DE202019005702U1

DE202019005702U1 - Drucksensor mit einer Membran mit Sensorchips mit Messbrücken mit Sensorelementen

Info

Publication number: DE202019005702U1
Application number: DE202019005702.1U
Authority: DE
Original assignee: Prignitz Mikrosystemtechnik GmbH
Current assignee: Prignitz Mikrosystemtechnik GmbH
Priority date: 2019-12-14
Filing date: 2019-12-14
Publication date: 2021-07-15
Anticipated expiration: 2029-12-15

Abstract

Drucksensor mit einer Membran (1) mit Sensorchips (2, 3) mit Messbrücken mit Sensorelementen, wobei die Membran (1) mit einem Arbeitsmedium beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich wenigstens auf einer der sich bei Druckbeaufschlagung biegenden Seite der Membran (1) mindestens zwei beabstandet und winklig versetzt zueinander angeordnete Sensorchips (2, 3) befinden und dass die Messbrücken so ausgebildet und/oder mit einer Steuereinrichtung so verbunden sind, dass wenigstens eine aus einer Befestigung der Membran (1) resultierende und damit auf die Membran (1) wirkende Kraft und die mindestens eine daraus resultierende mechanische Spannung kompensiert ist oder wird.

Description

Die Erfindung betrifft Drucksensoren mit einer Membran mit Sensorchips mit Messbrücken mit Sensorelementen, wobei die Membran in einem Gehäuse, mit einem Träger oder als Bestandteil eines Gehäuses befestigt ist und mit einem Arbeitsmedium beaufschlagbar ist.
Durch die Druckschrift DE 10 2017 214 846 A1 ist eine gehäustes MEMS Bauteil mit Störgrößenkompensation bekannt. Dazu ist das MEMS Bauteil in einem Gehäuse angeordnet und das MEMS Bauteil ist mit mindestens 50% einer MEMS Bauteiloberfläche mit dem Gehäuse in unmittelbarem mechanischem Kontakt. Zur Störgrößenkompensation sind zwei Messanordnungen vorgesehen, wobei eine ein Bestandteil des MEMS Bauteils und die andere ein Bestandteil des Gehäuses sind. Durch Kombination der daraus ermittelten Messgrößen wird eine störgrößenkompensierte Messgröße erhalten.
Die Druckschrift DE 20 2005 021 706 U1 beinhaltet ein Sensorelement mit zumindest einem Messelement und einem Kompensationselement, welche piezoelektrische und pyroelektrische Eigenschaften aufweisen und mit Messelektroden ausgestattet sind. Aus dem Kompensationselement ist ein Korrektursignal ableitbar, welches zur Kompensation eines Störsignals im Messsignal dient.
Die Druckschrift EP 3 418 707 A1 offenbart einen montagefähigen Drucksensor mit einer zweiteiligen Ausführung der Wandung eines Druckkanals, der mit einer Messmembran verbunden ist. Durch die zweikomponentige Ausführung des Druckkanals kann das Material eines Druckeingangselements gezielt auf das Fluid und mit dem Fluid verknüpfte chemische, thermische und mechanische Belastungen eingestellt werden.
Die in diesen Druckschriften aufgeführten Drucksensoren verwenden symmetrische Anordnungen von Messelementen, die robust gegenüber äußeren parasitären Fehlereinflüssen sind. Diese Lösungen sind allerdings in ihrer Sensitivität gegenüber dem eigentlich zu messenden Druck eingeschränkt, mithin ist die erzielbare Genauigkeit limitiert.
Weiterhin sind kompakte Siliziumchips mit integrierten Brückenstrukturen bekannt, die eine höhere Sensitivität aufweisen. So ist durch die Druckschrift DE 101 14 862 B3 eine Drucksensoreinrichtung mit einer Membran und einem Sensorchip bekannt. Die Membran ist einseitig mit einem Arbeitsmedium beaufschlagt. Der Sensorchip ist auf der dem Arbeitsmedium abgewandten Seite der Membran angeordnet. Dieser weist eine Messbrücke mit vier Sensorelementen auf, die zwei parallel angeordnete Paare bilden, die rechtwinklig zueinander angeordnet sind. Der Sensorchip ist am Rand der Membran angeordnet, was zu einem unsymmetrischen Aufbau führt. Zur Redundanz kann ein zweiter Sensorchip angeordnet sein, so dass ein sicherer Betrieb der Drucksensoreinrichtung gewährleistet ist. Das hat den Nachteil, dass infolge dieses Aufbaues mechanische Spannungen, die beispielsweise aus dem Einschrauben der Drucksensoreinrichtung oder einer anderweitigen mechanischen Belastung des Sensorgehäuses herrühren, Auswirkungen auf die Messergebnisse sowie die Ausgangssignale des Sensors vorhanden sein können.
