DE19718349C2 - Drucksensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen einen Schraubstutzen aufweisenden Drucksensor mit einer den zu messenden Druck aufnehmenden Membran, die über ein den Druck übertragendes Medium mit einem piezo-elek­ trisch wirksamen Druckchip verbunden ist, und mit einem dessen Meßraum schließenden Stopfen.

Verbreitet verwendet werden auf einem Substrat gehaltene piezo­ elektrische Druckchips, die mit dem Substrat von einem dicht ge­ schlossenen Edelstahlgehäuse umgeben sind, das druckdicht geschlos­ sen und mit einem den Druck übertragenden Medium ausgefüllt ist, wobei mindestens eine Wandung dieses Gehäuses als den vorherrschen­ den äußeren Druck auf das Medium übertragende Membrane wirkt. Die Zuleitungen zum Druckchip sind durch in das Gehäuse führende, druckdicht abgeschlossene Leitungen gebildet. Als Medium wird hierbei vielfach Silikonöl verwendet, dessen Viskosität im all­ gemeinen über einen größeren Temperaturbereich relativ konstant ist, und das sich als ausreichend alterungsbeständig erweist. Als nach­ teilig jedoch erweist sich der hohe Herstellungsaufwand; die vor­ geformte Druckdose ist sicher und druckdicht zu verschweißen, und auch die druckdichte Einführung der isolierten Zuleitungen stellt werkstoff- und werkzeugmäßig hohe Aufwendungen, und auch die durch­ zuführenden Arbeitsgänge erweisen sich als zeitraubend und damit kostspielig, und unangenehm tritt auch die durch viele umständliche Arbeitsvorgänge bedingte hohe Ausfallsquote bei der Herstellung in Erscheinung.

Aus der DE 31 25 640 A1 ist bereits ein Drucksensor bekannt, der als Träger eine Schraube bzw. ein rohrförmiges Element aufweist. An einem Ende der Schraube bzw. des rohrförmigen Elementes ist in einer elastischen Abdeckschicht eine Widerstandsandordnung als Sensorelement angebracht. In den Druckraum ist ein verhältnismäßig steifes Druckmedium eingebracht, welches durch ein Schutzgitter geschützt ist. Die Erstellung dieses Drucksensors insbesondere die Erstellung der elektrischen Anschlüsse ist aufwendig. Weder die gattungsgemäße Druckmembran noch ein Piezo-Druckchip oder ein den Meßraum verschließender Stopfen werden offenbart.

Die DE 43 15 962 C2 beschreibt eine Kapsel für einen Drucksensor mit einem mit Vertiefungen vorgesehenen scheibenförmigen Träger, der eine mittig angeordnete Bohrung aufweist, die von dem Drucksen­ sor abgedeckt ist. Die Vertiefungen sind durch Membranen abgedeckt, wobei sich in einem abgedichteten Meßraum Silikonöl oder Silikongel befindet. Weder ein rohrförmiger Schraubstutzen noch ein günstig zu erstellender Druckchip werden hier offenbart.

Die DE 36 25 842 A1 offenbart zwar eine Druckmeßzelle, die mit piezo-elektrischen Membramen arbeitet, hier wird jedoch ein exakt geführter Kolben offenbart, der zur Druckmittlung dient. Der Kolben bedarf einer exakten Führung, so daß der gesamte Aufbau sehr kom­ pliziert ist.

Auch nach dem DE-GM 88 00 334 sollen piezo-elektrische Druckmeßwand­ ler verwendet werden. Bei den hier ins Auge gefaßten sehr hohen Drücken sind jedoch Druckchips nicht einsetzbar.

Die US-PS 5,111,699 offenbart zwar einen piezo-elektrischen Druckauf­ nehmer, dieser besteht jedoch aus einer Druckplatte, die an einer Seite mit einem stabilen Anschluß kontaktiert und auf der anderen Seite über eine Feder an Masse gelegt ist. Ein Druckchip ist damit ebenfalls nicht offenbart.

Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, Drucksensoren der beschrie­ benen Gattung in Aufbau und in der Herstellung zu vereinfachen, zu verbilligen, den bei der Fertigung auftretenden Ausfall zu ver­ mindern und ihre Standzeit zu erhöhen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruches 1. Durch sie wird die Druckübertragung von der den zu messenden Druck aufnehmenden Membrane zum piezo-elektrischen Druckchip durch weich­ elastische bis gallertartige Druckübertragungsmedien übernommen, die an die Abdichtung nicht mehr die größten Anforderungen stellen. Andererseits aber wird diese Abdichtung durch eine härtere und damit eine feste Stützbasis für das Druckübertragungsmittel bildende Gießmaske bewirkt, die leicht einzubringen ist und sich hierbei über das Druckübertragungsmedium schichtet, und die andererseits fest und absolut druckdicht an die Wandungen des Körpers des Druckmessers anschließt und auch gleichzeitig praktisch selbsttätig eine drucksi­ chere Durchführung für die elektrischen Anschlußleitungen bietet.

