DE2237536A1

DE2237536A1 - Halbleiter-druckwandler

Info

Publication number: DE2237536A1
Application number: DE2237536A
Authority: DE
Inventors: Alvan Abram Kessel; Edward Dana Orth
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1971-08-03
Filing date: 1972-07-31
Publication date: 1973-02-22
Also published as: GB1404481A; JPS4825572A; JPS5225115B2; US3697919A

Description

Patentanwalt
6 Frankfurt /Main 1

Niddastr. 52

28. Juli 1972 Vo/vt

2132r44-AA-OOO33

GENERAL ELECTRIC COMPANY

1 River Road
Schenectady, N.Y./ U.S.A.

Halbleiter-Druckwandler

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Druckwandler des Typs, die eine flexible Halbleiter-Membran als einen Drucksensor verwenden. Insbesondere bezieht sie 'sich auf eine verbesserte Befestigungs-Abdichtungsanordnung für die Membraneinheit, die hohen Betriebsdrucken ohne Leckage des unter Druck stehenden Strömungsmittels zu widerstehen vermag.

Es sind druckemfpindliche Membranen bzw. Diaphragmen des Piezowiderstandstyps aus Halbleitermaterialien, wie z, B. Silicium, entwickelt worden, die die Vorteile hoher Empfindlichkeit, Linearität und kleiner Größe besitzen. Versuche, derartige Vorrichtungen als Drucksensoren in Druckwandlern für eine industrielle Anwendung zu benutzen, haben viele Konstruktionsprobleme hervorgerufen.

ο Die Wandler müssen hohe Drucke,beispielsweise bis zu 700 kp/cm

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(ΙΟ 000 psi), messen und diesen widerstehen können. Diese hohen Betriebedrucke erfordern stabile Metallgehäuse, und es entstehen Probleme aufgrund von Unterschieden der F ehlanpassung in den Ausdehnungskoeffizienten des Gehäuses, der Siliciummembran und der dazwischen angeordneten Träger- und Abdichtungsmaterialien. Um thermische Beanspruchungen auf der druckempfindlichen Membran und einen daraus resultierenden Meßfehler infolge der Ausdehnunprs-Fehlanpassung zwischen der Membran und ihrem Träger zu vermeiden, ist die Membran integral mit einem langgestreckten Träger verbunden worden, der aus Glas hergestellt ist. Es wurde ein Glas verwendet, das einen ähnlichen Ausdehnungskoeffizienten besitzt wie Silicium. Eine derartige Konstruktion ist in der gleichzeitig

eingereichten deutschen Patentanmeldung P (Anmelder

Nr. 2131-Vf-AA-OOOH, U.S.-Serial Nr. 1 68, 278)vorgeschlagen worden. Bei dieser Konstruktion muß dann eine Abdichtung vorgesehen werden» die die Ausdehnungs-Fehlanpassung zwischen dem Glasträger und dem Wandlergehäuse aufnimmt, das aus Metall ist, gewöhnlich aus rostfreiem Stahl. Es ist eine dichte Abdichtung für alle Betriebstemperaturen erforderlich, um eine Leckage des Strömungsmittels unter Druck zu verhindern. Bei einigen Applikationen ist das Strömungsmittel um die druckempfindliche Membran herum eine Flüssigkeit, wie z. B. Öl, in einer hermetisch abgeschlossenen Kammer, die zur Trennung der Membran von korrosiven, gemessenen Strömungsmitteln verwendet wird. Bei solchen Applikationen ist eine dichte Abtrennung äußerst wichtig, um einen Verlust des Strömungsmittels durch Leckage und einen daraus resultierenden Meßfehler aufgrund einer fehlerhaften Druckübertragung auf den Drucksensor zu verhindern.

Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Druckwandler mit einem verbesserten Aufbau zur Befestigung und Abdichtung der druckempfindlichen Membraneinheit an dem Gehäuse zu schaffen.

Weiterhin besteht eine der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe darin, eine verbesserte Dichtung für einen Druckwandler des Typs zu schaffen, in dem die druckempfindliche Membran in einer hermetisch

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abgeschlossenen.Strömungsmittelkammer angeordnet ist, auf die der zu messende Druck durch eine trennende Membran übertragen ist.