Der im Schutzanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drucksensor so auszubilden, dass die aus einer Befestigung und/oder einem Einbau des Drucksensors resultierenden mechanischen Spannungen das Messergebnis und/oder das Messsignal nicht beeinflussen.
Diese Aufgabe wird mit den im Schutzanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
Die Drucksensoren mit einer Membran mit Sensorchips mit Messbrücken mit Sensorelementen, wobei die Membran in einem Gehäuse, mit einem Träger oder als Bestandteil eines Gehäuses befestigt ist und mit einem Arbeitsmedium beaufschlagbar ist, zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass die aus einer Befestigung und/oder einem Einbau der Drucksensoren resultierenden mechanischen Spannungen das Messergebnis und/oder das Messsignal nicht beeinflussen.
Dazu befinden sich wenigstens auf einer der sich bei Druckbeaufschlagung biegenden Seite der Membran mindestens zwei beabstandet und winklig versetzt zueinander angeordnete Sensorchips. Die Messbrücken sind so ausgebildet und/oder so mit einer Steuereinrichtung verbunden, dass wenigstens eine aus einer Befestigung der Membran resultierende und damit auf die Membran wirkende Kraft und die mindestens eine daraus resultierende mechanische Spannung kompensiert ist oder wird.
Bei einer Platzierung und/oder Befestigung des Drucksensors entstehen mechanische Spannungen, die zu Messfehlern führen. Dabei hat sich gezeigt, dass eine auf das Gehäuse aufgebrachte Biegespannung je nach Kraftangriffspunkt unterschiedliche Effekte hervorruft. Mit der winkligen und beabstandeten Anordnung der Sensorchips wird bewirkt, dass die Veränderungen der Brückenspannung aus der Biegebelastung in den beiden Sensorchips nahezu gleich und von der Amplitude aber unterschiedlich im Vorzeichen sind. Damit ist diese Anordnung geeignet, wenigstens eine durch auf die Membran wirkende Kraft und die daraus resultierende auftretende mechanische Spannung oder Spannungen zu kompensieren. Die aus dem Druck resultierenden Spannungen haben in beiden Sensorchips gleiche Vorzeichen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Schutzansprüchen 2 bis 11 angegeben.
Die Messbrücken der Sensorchips sind optional parallel zueinander geschalten, so dass wenigstens eine aus einer Befestigung der Membran resultierende und damit auf die Membran wirkende Kraft und die mindestens eine daraus resultierende mechanische Spannung kompensierbar und damit kompensiert ist oder kompensiert wird.
Die Messbrücken der Sensorchips sind optional rechtwinklig zueinander versetzt angeordnet.
Die Sensorelemente der Messbrücken können monolithische Siliziumbrückenanordnungen sein oder aus einer Piezokeramik bestehen.
Die Sensorchips sind optional auf der Membran außer mittig angeordnet.
Die Sensorchips können bei einer kreisförmigen Membran auf einem Kreisring gleichen Durchmessers angeordnet sein.
Die Membran ist optional so angeordnet, dass diese einseitig oder beidseitig mit einem Arbeitsmedium beaufschlagbar ist.
Auf der dem Arbeitsmedium abgewandten Seite der einseitig mit dem Arbeitsmedium beaufschlagbaren Membran können sich die mindestens zwei beabstandet und winklig versetzt zueinander angeordneten Sensorchips mit den Messbrücken mit den Sensorelementen befinden.
Die Sensorchips sind optional auf der Membran so angeordnet, dass die Sensorchips mit den gleichen vom Arbeitsmedium ausgehenden mechanischen Spannungen beaufschlagt werden.
Die Membran ist optional in einem Gehäuse angeordnet. Das Gehäuse weist einen mit einem Bereich der Membran überdeckten Hohlraum auf, welcher eine Öffnung und/oder einen Kanal zum Durchtritt eines Arbeitsmediums besitzt, wobei sich der Hohlraum auf der der Seite mit den Sensorchips gegenüberliegenden Seite der Membran befindet.
Die Membran kann eine Wand oder ein Teil einer Wand eines Gehäuses sein. Das Gehäuse weist dazu einen mit der Wand mit der Membran oder als Membran überdeckten Hohlraum auf. Die Sensorchips befinden sich auf der in den Hohlraum weisenden Oberfläche der Membran. Die Membran ist so frontseitig einsetzbar. Damit kann die Membran auch ein Teil beispielsweise einer Behälterwand sein.
Die Membran ist optional kegelförmig oder kegelstumpfförmig ausgebildet oder befindet sich in einem kegelstumpfförmigen Ring.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:

1 eine Membran eines Drucksensors,
2 ein Drucksensor mit einem Gehäuse und einem Gewindestück als Befetigungselement,
3 den Drucksensor mit einer Membran und
4 ein Drucksensor mit einer frontseitigen Membran.

Ein Drucksensor besteht im Wesentlichen aus einer Membran 1 mit Sensorchips 2, 3 mit Messbrücken mit Sensorelementen.
Die 1 zeigt eine Membran 1 eines Drucksensors in einer prinzipiellen Darstellung.
Auf der Membran 1 sind zwei beabstandet und winklig versetzt zueinander angeordnete Sensorchips 2, 3 angeordnet. Die Messbrücken der Sensorchips 2, 3 sind so ausgebildet und/oder so mit einer Steuereinrichtung verbunden, dass wenigstens eine aus einer Befestigung der Membran 1 resultierende und damit auf die Membran 1 wirkende Kraft kompensierbar und damit kompensiert ist oder kompensiert wird. Dazu können die Messbrücken parallel zueinander geschalten sein, so dass mechanische Störgrößen kompensierbar sind. Die Messbrücken können weiterhin rechtwinklig zueinander versetzt angeordnet sein. Die Sensorelemente der Messbrücken sind monolithische Siliziumbrückenanordnungen.
Die aus einer Befestigung der Membran 1 resultierenden und damit auf die Membran 1 wirkenden Kräfte sind insbesondere mechanische Störgrößen aus mechanischen Spannungen annähernd gleicher Amplitude und entgegengesetzter Wirkrichtung in den Sensorchips 2, 3.
Es zeigen
die 2 ein Drucksensor mit einem Gehäuse 4 und einem Gewindestück 5 als Befetigungselement und
die 3 den Drucksensor mit einer Membran 1 jeweils in einer prinzipiellen Darstellung.
Die Membran 1 ist in einem Gehäuse 4 mit einem Gewindestück 5 und einem Sechskant 6 befestigt. Das Gehäuse 4 weist einen mit einem Bereich der Membran 1 überdeckten Hohlraum auf, welcher eine Öffnung und/oder einen Kanal zum Durchtritt eines Arbeitsmediums besitzt. Der Hohlraum befindet sich auf der der Seite mit den Sensorchips 2, 3 gegenüberliegenden Seite der Membran 1.
Beim Einschrauben des Gehäuses 4 mit der Drucksensoreinrichtung beispielsweise in einen Motorblock entstehen mechanische Spannungen und damit zu auf die Membran 1 wirkende Kräfte, die zu Messfehlern führen. Mit der winkligen und beabstandeten Anordnung der Sensorchips 2, 3 wird bewirkt, dass die Veränderungen der Brückenspannung aus der Biegebelastung in den beiden Sensorchips 2, 3 nahezu gleich und von der Amplitude aber unterschiedlich im Vorzeichen sind. Damit ist diese Anordnung geeignet, die aus einer Befestigung der Membran 1 resultierenden Biegespannungen und damit die auf die Membran 1 wirkenden Kräfte zu kompensieren. Die aus dem Druck resultierenden Spannungen haben in beiden Sensorchips 2, 3 gleiche Vorzeichen.
Die 4 zeigt einen Drucksensor mit einer frontseitigen Membran 1 in einer prinzipiellen Darstellung.
In einer Ausführungsform kann die Membran 1 eine Wand oder ein Teil einer Wand eines Gehäuses 4 sein. Das Gehäuse 4 weist einen mit der Membran 1 als Wand überdeckten Hohlraum auf. Die Sensorchips 2, 3 befinden sich auf der in den Hohlraum weisenden Oberfläche der Membran 1. Dazu kann die Membran 1 kegelstumpfförmig ausgebildet sein oder sich in einem kegelstumpfförmigen Ring befinden.
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 102017214846 A1 [0002]
DE 202005021706 U1 [0003]
EP 3418707 A1 [0004]
DE 10114862 B3 [0006]

