DE3026785C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Druckmeßgerät mit einem mit
Anschlußstutzen versehenen Gehäuse, das einen Drucksensor mit
einer einem zu messenden Druck ausgesetzten Membran, mit einem
an der dem Anschlußstutzen abgewandten Seite der Membran ge
haltenen Abstandshaltering und mit einem hierdurch im Abstand
zur Membran gehaltenen Plättchen aufweist, wobei in dem Plätt
chen ein zentraler, durch schlitzförmige Öffnungen seitlich be
grenzter Steg ausgebildet ist, der von der Membran durch einen
Stößel auslenkbar ist und der Dehnungsmeßstreifen trägt, die an
eine elektronische Auswerteschaltung anschließbar sind.
Ein solches Druckmeßgerät ist aus der US-PS 33 89 362 bekannt.
Hierbei wird die Membran an ihrem Rand von einem zylindrischen
Ring getragen, der in das Gehäuse einsetzbar ist und auf
dessen Innenflansch das rechteckig ausgebildete Plättchen
mittels Schrauben festgelegt ist. Auf der oberen Oberfläche
des Plättchens, das rahmenartig ausgebildet ist, ist der Steg
auslegerartig mit einem Ende aufgeklebt, und dieser Trägerring
ist seinerseits oben durch eine Deckelscheibe abgeschlossen,
die die Durchführungen für die elektrischen Anschlüsse trägt.
Der Aufbau eines solchen Druckmeßgerätes ist äußerst kompliziert,
und der Zusammenbau erfordert mehrere zeitraubende Arbeitsvor
gänge mit Justage. Infolge der unvermeidbaren Toleranzen läßt
sich der Sensoraufbau nicht reproduzierbar genau herstellen und
erfordert daher langwierige Eicharbeiten.
Bei einem Druckmeßgerät gemäß der US-PS 40 56 008 ist in einem
zylindrischen Gehäuse, das beidseitig mit Deckeln mit Druck
mittelzuführungen ausgestattet ist, eine Membran ausgespannt,
die in der Zylinderachse einen Stößel trägt, der mit seinem
anderen Ende an einem in das Gehäuse eingeschweißten Plättchen
angreift. Dieses Plättchen bildet eine Begrenzung eines in das
Gehäuse eingesetzten flexiblen Rohres, das auf der anderen
Seite durch ein weiteres eingeschweißtes Plättchen abgeschlossen
ist. Auch hierbei erfordert die Herstellung zahlreiche manuelle
Arbeitsgänge, die toleranzbehaftet sind und genau reproduzier
bare Geräte ausschließen, so daß auch hier eine aufwendige
Abgleicharbeit erforderlich wird.
Ähnliche Betrachtungen gelten für einen in der DE-OS 29 21 043
beschriebenen Druckmeßwertwandler mit elektrisch abgeschirmten
piezoresistiven Dehnungsmessern. Der Druckwandleraufbau weist
dabei eine Grundplatte aus Siliziummaterial auf, auf der eine
Siliziumoxydschicht haftet, die eine Chromschicht und eine
Goldschicht trägt. Bei der Herstellung werden selektive und
anisotrope Ätzverfahren angewendet.
Die DE-OS 29 19 418 beschreibt einen Dehnungsmeßumformer, der
eine Fühleranordnung, einen Schichtenaufbau bestehend aus einem
Fühler, einer Fühlerabdeckung und einem dazwischenliegenden
Glasring als Dichtungselement aufweist. Die Oberfläche des
Fühlers ist geätzt, wobei dünnere Substratzonen gebildet werden
und Dehnungsmeßwiderstände über den dünneren Substratzonen ge
bildet sind, um die Linearität und Empfindlichkeit des Meßum
formers zu verbessern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes
Druckmeßgerät von einfachem Aufbau zu schaffen, welches einen
reproduzierbar genau herstellbaren Sensor aufweist, der billig
in Massenfabrikation herstellbar ist.
Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch die im Kennzeichnungs
teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Die laminierte
Bauweise des Drucksensors ermöglicht eine maschinelle Massen
fertigung auch in der Weise, daß zunächst ein breitflächiger
Schichtenverbundkörper geschaffen wird, der dann in einzelne
Sensoreinheiten aufgeteilt wird. Da die Blattmaterialien, die für
den Wandler benutzt werden, beispielsweise Folien aus Beryllium
kupfer, in engen Toleranzen hergestellt werden können, ergibt
sich eine reproduzierbare Genauigkeit, denn für die Reproduzier
barkeit ist es wichtig, daß die Dicke des Steges in engen Tole
ranzen gehalten wird.
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteran
sprüchen.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an
hand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 einen Längsschnitt einer bevorzugten Ausfüh
rungsform eines Druckmeßgerätes gemäß der Erfindung,
Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie 2-2 gemäß Fig. 1,
Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie 3-3 gemäß Fig. 1,
Fig. 4 ein Schaltbild,
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht, die zum Verständ
nis des Herstellungsverfahrens
beiträgt,
Fig. 6 eine perspektivische Ansicht einer Abwandlung
des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 und des in
Verbindung mit Fig. 5 beschriebenen Verfahrens,
Fig. 7 ein Explosionsschaubild einer abgewandelten Aus
führungsform eines Druckmeßgerätes gemäß der Erfindung,
Fig. 8 eine Schnittansicht längs der Linie 8-8 gemäß
Fig. 7,
Fig. 9 ein Explosionsschaltbild, welches dem Verständ
nis eines abgewandelten Herstellungsverfahrens
dient.
Der Sensor
10 besteht aus einem Schichtenaufbau aus drei
Schichten 12, 14 und 16. Die erste Schicht bzw. die Trä
gerschicht besteht aus einem Plättchen 12 aus Silicium oder
Germanium und ist
mit zwei schlitzförmigen Öffnungen 18 versehen, die so gestaltet sind,
daß dazwischen ein Steg 20 gebildet wird, der an
beiden Enden 22 eingespannt ist. Die kristallographi
sche Achse des Halbleitermaterials des Plättchens 12
verläuft über die Länge des Steges 20. Die
mittlere Schicht bzw. der Abstandshaltering 14 weist
eine Mittelöffnung 24 auf, die von
einem Stößel 26 durchsetzt ist. Die dritte Schicht,
die als Membran 16 ausgebildet ist, besteht aus
flexiblem Folienmaterial. Die Schich
ten 14 und 16 bestehen aus einem Material
mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der etwa
so groß ist wie jener der Schicht 12. Gemäß dem bevorzug
ten Ausführungsbeispiel, bei dem die Schicht 12 aus Sili
cium besteht, können die Schichten 14 und 16 aus einem
Glas mit niedrigem Ausdehnungskoeffizienten, beispiels
weise geschmolzenem Silicium, bestehen.
Die Schichten werden
innerhalb ihrer
Ebenen miteinander verbunden. Die Membran
16 weist innerhalb der Mittelöffnung 24 des Abstandshalteringes
14 einen aktiven Membranabschnitt 28 auf. Der Stößel
26 liegt derart, daß er sowohl den Steg 20 als
auch den Membranabschnitt 28 in der Mitte berührt, wo er festge
legt ist.
Der als Baueinheit ausgebildete Schichtenkörper 12, 14 und 16 kann
unter Abdichtung in einem Gehäuse untergebracht werden,
wobei der Umfangsrand der Membran 16 an einem Stirn
ringabschnitt eines Gehäuses 32 anliegt, dessen anderes Ende
bei 34 offen ist. An einem Ende des Gehäuses 32 ist ein
Mantel 36 befestigt, welcher vorn
mit einem Deckel 38 verschlossen ist.
