DE3004031A1

DE3004031A1 - Druckaufnehmer

Info

Publication number: DE3004031A1
Application number: DE19803004031
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr.-Ing. 2081 Ellerbek Bethe
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1980-02-05
Filing date: 1980-02-05
Publication date: 1981-08-13
Also published as: DE3004031C2

Description

"Druckaufnehmer"
Die Erfindung bezieht sich auf einen planaren Druckaufnehmer, insbesondere für Miedrige Drücke, enthaltend eine dem zu messenden Druck ausgesetzte Membran.
Als elastisches Element elektrischer Druckaufnehmer werden vorzugsweise biegesteife Membranen oder aber separate Biegebalken verwendet. Im Falle des Biegebalkens wird der zu messende Druck zuvor mittels eines Kolbens, der am Rande durch eine weiche Membrane abgedichtet ist, in eine Kraft umgesetzt. Das Problem der biegesteifen Membrane ist die mit fallendem Meßdruck zu verringernde Membranstärke, die für Meßbereiche unterhalb 1 bar unter 0,1 mm liegt und daher in der erforderlichen Genauigkeit schwierig herzustellen ist. Bei der Verwendung von Folien treten Schwierigkeiten durch Walztexturen und bei der Einspannung auf.
Weiterhin übersteigt die mit fallender Membranstärke vergrößerte Nichtlinearität der Druck-Verformungs-Kennlinie leicht die 1%-Marke. Die Schwierigkeiten der zweiten Lösung liegen in der aufwendigen Konstruktion einer temperatur-unabhängigen, vibrations-unempfindlichen Kraftübertragung vom druckbelasteten Kolben zu dem dahinter, d.h. in einer anderen Ebene liegenden, kraftmessenden Biegebalken und in der Realisierung einer ausreichend weichen Dichtmembrane. Die Probleme beider Lösungen steigen bei Verringerung des Membrandurchmessers stark an.
Zur Detektion des Meßweges bzw. der Dehnung werden kapazitive und induktive Sensoren bzw. Dehnungsmeßstreifen in Form von freigespannten Drähten, ge- klebten Folien oder aufkondensierten Dünnfilmen verwendet.
Ein derartiger Druckaufnehmer ist in Fig.1 gezeigt. Ein zu messender Druck p wirkt auf einen Kolben K, der mittels einer weichen Membran M in einem Gehäuse eingespannt ist Ein Stößel 5 setzt den zu messenden Druck p in eine Biegekraft für einen Biegebalken B um, der mit Dehnungsmeßstreifen DMS bestückt ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Druckaufnehmer der eingangs genannten Art zu schaffen, der einfacher herzustellen und anzuwenden ist und besonders für niedrige Drücke geeignet ist.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufhabe besteht darin, daß die Membran aus einer äußeren, dünnen und weichen Deckschicht und einem darunter liegenden starren Rand besteht, der über wenigstens einen als beidseitig eingespannter Biegebalken wirkenden Steg mit einem einseitig dem zu messenden Druck ausgesetzten Kolben verbunden ist , und daß Mittel vorgesehen sind zur Messung der Verformung oder Verlagerung des Biegebalkens.
At3tlsnd der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel näher beschrieben. Darin zeigen: Fig.2a eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Druckaufnehmer, Fig.2b einen Schnitt durch einen Aufnehmer gemäß der Linie A-C in Fig.2a, und Fig.3 einen vergrößerten Ausschnitt aus einem Aufnehmer nach Fig.2.
Unter einer in Fig.2a nicht dargestellten äußeren, dünnen und weichen Deckschicht D liegt ein starrer Rand R.
Konzentrisch dazu liegt in der gleichen Ebene eine als Kolben wirkende Platte K, die über zwei Biegeelemente B1 und mit dem Rand R verbunden ist. Diese Biegeelemente tragen in an sich bekannter Weise Dehnungsmeßstreifen und wirken als zweiseitig eingespannte Biegeelemente. Wie der vergrößerte Ausschnitt nach Fig.3 zeigt, wird dabei jeweils ein Uehnungsmeßstreifen auf Zug, der andere auf Druck beansprucht.
Je nach Anwendungszweck können auch weniger oder mehr Stege mit Dehnungsmeßstreifen vorgesehen sein.
Zweckmäßigerweise sind die drei Elemente R, K und B einstückig ausgeführt, z.B. aus einem Blech gestanzt oder geätzt.
Besonders vorteilhaft ist die Verwendung eines mehrschichtigen Bleches, z.B. eines Double aus CuBe/AgPd.
Hierbei bildet das dicke CuBe-Blech den Federkörper R, K, B, welche Struktur z.B. durch selektive Ätzung realisiert wird, während die dünne AgPd-Deckschicht vollständig erhalten bleibt und so die Deckmembrane D bildet. Bei der Verwendung von Hochtemperaturprozessen zur DMS-Deposition dagegen wird der strukturierte Federblechkörper R, K, B nachträglich durch eine dünne Metall- oder Kunststoffolie abgeschichtet.
Die dünne Deckschicht D hat die Aufgabe, den Druck p von der Innenseite des Kolbens fern zu halten sowie das Innere des Druckaufnehmers zu schützen. Dieser kann sich in bekannter Weise in einem Gehäuse befinden.
Die erfindungsgemäße Ausführung eines Druckaufnehmers bietet den Vorteil eines sehr kompakten Aufbaues, auch ist er temperatur- und erschütterungsunempfindlich.
Auch bereitet seine Herstellung keine fertigungs- technischen Schwierigkeiten. Die Dehnungsmeßstreifen sind zweckmäßigerweise in Dünnfilm-Technologie hergestellt, wofür sich polykristalline Filme aus Silicium sehr gut eignen.
Ein Druckaufnehmer für z.B. 1 bar mit einer Maximaldehnung von 2. 10-2 besitzt z.B. die folgenden Abmessungen: Dicke der Biegebalken = 0,2 mm; Länge der Biegebalken = 3 mm; Breite der Biegebalken = 1 mm; Dicke der Deckschicht = 50 jum Drücke von wenigen Millimeter Wassersäule lassen sich ohne Schwierigkeiten messen.
Es ist auch möglich, die Verlagerung des Kolbens auf kapazitivem Wege, z.B. durch eine Gegenelektrode, zu messen.