Vorteilhafte, zweckmäßige und erfinderische Weiterbildungen des Gegenstandes der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeich­ net.

Erläutert sind die Merkmale der Erfindung anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispieles des Druckmessers und der beigefügten Zeichnung.

Diese zeigt schematisch einen axial geführten Längsschnitt durch einen Druckmesser, das Substrat und den Druckchip.

In der Figur ist ein Drucksensor 1 gezeigt, dessen Körper 2 mit einem Außengewinde ausgestattet ist und an einer gewünschten, vorbereiteten Meßstelle von außen in eine Vorrichtung, einen Apparat oder eine Maschine einschraubbar ist. Der Körper 2 ist rohrartig ausgeführt und nach unten geöffnet, um ein unter einem zu messenden Druck stehendes Medium eintreten zu lassen. Eine als abgesetzter Kegelstumpf gestaltete Membrane 3 ist mit ihrem Sockel 4 in ein Innengewinde des Körpers 2 des Druckmessers 1 eingeschraubt und in der dargestellten Stellung fixiert, in der im wesentlichen die Stirnfläche, mit einem gewissen Anteil jedoch auch die Mantelfläche als Membrane wirken. Im Innern der Membran 3 ist ein Substrat 6 angeordnet, das in einer Ausnehmung 7 ein Druckchip 8 aufweist.

Das Druckchip 8 ist mittels einer Klebstoffschicht 9 mit dem Boden der Ausnehmung 7 verbunden. Die von ihm ausgehenden Bonddrähte 10 sind zu Anschlußbereichen 11 des Substrates 6 geführt, und deren gegenüberliegenden Enden sind mit Adern 12 einer Anschlußleitung 13 verbunden.

Es ist auch gezeigt, daß mittels einer weiteren Kleberschicht 14 mit dem Substrat 6 ein Druckring 15 (Stützring 15) verbunden ist, der den Druckchip 8 an seiner freien Fläche zentrisch umschließt. Der Bereich der Membran 3, welcher das Substrat 6 mit dem Druckchip 8 enthält, ist mit einem den Druck übertragenden Druckmedium, das gemäß der Erfin­ dung durch eine weichelastische Masse oder mindestens eine Masse hoher Viskosität, die aber noch fließfähig ist und damit den Druck zu übertragen vermag, gefüllt. Im Prinzip können auch pastöse oder gallertartige Massen verwendet werden. Diese Massen haben den Vorteil, daß sie vor Aushärtung oder Abkühlung alle Raumteile dieses Bereiches zu füllen vermögen und die Bildung von Luftkissen unter­ binden. Abgeschlossen wird sodann die Fertigung durch Aufgießen eines Stopfens 17 aus einem hart und starr aushärtenden Kunststoff oder einer entsprechenden Vergußmasse. Sie verankert sich im Innen­ gewinde des Körpers 2 und bietet damit der elastischen bzw. leicht fließfähigen Vergußmasse im Membran-Druckchip-Bereich ein festes, unverrückbares Widerlager. Gleichzeitig bietet eine entsprechend stark aufgetragene Vergußmasse auch eine stabile und sicher abge­ dichtete Halterung für die Adern 12 der Anschlußleitung 13 und stellt bei ausreichender Höhe auch gleich eine entsprechende Zugent­ lastung dar.

Im praktischen Betrieb tritt das in seinem Druck zu bestimmende Medium durch die Öffnung 18 in das untere Ende des Körpers 2 des Drucksensors 1 ein und beaufschlagt dessen Membrane 3. Bei der dargestellten Form der Membrane wird ein von außen einwirkender Druck im wesentlichen deren Stirnfläche elastisch zurückschieben, aber auch den Mantel des an diese Stirnfläche anschließenden Kegel­ stumpfes elastisch etwas nach innen durchwölben, so daß dessen Mantellinien etwas nach innen durchgedrückt werden. Hierdurch wird das eingeschlossene Druckmedium 16 diesen Druck nach allen Seiten gleichförmig weitergeben. Damit wird der Druck auf den Druckchip, bspw. ein Siliziumkristall, übertragen, und entsprechend seiner pieco-elektrischen Wirkung treten an seinen Anschlüssen, über die Bonddrähte 10 übertragen, elektrische Spannungen auf, die über die Anschlußleitung 13 nach außen geführt werden und das Meßergebnis darstellen. Es besteht auch die Möglichkeit, noch weitere Werte dieses Druckchips 8 oder eines weiteren Chips zu übertragen, um die im Druckgeber herrschende Temperatur zu ermitteln und weiter­ zugeben, die ja auch der Temperatur jenes Mediums entspricht, deren Druck zu messen ist. In diesem Falle ist der Druckgeber auch gleich thermischer Geber.