Vorzugsweise wird eine halbe aktive Brückenkonfiguration
wie aus Fig. 2 ersichtlich vorgesehen, wobei zwei Dehnungsmeßstreifen
30 A, 30 B aus piezoresistivem Material durch
Diffusion, Ionenimplantation oder auf ande
re Weise auf einer Seite des Steges 20 aufgebracht sind,
d. h. auf jener Seite des Steges 20, die der Seite gegen
überliegt, die dem Stößel 26 zugewandt ist. Bei einer
Diffusion oder einer Ionenimplantation werden die
Dotierungspegel der Dehnungsmeßstreifen 30 A, 30 B im Hinblick auf optimale
piezoresistive Eigenschaften längs der kristallographi
schen Achse gewählt. Die Dehnungsmeßstreifen 30 A, B sind auf dem Steg so
angeordnet, daß ein Dehnungsmeßstreifen unter Druck steht und der an
dere unter Zugspannung, wenn der Steg 20 sich gemäß dem
Ausschlag des Membranabschnitts 28 verbiegt. Der Dehnungsmeßstreifen 30 A
wird von dem Steg 20 in der Nähe des einen Endes 22
so getragen, daß er unter Druck steht, wenn ein
positives Druckdifferential angelegt wird, d. h. wenn der
Druck des gemessenen Mediums in dem Gehäuse 32 den Be
zugsdruck innerhalb des Mantels 36 überschreitet. Umgekehrt
steht der Steg unter Spannung, wenn ein negatives Druck
differential angelegt wird, d. h. wenn der Druck des im
Gehäuse 32 zu messenden Mediums kleiner ist als der
Bezugsdruck innerhalb des Mantels 36. Der Dehnungsmeßstreifen 30 B
liegt benachbart zur Mitte des Steges, derart, daß er un
ter Spannung steht, wenn ein positives Druckdifferential
angelegt wird, während er zusammengedrückt wird, wenn ein
negatives Druckdifferential anliegt.
Wie am besten aus Fig. 1 erkennbar, sind die Dehnungsmeßstreifen 30 A
und 30 B miteinander und mit einem Anschluß 40,
von denen nur einer dargestellt ist, verbunden. Wie aus
Fig. 4 ersichtlich, sind die Anschlüsse 40 ihrerseits
mit äußeren Widerständen 42 A und 42 B derart verbunden,
daß eine Brückenschaltung gebildet wird, wobei die
Dehnungsmeßstreifen 30 A und 30 B zwei Arme der Brücke bilden. In be
kannter Weise wird eine Spannungsquelle 44 an die Brücke
an den gegenüberliegenden Brückenpunkten der Zweige ange
legt, um ein gleiches Eingangssignal an die kombinierten
zwei Brückenzweige anzulegen, die durch die Dehnungsmeßstreifen 30 A
und 30 B einerseits und die restlichen Arme der Brücke,
die von den Widerständen 42 A und 42 B andererseits gebil
det sind. In bekannter Weise wird ein Meßgerät
46 an die verbleibenden Brückenpunkte derart angelegt,
daß eine Änderung im Widerstand der Dehnungsmeßstreifen 30 A und 30 B
gemäß der Auslenkung des Steges 20 eine Änderung in der
Ablesung des Meßgerätes zur Folge hat. Es können zwei zu
sätzliche Dehnungsmeßstreifen entsprechend den Dehnungsmeßstreifen 30 A
und 30 B vom Steg 20 derart getragen werden, daß die sich
hieraus ergebenden vier von dem Steg getragenen Dehnungsmeßstreifen
jeweils paarweise druckbeaufschlagt bzw. zugbeaufschlagt
sind, wenn eine Auslenkung des Steges erfolgt. Bei einer
solchen Ausbildung werden die vier Dehnungsmeßstreifen
so verbunden, daß eine voll aktive Brückenschaltung
gebildet ist.
Im folgenden wird unter Bezugnahme auf Fig. 5 ein bevor
zugtes Verfahren zur Herstellung des Drucksensors 10 beschrie
ben. Der Drucksensor 10 wird dadurch hergestellt, daß drei
Plättchen 50, 52 und 54 (entsprechend den Schichten 12, 14
und 16 mehrerer Sensoren 10) so zusammengebaut werden,
daß das Trägerplättchen 50 eine Vielzahl von Öffnungen
18 aufweist, um eine Mehrzahl von Stegen 20 zu bilden, die
jeweils eine Anzahl von Dehnungsmeßstreifen 30 tragen.
