein die erste Meßmembran (10) tragender Teil (11) der Membranscheibe (9) das Innere des Röhrchens (2) zwischen dessen beiden Enden abgedichtet durchdringt und so bemessen ist, daß der erste Druck (P1) die Membranscheibe (9) im Innern des Röhrchens beidseits beaufschlagen kann und
- - ein die zweite Meßmembran (12) aufweisender weiterer Teil (13) der Membranscheibe (9) sich in einen an das Röhrchen (2) angrenzenden Innenraum (18) eines Behälters (1), dem der zweite Druck (P2) zuführbar ist, derart erstreckt, daß er beidseits mit dem zweiten Druck (P2) beaufschlagbar ist.
2. Druckdifferenz-Meßumformer nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
- - die Membranscheibe (9) aus Silizium und das Röhrchen (2) aus einem in seinem Temperaturausdehnungskoeffizienten dem Silizium ähnlichen Werkstoff bestehen.
3. Druckdifferenz-Meßumformer nach einem der vorangehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
- - der eine Teil (11) der Membranscheibe (9) an dem Röhrchen (2) mittels eines Lotes oder eines Klebers abgedichtet gehalten ist.
4. Druckdifferenz-Meßumformer nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
- - der Klebstoff Keramik-Kügelchen enthält.
5. Druckdifferenz-Meßumformer nach einem der vorangehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
- - das Röhrchen (2) mit seinem offenen Ende (4) im Bereich einer Öffnung des Behälters (1) abgedichtet angebracht ist und
- - der Behälter (1) eine weitere Öffnung (7) aufweist, über die der zweite Druck (P2) zuführbar ist.
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