Diese Aufgaben werden, kurz gesagt, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Druckwandlergehäuse zwei zusammenpassende Teile aufweist. Ein erster Teil besitzt Innenwände, die eine Strömungskammer bilden, und ein zweiter Teil hat konische Innenwände, die einen Befestigungssockel für einen langgestreckten Träger bilden, der einen Teil der Membraneinheit darstellt· Eine keilförmige Dichtung, die in den Befestigungssockel gegossen ist,' ordnet die Membraneinheit richtig in der Strömungsmittelkammer an. Die Strömungsmittelkammer ist mit einer Flüssigkeit gefüllt und durch eine trennende Membran geschlossen, auf die der zu messende Druck ausgeübt wird. Der Druck in der Strömungsmittelkammer drückt die Dichtung keilförmig in einen dichtenden Eingriff mit dem Membranträger und den konischen Sockelwändenο

Die Erfindung wird nun mit "weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht von einem Druckwandler, der die erfindungsgemäße Befestigungs- und Dichtungskonstruktion der Dichtungseinheit verkörpert»

Fig. 2 zeigt eine Haltevorrichtung, die zur Anordnung der Mpmbraneinheit verwendet wird, während die Dichtung gebildet wird.

In den Zeichnungen ist ein Druckwandler gezeigt,, der ein aus zwei zusammenpassenden Teilen 10 und 11 gebildetes Gehäuse aufweist, die komplementäre, mit Gewinden versehene Abschnitte 12 und 13 besitzen und in der gezeigten zusammengebauten Lage zusammengeschraubt sind. Um eine dichte Verbindung,zu bilden, sind die aneinander anstoßenden Oberflächen "ik und 15 der zusammenpassenden Teile poliert und nehmen zwischen sich eine Dichtscheibe 16 aus einem geeigneten hitzebeständigen und dichtenden Material wie z. B.

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Graphit auf.

JDas obere Gehäuseteil 10 weist einen mit einem Gewinde versehenen Vorsprung 17 auf, durch den das Wandlergehäuse in eine Gewindeöffnung in einer Umhüllung 18, wie z. B. einer Leitung oder einem Behälter, geschraubt werden kann, das ein Strömungsmittel enthält, dessen Druck gemessen werden soll.

Das Gehäuseteil 10 weist auch eine axiale Bohrung 19 auf, deren Innenwände eine Strömungsmittelkammer 20 bilden. Die Strömungsmittelkammer ist an der Oberseite durch eine flexible isolierende Membran 21 abgeschlossen, die aus einem geeigneten korrosionsbeständigen Material hergestellt ist. Ein derartiges Material ist eine Legierung, die als Elgiloy bekannt ist und aus ko # Kobalt, 20 % Chrom, 15 $> Nickel, 7 % Molybdän, 2 °k Mangan, 0,15 % Kohlenstoff, O,o4 % Beryllium und den Rest Eisen besteht. Die Membran ist an das Gehäuseteil 10 und an eine Unterlegscheibe 22 angeschweißt, wobei sich die Schweißfläche an dem Rand der Membran befindet und in der Zeichnung durch die Bezugszahl 23 bezeichnet ist. Die Scheibe 22 hat die Punktion, die Innenfläche der Membran über der Kammer 20 davor zu bewahren, während des Schweißvorganges benetzt zu werden. Bei einer Benutzung ist die Membran 21 dem Druck des Strömungsmittels in der Umhüllung 18 ausgesetzt, der durch den Wandler gemessen wird.

Der Wandler verwendet als Drucksensor eine Membran 24, die aus einem Halbleitermaterial, wie z. B. Silicium, hergestellt ist und einen zentralen aktiven Bereich aufweist, auf dem durch Festkörper-Diffusion nicht gezeigte Dehnungsmesser-Widerstandselemente ausgebildet sind. Gewöhnlich sind auf der Membran vier Widerstandeelemente angeordnet, so daß, wenn sich die Membran biegt, zwei der Elemente unter Zug und zwei unter Druck sind. Die Elemente sind untereinander so verbunden, daß sie eine Wheatstonebrücke bilden, von der Verbindungsdrähte 25 zu einer nicht gezeigten Widerstandsmeßschaltung führen, die eine Anzeige für den auf die Membran ausgeübten Druck liefert. Derartige Druckmeßmembranen sind an sich

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bekannt und können beispielsweise von dem Typ sein, der in dem US-Patent 3 537 319 beschrieben ist.

