DE2552393C2

DE2552393C2 - Druckaufnehmer

Info

Publication number: DE2552393C2
Application number: DE2552393A
Authority: DE
Inventors: Mathijs Antonius Karsmakers; Gerardus Henricus Johannus Eindhoven Somers
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1974-12-02
Filing date: 1975-11-22
Publication date: 1985-03-28
Also published as: NL7415668A; US4040297A; DE2552393A1; GB1497185A; FR2293704B1; SE7513381L; BE836168A; ES443094A1; FR2293704A1; AU504614B2; JPS5821688B2; AU8706775A; IT1051748B; JPS5183578A

Description

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l| sichere und längere Wirkung gewährleistet ist Der er- Auf dem isolierenden Halter 4 ist ein druckempfindli-

H findungsgemäße Druckaufnehmer eignet sich insbeson- ches Element 7 befestigt Das druckempfindliche EIe- VJi dere zum Gebrauch unter ungünstigen Umständen. ment besteht aus einem Halbleitermaterial, wie Siliziuih.

■ftj Bei einer günstigen Ausführungsform ist nach der Er- Es hat einen verdickten Rand 8 und eine dünne Mem-

findung der Halter mit einer hermetischen Verbindung 5 bran 9. In der Membran 9 sind druckempfindliche Wi-

|λ auf einem ringförmigen Trägerkörper befestigt der mit derstände vorgesehen, beispielsweise durch Diffusion

sK einer Bohrung versehen ist welcher Trägerkörper am oder Implantation einer Verunreinigung. Die Wider-

* Stirnteil des Gewindebolzens hermetisch befestigt ist stände sind vorzugsweise entsprechend einer Wheatsto-

[S Dabei ist der ringförmige Trägerkörper als Trennwand ne-Brücke geschaltet. Bei Verformung der Membran

ϊ-i zwischen dem Vakuum und der Zuführungsbohrung für io wird an den Widerständen ein elektrisches Signal erhal-

;| das Fluid wirksam. Dieser ringförmige Trägerkörper ten.

ί| weist eine gute Festigkeit gegen mechanische und ther- Das druckempfindliche Element 7 ist mit dem ver-

'*:\ mische Belastungen auf, so daß die hermetischen Ver- dickten Rand 8 auf dem Halter 4 befestigt Es hat sich

.;: bindungen äußerst dauerhaft sind. dabei als besonders günstig erwiesen, diese Verbindung

% Bei einer weiteren Ausführungsform besteht nach der 15 durch Zwischenlegung eines Aluminiumringes zu bil-

ϊί Erfindung der isolierende Walter aus einem Hartglas den, der durch Thermokompression die Befestigung der

; / und die Verbindung des druckempfindlichen Elementes beiden Teile ergibt. Es stellt sich heraus, daß diese Ver-

mit dem Halter wird durch einen Ring aus Aluminium bindung äußerst vakuumdicht und äußerst beständig ist

gebildet der durch Thermokompression an den beiden gegen thermische Belastung, wozu die Wahl eines HaI-

Teilen befestigt ist 20 ters 4 aus Hartglas in günstigem Sinne beiträgt

Das Hartglas weist fast denselben Ausdehnungskoef- Auf dem isolierenden Halter 4 ist ussiter ein isolierenfizienten auf wie das druckempfindliche Element, wo- des Substrat 10 festgelötet; auf dem Sub&yat 10 ist eine durch eine dauerhafte, gegen thermische Belastung be- elektronische Schaltung vorgesehen, beispielsweise in ständige Verbindung möglich ist Es hat sich herausge- Hybridtechnik; ein integrierter Verstärker 11 bildet eistellt daß sich die Thermokompressionsverbindung mit 25 nen Teil der Schaltung. Die Widerstände in der Memdem Aluminiumring durchaus zum Befestigen des bran 9 sind durch Drähte 15 mit der elektronischen druckempfindlichen Elementes am Halter eignet Eine Schaltung verbunden. In die Schaltung können Operaweitere Ausführungsform der Erfindung ist dadurch ge- tionsverstärker aufgenommen sein, die die Ausgangskennzeichnet daß auf der vom isolierenden Halter ab- spannung der in einer Wheatstone-Brücke geschalteten gewandten Seite des druckempfindlichen Elementes ein 30 Widerstände in der Membran 9 in einen Proportionaldeckeiförmiger Körper befestigt ist wobei zwischen strom umwandeln.