Der Abstandshaltering 52 hat eine gleiche Anzahl von Öffnun
gen 24 für die Stößel 26, die ge
genüber den jeweiligen Stegen 20 ausgerichtet sind, und
das Membranplättchen 54 bildet eine gleiche Anzahl von Membran
abschnitten 28.
Die Plättchen 50, 52 und 54 werden
entweder verklebt oder bei
relativ hohen Temperaturen miteinander verschweißt.
Der hieraus resultierende Schichtenkörper wird dann durch Schnitte 56 in
Einzelbaueinheiten geschnitten, um einzelne Sensoren 10
zu schaffen, wie dies in Fig. 5
angedeutet ist.
Die Drucksensor-Baueinheiten 10
sind an einem Trägerring des Gehäuses 32 durch
Verschweißen oder Verkleben der Umfangsränder der Mem
bran 16 festgelegt.
Dann kann der Mantel 36 an Ort und Stelle befestigt wer
den und die Dehnungsmeßstreifen 30 werden miteinander und mit den An
schlußklemmen 40 verbunden, wobei der Deckel 38 an
Ort und Stelle festgelegt wird. Das Gehäuse kann abge
dichtet werden, um einen vorbestimmten Bezugsdruck für
den Wandler zu liefern (beispielsweise ein Vakuum), oder
statt dessen kann das Gehäuse auch nach der Atmosphäre
hin entlüftet sein.
Wie aus
Fig. 6 ersichtlich, können mehrere Gehäuse 32 A aus
einer einzigen Platte 58, vorzugsweise aus Glas wie bei
spielsweise geschmolzenem Silicium, hergestellt werden,
indem die Platte an vorbestimmten Stellen geätzt oder
durch Ultraschall geschliffen wird, um die Hohlräume 60
für jeden Sensor 10 auf einer Seite der Platte zu
bilden. Die Platte wird weiter geätzt oder geschliffen,
um eine Entlüftungsöffnung 62 a zu bilden, die jeden Hohl
raum 60 mit der gegenüberliegenden Seite der Platte 58 ver
bindet. Während der Herstellung der Plättchen 50, 52 und
54 wird die geätzte Platte 58 beispielsweise durch
Verkleben oder Verschweißen mit dem Plättchen 54 so ver
bunden, daß jeder Hohlraum 60 einem entsprechenden Mem
branabschnitt 28 zugewandt ist und diesen umgibt. Die
Verbindung der Plättchen 58 und 54 kann leicht bewerk
stelligt werden, nachdem das Plättchen 50 am Plättchen 52
festgelegt ist und die Öffnungen 24 hergestellt sind.
Wie aus Fig. 7 bis 9 er
sichtlich, können die einzelnen Plättchen 50 A und 52 A aus
Metall oder einer Metallegierung, beispielsweise
Berylliumkupfer, bestehen, und die Öffnungen 18 A und 24 A
können durch Ausstanzen hergestellt werden. Bei dem be
schriebenen Ausführungsbeispiel sind die Stößel 26 wegge
lassen, und die kreisförmigen Öffnungen 24 A sind in dem
Plättchen 52 A angeordnet, während die Kraftübertragungs
vorrichtung dadurch gebildet wird, daß die Öffnungen 18 A
so ausgestanzt werden, daß wenigstens eine, aber vorzugs
weise zwei abbiegbare Metallzungen 62 gebildet werden,
die einstückig etwa in der Mitte eines jeden Steges 18 A
ausgebildet sind. Die Plättchen 50 A, 52 A und 54 A können
dann metallurgisch durch Löten, Schweißen, Heißpressen
oder ähnliche Verfahren verbunden werden. Hierbei können
die einzelnen Zungen gegenüber dem Steg abgebogen werden,
bevor die Schichtenbildung erfolgt, derart, daß sie die
Membran 16 A etwa berühren, wenn die Bildung des Schichten
körpers erfolgt. Der gesamte Schichtenkörper kann dann in
Scheiben aufgeteilt werden, um einzelne Wandleraufbauten
zu schaffen, von denen ein jeder an einer Stirnringfläche des Gehäuses 32
festgelegt werden kann, wie dies aus Fig. 7 und 8 er
sichtlich ist.