Die druckempfindliche Membran 2k ist auf einer Vorrichtung angebracht, die einen langgestreckten Träger 26 umfaßt, der aus Glas hergestellt und mit einer axialen Bohrung 27 versehen ist. Die Membran ist auf dem einen Ende 28 des Trägers angeordnet, so daß ihr die Spannungsmeßelemente tragender aktiver Bereich über der Bohrung 27 liegt. Der äußere festgehaltene Rand der Membran ist integral an dem Trägerende 28 befestigt. Dies geschieht Vorzugs— weise durch ein anodisches Verbindung-sv erfahr en, wie es in dem US-Patent 3 397 278 beschrieben ist. Um thermische Spannungen auf der Membran zu eliminieren, die durch eine unterschiedliche Ausdehnung der Membran und ihres Trägers hervorgerufen werden, ist das Glas, aus dem der Träger hergestellt ist, so ausgewählt, daß es einen Ausdehnungskoeffizienten besitzt, der etwa der gleiche ist, wie derjenige der Siliciummembran. Ein derartiges Glas ist ein Borsilikatglas, das von der Corning Glass Company hergestellt und als Pyrex 77^0 bezeichnet wird.

Die Membraneinheit weist auch einen herausführenden Leiterstreifen

29 auf, der vier im Abstand angeordnete Leiter trägt, an denen die Leiterdrähte 25 befestigt sind. Der Streifen führt in eine Öffnung

30 in dem unteren Ende des Gehäuseteiles 11, durch die Bohrung 27 des Trägers 26 hindurch und in eine zentrale Bohrung 3I i-^m Gehäuse. Leiterdrähte 32, die von dem unteren Ende des Leiterstreifens 29 ausgehen, sind an Kontaktstiften 33 von einem geeigneten elektrischen Verbindungsglied 3k befestigt, das auf dem Boden des Gehäuses angebracht ist. Nicht gezeigte Anschlüsse von dem Verbindungsglied führen zu einer Widerstandsmeßschaltung, durch die der auf die Membran 2k ausgeübte Druck auf bekannte Weise gemessen wird.

Um auf die Siliciummembran 2k einen Druck zu übertragen, der dem auf die trennende Membran 21 ausgeübten Druck entspricht, ist die Strömungsmittelkammer 20 vollständig mit einer geeigneten Flüssigkeit gefüllt, wie z. B. Silikonöl. Zu diesem Zweck ist ein Durch-

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laß 35 vorgesehen, der von der Außenseite des Gehäuseteiles 10 in die Strömungsmittelkammer führt. Dieser ist normalerweise durch ein Einfüllventil geschlossen, das eine Kugel 36 in einem konischen Hohlraum 37 aufweist, die durch eine Stellschraube 38 in ihrer geschlossenen Stellung verriegelt ist. Beim Füllen der Strömungsmittelkammer wird das Einfüllventil geöffnet und die Kammer evakuiert. Dann läßt man die Kammer mit getrocknetem und entlüftetem Silikonöl füllen, wonachdas Einfüllventil geschlossen wird. Damit die trennende Membran 21 den Druck richtig auf die Siliciummembran 2k überträgt, muß die Strömungsmittelkammer 20 vollständig mit Öl gefüllt sein, um Kompressibilitätswirkungen zu vermeiden. Somit ist es sehr wichtig, daß die Strömungsmittelkammer hermetisch abgedichtet wird, so daß kein Öl heraustreten kann, selbst wenn es den oben erwähnten hohen Betriebsdrucken ausgesetzt ist.

Erfindungsgemäß ist die Membraneinheit in einer Weise in dem Gehäuseteil 11 angebracht und mit diesem abgedichtet, die im folgenden zu beschreiben ist und die eine Leckage von der Strömungsmittelkammer verhindert und denjenigen Teil der Einheit in die richtige Lage bringt, der in die Strömungsmittelkammer 20 in dem oberen Gehäuseteil 10 hineinragt.