Entsprechend den elastischen Bewegungen des Druckmediums 16 wird auch eine Bewegung der den Anschluß vermittelnden Bonddrähte 10 erfolgen. Diese Bewegung läßt sich durch den Druckring 15 so aus­ richten, daß hier ein Abscheren der Bonddrähte unterbunden wird, und gleichzeitig wird hierbei auch die Amplitude solcher Bewegungen stark herabgesetzt. Durch den Innenmantel des Druckringes 15 werden eventuelle Bewegungen des Druckmittels 16 so ausgerichtet, daß sie nur axial zum Druckring erfolgen können, und ihre Amplitude ist damit beschränkt auf die gerichtete Bewegung des hinter dem Ring bzw. im Substrat befindlichen Druckmittels.

Ein solcher Druckring empfiehlt sich auch, wenn auf ein keramisches Substrat verzichtet wird und als Substrat bspw. eine Leiterkarte verwendet wird. In beiden Fällen kann es sich empfehlen, den Druck­ ring in Richtung seines Durchmessers beanspruchende Verschiebekräfte nicht alleine durch die Kleberschicht 14 oder einen entsprechenden Kitt aufzunehmen, sondern das Substrat mit einer entsprechenden, den Fuß des Druckringes aufnehmenden Vertiefung auszustatten. So läßt sich in eine als Substrat verwendete, aus Pertinax oder einem hochwertigen Kunststoff gebildete Leiterkarte eine solche ringförmi­ ge Vertiefung leicht einfräsen, und auch bei der Verwendung kerami­ scher Substrate ist eine entsprechende Ausführung möglich, die Verschiebe- bzw. Scherkräfte sicher aufzunehmen vermag. Eine Leiter­ karte hat den zusätzlichen Vorteil, daß der Druckchip in der Leiter­ karte geschützt liegt und die Bonddrähte dicht und nahezu parallel auf der Leiterkarte aufliegen, so daß auch bei starken Druckschwan­ kungen im Druckmedium praktisch keine Bewegungen verursacht werden.

So ergibt sich ein Drucksensor, der leicht herstellbar ist, durch die Verringerung und Vereinfachung der zur Herstellung erforderli­ chen Arbeitsgänge nur eine geringe Ausfallquote aufweist und trotz seiner wohlfeilen Herstellung über eine lange Standzeit verfügt.

Claims (6)

1. Einen rohrartigen Schraubstutzen aufweisender Drucksensor mit einer den zu messenden Druck aufnehmenden Membran, die über ein den Druck übertra­ gendes Medium mit einem piezo-elektrisch wirksamen Druckchip verbunden ist, und mit einem dessen Meßraum schließenden Stopfen, dadurch gekennzeichnet,
daß das Druckchip (8) auf einem Keramik-, Kunststoff- oder Pertinaxsubstrat (6) angeordnet ist und mittels Bonddrähten (10) mit Anschlußbereichen (11) des Substrats (6) für Anschlußleitungen (13) verbunden ist, wobei der Bereich der Bonddrähte (10) durch mindestens einen Stützring (15) umschlossen ist,
und daß das Druckchip (8) in einer die Membran (3) hinterfangenden, als Druckmedium (16) dienenden weichelastischen Masse eingebettet ist, die sich auf den den Meßraum als starres Widerlager abschließenden Stopfen (17) stützt.

2. Einen Schraubstutzen aufweisender Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützring (15) mit dem Substrat (6) verbunden ist.

3. Einen Schraubstutzen aufweisender Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Fußbereich des Stützringes (15) von einer ringförmigen Ausnehmung des Substrates (6) aufgenommen ist.

4. Einen Schraubstutzen aufweisender Drucksensor nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Stützring (15) ein ringförmiger Ansatz des Substrates (16) ein­ greift.

5. Einen Schraubstutzen aufweisender Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stopfen (17) aus einer harten, starren Vergußmasse gebildet ist.

6. Einen Schraubstutzen aufweisender Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stopfen (17) als Metallstopfen ausgebildet ist.