dem deckeiförmigen Körper und dem druckempfindli- Eine Haube 12 bildet den Abschluß der Umhüllung,

chen Element ein Raum vorhanden ist, in dem Vakuum . Die Haube J2 ist mit der Stirnfläche des Gewindebol-

herrscht. Dabei wird das Vakuum durch Verwendung zens verschweißt In der Haube herrscht Vakuum, wo-

des deckeiförmigen Körpers beibehalten. An die Ver- 35 durch eine Messung von Absolutdrücken möglich wird,

bindung der weiteren Elemente brauchen dann wesent- Die Haube 12 ist beispielsweise an der oberen Wand aus

Hch weniger strenge Anforderungen gestellt zu werden. Glas gebildet, durch das elektrische Anschlußleiter 13

während die Genauigkeit der Messung nicht beein- hindurchgeführt sind Die Leiter 13 sind mit je einer

trächtigt wird. Der deckeiförmige Körper kann mit Vor- Feder 14 versehen, die mit einer Kontaktstelle der

teil dadurch iuf dem druckempfindlichen Element befc- 40 Schaltungsanordnung auf dem Substrat 10 in Verbin-

stigt sein, daß ein Aluminiumring durch Thermokom- dunrr steht.

pression an den beiden Teilen befestigt ist. Der obenstehend beschriebene Druckaufnehmer eig-

Eine geeignete elektrische Verbindung wird erhallen, net sich durchaus als Mittel bei einer Regelung der rich-

wenn die Anschlußleiter über Federelemente mit Kon- tigen Luftzufuhr zu Verbrennungsmotoren, wobei eine

taktstellen auf dem Substrat in Verbindung stehen. 45 optimale Verbrennung einen hohen Wirkungsgrad er-

Ausfühnrngsbeispiele der Erfindung sind in der gibt und Luftverschmutzung vermeidet Die Konstruk- Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher tion ist gegen thermische und mechanische Belastungen

beschrieben. Es zeigt beständig, das Vakuum bleibt längere Zeit beibehalten.

Fig. 1 eine Ausführungsform des Druckaufnehmers, Die in die Umhüllung aufgenommene elektronische

der zum Messen der Zuluft für einen Verbrennungsmo- 50 Schaltung befindet sich im Vakuum und wird auf diese

tor geeignet ist, Weise eine günstige Wirkung und eine lange Lebens-

Fig.2 c^;ne Einzelheit einer anderen Ausführungs- dauer haben. Es dürfte einleuchten, daß im Rahmen der

form. Erfindung Abänderungen in der Konstruktion des

In F i g. 1 ist ein Druckaufnehmer dargestellt, der Druckaufnehmers möglich sind. So kann der Halter 4

durch Verwendung eines Gewindebolzens 1 befestigt 55 statt aus Hartglas auch aus einem anderen 'soiierenden

werden kann. Im Gewindebolzen gibt es eine Längsboh- Material bestehen. Hartglas hat sich jedoch durchaus

rung 2, die im Betrieb mit dem Fluid in Verbindung bewährt. Auch kann der Halter unmittelbar auf der

steht, dessen Druck bestimmt werden soll. Auf der Stirn- Stirnfläche des Gewindebolzens 1 befestigt werden. Die

seite des Gewindebolzens ist ein ringförmiger Träger- Verwendung eines Trägerkörpers 3 der dargestellten

körper 3 befestigt. Der Trägerkörper 3 besteht bei- 60 oder einer anderen Form ist jedoch günstig für eine gute

spielsweise aus Invar, einer Nickel-Eisenlegierung. Der hermetische Abdichtung. Weiter ist die Verwendung

Trägerkörper 3 ist mit dem Kopf des Gewindebolzens der Federn 14 nicht notwendig, auch weitere Einzel-

verschweißt. Ein isolierender Halter 4 aus Hartglas, bei- heitsabweichungen sind möglich,

spielsweise Borosilikatglas mit einem thermischen Aus- F i g. 2 zeigt in vergrößertem Maßstab eine Einzelheit

dehnungskoeffizierten entsprechend dem von Silizium, 65 einer weiteren Ausiührungsform. Bei dieser Ausfüh-

ist mit dem Trägerkörper 3 verlötet. Der Trägerkörper rungsform braucht nicht in der ganzen Abschlußhaube