Das untere Gehäuseteil 11 weist einen Sockel 39 auf, der den unteren Abschnitt des Membranträgers 26 aufzunehmen und zu halten vermag, der auf einer Schulter ^O ruht, die um den Oberteil der Bohrung 31 herumführt. Die Seitenwände k1 des Sockels sind abgeschrägt, wie es in den Figuren dargestellt ist, um einen keilförmigen Dichtraum zwischen den Wänden 41 und dem Träger 26 zu bilden. Dieser Hohlraum wird in der folgenden Weise mit einem Dichtmittel gefüllt.

Wenn das obere Gehäuseteil 10 und der Membranträger 26 entfernt sind, wird eine in Fig. 2 gezeigte Einstell-Haltevorrichtung auf den Gewindeabschnitt 13 des unteren Gehäuseteiles 11 geschraubt. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, weist die Haltevorrichtung einen Gewindemutterabschnitt ^3 auf, von dem nach oben ragende Arme kk

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ausgehen, die eine zentrale Buchse 45 mit einer so dimensionierten Öffnung tragen, daß sie den Membranträger 26 aufnimmt und genau in die richtige Lage bringt_o Dann wird der Träger so eingesetzt, daß sein Boden auf einer Schulter 4o ruht und sein oberer Abschnitt von der Buchse .45 in einer richtigen Lage gehalten wird, so daß, wenn das Teil 10 zusammengebaut ist, die Seiten des Trägers den richtigen.Spielraum in Bezug auf die Seitenwände 19 der Strömungsmittelkammer 20 besitzen. In der Praxis ist dieser Spielraum recht klein. Er liegt in der Größenordnung von 0,127 mm (0,005 Zoll), um das Ölvolumen in der Strömungsmittelkammer möglichst klein zu machen und dadurch jede Druckänderung zu verkleinern, die durch eine Expansion oder Kontraktion des Öles bei Temperaturänderungen hervorgerufen wird.

Wenn der Membranträger durch die Haltevorrichtung 42 richtig in dem Sockel 39 angeordnet ist, wird der Dichtraum mit einem geeigner ten Dichtungsmittel in flüssiger Form gefüllt, das an den Wänden 41 und dem Träger anhaftet und zur Ausbildung einer keilförmigen Dichtung 46 aushärtet. Die Haltevorrichtung wird dann entfernt und das obere Gehäuseteil 10 zusammengebaut, so daß die Teile die in Fig. 1 gezeigte Stellung einnehmen. Ein gefundenes Dichtungsmittel, das gute Ergebnisse liefert, ist ein wärmeaushärtbares Epoxyharz, das kommerziell von der Emerson und Guming, Inc. Canton, Mass., erhältlich ist und unter dem Handelsnamen Eccobond 88 vertrieben wird. Dies ist ein mit einem inerten Material gefülltes Kunstharz, so daß es einen relativ kleinen Ausdehnungskoeffizien-ten besitzt, der sich den Ausdehnungskoeffizienten des Glasträgers 26 und des Gehäuses aus rostfreiem Stahl besser annähert. Es besitzt auch gute Klebe- und desgleichen Gießeigenschaften, um die Bildung einer guten Dichtung zu unterstützen, und wird nicht durch den Einfluß des Silikonöls beeinträchtigt. Es wird in flüssiger Form aufgebracht, wobei die benachbarten Teile auf etwa 125 °Q vorgewärmt werden, um sicherzustellen, daß es gut um die abzudichtenden Teile herumfließt. Dann wird es ausgehärtet, indem es auf etwa 165 °C erhitzt wird. Bei dieser Temperatur erfolgt eine Verfestigung und Aushärtung.

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Bei einer Anwendung wird der Strömungsmitteldruck in der Kammer 20 auf den Oberteil der keilförmigen Dichtung k6 ausgeübt» der die Dichtung nach unten in einen festen Kontakt mit den abgeschrägten Wänden 41 und den benachbarten Wänden des Glas trägers 26 drückt. Somit wird durch den Strömungsmitteldruck jeder Tendenz der Dichtung, sich aufgrund einer unterschiedlichen Ausdehnung des Glasmembranträgers und der Gehäusewände aus rostfreiem Stahl zu öffnen und Öl herauszulassen, kontinuierlich entgegengewirkt. Da sich die Dichtung ferner vollständig um den Glasträger 26 herum erstreckt, wird der Keildruck gleichförmig um den Träger herum über eine breite Fläche ausgeübt und dadurch vermeidet sie Beanspruchungskonzentrationen, die das Glas zerbrechen könnten. Ferner wird eine Druckkraft auf das Glas ausgeübt, das auf Druck viel stärker beanspruchbar ist als auf Zug.