Claims

Drucksensor mit einer Membran (1) mit Sensorchips (2, 3) mit Messbrücken mit Sensorelementen, wobei die Membran (1) mit einem Arbeitsmedium beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich wenigstens auf einer der sich bei Druckbeaufschlagung biegenden Seite der Membran (1) mindestens zwei beabstandet und winklig versetzt zueinander angeordnete Sensorchips (2, 3) befinden und dass die Messbrücken so ausgebildet und/oder mit einer Steuereinrichtung so verbunden sind, dass wenigstens eine aus einer Befestigung der Membran (1) resultierende und damit auf die Membran (1) wirkende Kraft und die mindestens eine daraus resultierende mechanische Spannung kompensiert ist oder wird.
Drucksensor nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messbrücken der Sensorchips (2, 3) parallel zueinander geschalten sind, so dass wenigstens eine aus einer Befestigung der Membran (1) resultierende und damit auf die Membran (1) wirkende Kraft und die mindestens eine daraus resultierende mechanische Spannung kompensierbar ist.
Drucksensor nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messbrücken der Sensorchips (2, 3) rechtwinklig zueinander versetzt angeordnet sind.
Drucksensor nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente der Messbrücken monolithische Siliziumbrückenanordnungen sind oder dass die Sensorelemente der Messbrücken aus einer Piezokeramik bestehen.
Drucksensor nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorchips (2, 3) auf der Membran (1) außer mittig angeordnet sind.
Drucksensor nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorchips (2, 3) bei einer kreisförmigen Membran (1) auf einem Kreisring gleichen Durchmessers angeordnet sind.
Drucksensor nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (1) so angeordnet ist, dass diese einseitig oder beidseitig mit einem Arbeitsmedium beaufschlagbar ist.
Drucksensor nach den Schutzansprüchen 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich auf der dem Arbeitsmedium abgewandten Seite der einseitig mit dem Arbeitsmedium beaufschlagbaren Membran (1) die mindestens zwei beabstandet und winklig versetzt zueinander angeordneten Sensorchips (2, 3) mit den Messbrücken mit den Sensorelementen befinden.
Drucksensor nach den Schutzansprüchen 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorchips (2, 3) auf der Membran (1) so angeordnet sind, dass die Sensorchips (2, 3) mit den gleichen vom Arbeitsmedium ausgehenden mechanischen Spannungen beaufschlagt werden.
Drucksensor nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (1) in einem Gehäuse (4) angeordnet ist, dass das Gehäuse (4) einen mit einem Bereich der Membran (1) überdeckten Hohlraum aufweist, welcher eine Öffnung und/oder einen Kanal zum Durchtritt eines Arbeitsmediums besitzt, wobei sich der Hohlraum auf der der Seite mit den Sensorchips (2, 3) gegenüberliegenden Seite der Membran (1) befindet.
Drucksensor nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (1) eine Wand oder ein Teil einer Wand eines Gehäuses (4) ist, dass das Gehäuse (4) einen mit der Wand überdeckten Hohlraum aufweist und dass sich die Sensorchips (2, 3) auf der in den Hohlraum weisenden Oberfläche der Membran (1) befinden.
Drucksensor nach Schutzanspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (1) kegelförmig oder kegelstumpfförmig ausgebildet ist oder dass sich die Membran (1) in einem kegelstumpfförmigen Ring befindet.