3 sowie der Halter 4 shrf mit einer Bohrung 5 bzw. 6 Vakuum zu herrschen, was die Anforderungen an die

versehen. Verbindungen zwischen den Teilen des Druckaufneh-

men weniger hoch macht. Auf dem isolierenden Halter 4, der wieder vorzugsweise aus einem Borosilikatglas besteht, ist das druckempfindliche Element 7 befestigt. Der verdickte Rand 8 ist dazu mit einem Aluminiumring 16 am Halter 4 befestigt, und zwar durch Thcrmokom- s pression. Die Membran 9 ist mit einem verdickten Mittenteil 17 versehen, wodurch eine besonders gute Linearität zwischen der Verformung der in der Membran vorhandenen Widerstände und der Ausgangsspannung der Widerstände erhalten wird. Auf der oberen Seite des druckempfindlichen Elementes ist eine nicht dargestellte isolierende Schicht aus beispielsweise Siliziumdioxid vorhanden. Auf dem druckempfindlichen Element ist ein deckelföriniger Körper 18 befestigt; im Raum zwischen dem deckeiförmigen Körper 18 und is dem druckempfindlichen Element 7 herrscht Vakuum. Die Verbindung zwischen diesen beiden Teilen besteht vorzugsweise aus einem Aluminiumring 19; die Befestigung ist durch Thermokompression hergestellt. Diese Ausbildung ermöglicht die Messung von Absolutdrükken auf einfache Weise, und zwar durch das Vorhandensein des Vakuumraums unmittelbar über der Membran 9.

Hierzu t Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Druckaufnehmer zum Messen des Drucks in einem Fluid, wobei ein druckempfindliches Element zum Umwandeln mechanischer Spannungen in elektrische Signale in eine Umhüllung aufgenommen ist, welches Element aus Halbleitermaterial gebildet ist und eine Membran enthält, in der druckempfindliche Widerstände vorgesehen sind,

während das Element einen verdickten Rand aufweist, mit dem es in der Umhüllung befestigt ist, dadurch gekennzeichnet,
daß die Umhüllung aus einem Gewindebolzen (1) gebildet ist, der in Längsrichtung eine Bohrung (2) aufweist,

daß an der oberen Fläche des Gewindebolzens (1) ein isolierender Halter (4) befestigt ist, der ebenfalls eine Bohrung (6) aufweist, wobei auf dem isolierenden Halter (4) an der Stelle der Bohrung (6) das druckempfindliche Element (7) befestigt ist.
daß auf dem Halter (4) ein Substrat (10) vorhanden ist, das mit Elementen versehen ist, die eine elektrische Verstärkerschaltung bilden, welche Schaltung mit den druckempfindlichen Widerständen in der Membran (9) in Verbindung steht,
und wobei eine Haube (125 die Umhüllung abschließt, durch welche Haube (12) Anschlußleiter (13) hindurchgeführt sind, die mit Kontaktstellen auf dem Substrat (10) in Kontakt stehen.

2. Druckaufnehmer nach Anspruch t, dadurch gekennzeichnet, daß der Halter (4) mit einer hermetischen Verbindung auf einem ,ingförmigen Trägerkörper befestigt ist, der mit einer Bohrung versehen ist, welcher Trägerkörper an de Stirnfläche des Gewindebolzens (1) hermetisch befestigt ist

3. Druckaufnehmer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der isolierende Halter (4) aus einem Hartglas besteht und die Verbindung des druckempfindlichen Elementes (7) mit dem Halter (4) durch einen Ring aus Aluminium (16) gebildet ist, der durch Thermokompression an den beiden Teilen befestigt ist

4. Druckaufnehmer nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf der vom isolierenden Halter (4) abgewandten Seite des druckempfindlichen Elements (7) ein deckeiförmiger Körper (18) befestigt ist, wobei zwischen dem deckeiförmigen Körper (18) und dem druckempfindlichen Element (7) ein Raum vorhanden ist, in dem Vakuum herrscht.

5. Druckaufnehmer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der deckeiförmige Körper (18) dadurch auf dem druckempfindlichen Element (7) befestigt ist, daß ein Aluminiumring (16) durch Thermokompression an den beiden Teilen befestigt ist.