Claims

Patentansprüche: 419 Planarer Druckaufnehmer, insbesondere für niedrige Drücke, enthaltend eine dem zu messenden Druck ausgesetzte Membran, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran aus einer äußeren, dünnen und weichen Deckschicht (D) und einem darunter liegenden starren Rand (R) besteht, der über wenigstens einen als beidseitig eingespannter Biegebalken (B1,B2) wirkenden Steg mit einem einseitig dem zu messenden Druck (p) ausgesetzten Kolben (K) verbunden ist, und daß Mittel vorgesehen sind zur Messung der Verformung oder Verlagerung des Biegebalkens (B1,B2).
2. Druckaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Biegebalken (B1,B2) Dehnungsmeßstreifen (DMS) angeordnet sind.
3. Druckaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß gegenüber des Kolbens (K) eine Gegenelektrode angeordnet ist.
4. Druckaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Biegebalken (B1,B2) eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Rand (R) und dem Kolben (K) bilden.
5. Druckaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege durch parallel zu ihnen geführte Einschnitte in den Kolben verlängert sind.
6. Druckaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daßder aus dem Rand (R) dem Biegebalken (B1,B) und dem Kolben (K) bestehende Federkörper einstückig ausgebildet ist.
7. Druckaufnehmer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Federkörper aus mehrschichtigem Blech hergestellt ist.
8. Druckaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Druck zugewandte Deckschicht (D) aus einer Kunststoffolie besteht.
9. Druckaufnehmer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffolie einseitig mit einer dünnen und eine Fremdstoffdiffusion verhindernden Metallschicht versehen ist.