Beim Vergießen des Dichtungsmittels muß selbstverständlich darauf geachtet werden, daß die Bohrung 31 nicht gefüllt oder verstopft wird, die offenbleiben muß, so daß eine zu messende Druckdifferenz über der dehnungsempfindlichen Membran 24 ausgeübt wird.

Die Erfindung ist zwar in Verbindung mit einem abgeschlossenen, flüssigkeitsgefüllten Druckwandlertyp beschrieben worden, sie ist aber auch auf offene Typen anwendbar, bei denen der zu messende Druck direkt gegen die spannungsempfindliche Membran ausgeübt wird. In diesem Falle übt der gemessene Druck die Keilkraft direkt auf die Dichtung 46 aus.

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Claims

Ansprüche

Γ) Druckwandler, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (1O) mit ersten und zweiten zusammenpassenden Teilen (10, 11), von denen das erste Gehäuseteil (1O) Innenwände (19) aufweist, die eine Strömungsmittelkammer (20) bilden, die einem unter Druck stehenden Strömungsmittel ausgesetzt ist, und von denen das zweite Gehäuseteil (11) abgeschrägte Innenwände (4i) aufweist, die einen Befestigungssockel (39) bilden, der sich in die Strömungsmittelkammer (20) öffnet, eine Wandlervorrichtung, die einen langgestreckten Träger (26) und eine dehnungsempfindliche Membran (24) umfaßt, die auf dem einen Ende (28) des Trägers (26) angebracht ist, Mittel zur Befestigung der Wandlervorrichtung auf dem Gehäuse, so daß das andere Ende des Membranträgers (26) in dem Befestigungssockel (39) des zweiten Gehäuseteiles (11) gehalten ist, wobei die Seitenteile neben dem anderen Ende zusammen mit den abgeschrägten Wänden (4i) einen Dichtungsraum bilden und das Membranende (28) und die benachbarten Seitenteile in die Strömungsmittelkammer (20) des ersten Gehäuseteiles (1O) im Abstand zu den Innenwänden (19) hineinragen, wenn die zwei Gehäuseteile (10, 11) passend zusammengesetzt sind, und eine keilförmige Dichtung (46), die in dem Dichtungsraum angeordnet ist und durch die Wirkung des Druckes in der Strömungsmittelkammer (20) in einen abdichtenden Kontakt mit den Seitenwänden des Membranträgers (26) und den abgeschrägten Sockelwänden (4i) gekeilt ist.
2. Druckwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem ersten Gehäuseteil (1O) eine flexible trennende Membran (21) angebracht ist, die die Strömungsmittelkammer (20) abschließt, und die Strömungsmittelkammer vollständig mit einer Füllflüssigkeit gefüllt ist, so daß der durch die trennende Membran (21) auf die Füllflüssigkeit ausgeübte Druck durch die Flüssigkeit auf die Dehnungsmessermembran (21) und die Dichtung (46) übertragen ist.

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3. Druckwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Membranträger (26) aus Glas gebildet ist und die Dichtung (46) ein Epoxyharz ist.
4. Druckwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Membranträger (26) aus Glas gebildet ist, die Dichtung (46) ein Epoxyharz und die Flüssigkeit ein Silikonöl ist.
5. Druckwandler nach Anspruch 2, dadurch gekenn- - zeichnet, daß der Membranträger (26) eine axiale Bohrung (27) aufweist, die einen zur Außenseite des Gehäuses (10) führenden Durchlaß bildet, und die Membran (24) einen aktiven Bereich aufweist, der über der Bohrung (27) liegt.
6. Druckwandler nach Anspruch 5t dadurch gekennzeichnet , daß die dehnungsempfindliche Membran (24) ein Piezowiderstandselement ist mit integralen Widerstandselementen, die mit elektrischen Leitern (25) verbunden sind, die durch die axiale Bohrung (27) aus dem Gehäuse (1O) herausführen.

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