6. Druckaufnehmer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußleiter (13) über Federelemente (14) mit Kontaktstellen auf dem Substrat (10) in Verbindung stehen.

7. Druckaufnehmer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in die elektrische Verstärkerschaltung auf dem Substrat (10) Operationsverstärker aufgenommen sind, wobei die Ausgangsspannung der in einer Wheatstone-Brücke geschalteten Widerstände der Membran in einen Strom umgewandelt wird.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Druckaufnehmer zum Messen des Druckes in einem Fluid, wobei ein druckempfindliches Element zur Umwandlung mechanischer Spannungen in elektrische Signale in eine Umhüllung aufgenommen ist, welches Element aus Halbleitermaterial gebildet ist und eine Membran enthält, in der druckempfindliche Widerstände angeordnet sind, während das Element einen verdickten Rand aufweist, mit dem es in der Umhüllung befestigt ist

ίο Ein derartiger Druckaufnehmer ist in der niederländischen Patentanmeldung 68 17 089 beschrieben worden: dieser bekannte Druckaufnehmer eignet sich insbesondere zum Messen von Blutdruck in einem Blutgefäß.
Für andere Anwendungen wird jedoch eine geeignete

Umhüllung gefunden werden müssen. So wird beispielsweise bei Messung der Zuluft für einen Verbrennungsmotor eine robuste Konstruktion notwendig sein, bei der das Montieren und Demontieren einfach ist und die Betriebssicherheit auch unter ungünstigen Umständen für eine längere Zeit gewährleistet ist Für eine genaue Messung absoluter Drücke ist es notwendig, daß an einer Seite der Membran ein Vakuum anliegt

Aus der DE-OS 22 48 004 und der DE-OS 23 00 254 sind Druckaufnehmer der obengenannten Art bekannt deren Membranen jedoch keinen evakuierten Raum abschließen, so daß eine genaue Messung des absoluten Druckes unmöglich ist Außerdem lassen sich die bekannten Druckaufnehmer nicht schnell und einfach montieren bzw. demontieren.

Ein auf den Seiten 83 bis 88 der Zeitschrift »Electronics« vom 04.12.1572 beschriebener Druckaufnehmer weist zwar eine Membrane auf, die einen evakuierten Raum abschließt. Der Druckaufnehmer ist jedoch nicht robust genug, um eine längere Zeit unter ungünstigen Umständen fehlerfrei zu funktionieren. Auch dieser Druckaufnehmer läßt sich weder einfach montieren noch einfach demontieren.

Aus der US-PS 35 20 191 ist ein robust ausgebildeter Druckaufnehmer bekannt, der jedoch kein druckempfindliches Element aus Halbleitermaterial mit einer Membrane aufweist, auf der druckempfindliche Widerstände angebracht sind, die dem erfindungsgemäßen Druckaufnehmer eine so hohe Meßempfindlichkeit geben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen robust konstruierten Druckaufnehmer zu schaffen, der einfach und schnell zu montieren und zu demontieren ist, der eine genaue Messung des absoluten Druckes ermöglicht und der lehr empfindlich ist

se- Dazu ist nach der Erfindung der Druckaufnehmer dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung aus einem Gewindebolzen gebildet ist, der in Längsrichtung eine Bohrung hat, daß an der oberen Fläche des Gewindebolzens ein isolierender Halter befestigt ist, der ebenfalls eine Bohrung aufweist wobei auf dem isolierenden Halter an der Stelle der Bohrung das druckempfindliche Element befestigt ist, daß auf dem Halter ein Substrat vorhanden ist mit Elementen, die eine elektrische Verstärkerschaltung bilden, welche Schaltung mit den druckempfindlichen Widerständen in der Membran in Verbindung steht, und wobei eine Haube die Umhüllung abschließt, durch welche Umhüllung Anschlußleitcr hindurchgeführt sind, die mit Kontaktstellen auf dem Substrat kontaktiert sind.

Dadurch, daß die elektrische Verstärkerschaltung in die Umhüllung aufgenommen ist. wird ein gedrängtes Ganzes erhalten und die Verstärkerschaltung ist vor Einflüssen von außen durchaus geschützt, so daß eine