Die Erfindung ermöglicht eine Kostenersparnis, da die Einheiten 10
in einer großen Zahl, beispielsweise in einer
Stückzahl von 100 oder mehr pro Gesamtaufbau, hergestellt
werden können. Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch,
daß trotz der Herstellung in Vielfacheinheiten mit nied
rigen Herstellungskosten die einzelne, später davon ge
trennte Baueinheit engere Toleranzen aufweist als dies
bei den bisherigen Fertigungsverfahren möglich war. Dies
wird dadurch erreicht, daß die Dicke der Membran 16 innerhalb
extrem geringer Toleranzen gehalten werden kann, da sie
nicht in der Weise geätzt zu werden braucht, wie dies bei
bekannten Membranwandlern der Fall ist. Allgemein
ist es einfacher, die Öffnungen 18 und 24 bei dem erfin
dungsgemäßen Verfahren zu ätzen oder auf andere Weise zu
erzeugen, als eine diffundierte Membran gemäß dem Stande
der Technik herzustellen. Die Materialien, die für die
Plättchen 50, 52 und 54 benutzt werden, können so gewählt
werden, daß sie unterschiedliche Ätzparameter aufweisen,
so daß eine Ätzung des Plättchens 52 erfolgen kann, wäh
rend das Plättchen 54 ungeätzt bleibt. Außerdem sind die
Sensoren thermisch besser gegenüber dem zu messenden Me
dium im Gehäuse 32 isoliert, da sie durch den
Membranabschnitt 28, die Abstandsschicht 14 und den
größten Teil der Trägerschicht 16 getrennt sind, im Ver
gleich mit der dünnen Membran, die im typischen Fall
0,025 mm dick ist bei den bekannten Wandlern mit diffun
dierter Membran. Außerdem ist die Geometrie des
Aufbaus weniger empfindlich im Hinblick auf
absolute Toleranzen als bei bekannten Wandlern der Bauart
mit diffundierter Membran infolge der engen Toleranzen,
mit denen die Platten bzw. Blätter hergestellt werden
können.
Claims (12)
1. Druckmeßgerät mit einem mit Anschlußstutzen versehenen Ge
häuse, das einen Drucksensor (10) mit einer einem zu messenden
Druck ausgesetzten Membran (16, 16 A), mit einem an der dem An
schlußstutzen abgewandten Seite der Membran (16, 16 A) gehaltenem
Abstandshaltering (14, 14 A) und mit einem hierdurch im Abstand zur
Membran (16, 16 A) gehaltenen Plättchen (12, 12 A) aufweist, wobei
in dem Plättchen (12, 12 A) ein zentraler, durch schlitzförmige
Öffnungen (18, 18 A) seitlich begrenzter Steg (20) ausgebildet
ist, der von der Membran (16, 16 A) durch einen Stößel (26) aus
lenkbar ist und der Dehnungsmeßstreifen (30 A, 30 B) trägt, die an
eine elektronische Auswerteschaltung anschließbar sind,
dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (16,
16 A), der Abstandshaltering (14, 14 A) und das Plättchen (12, 12 A)
am Rand zu einem Schichtenkörper als Baueinheit laminiert sind,
der membranseitig auf einem Trägerring des Gehäuses (32)
dichtend befestigt ist.
2. Druckmeßgerät nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß Membran (16, 16 A) und
Plättchen (12, 12 a) eine gleiche Dichte aufweisen.
3. Druckmeßgerät nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der als Zapfen aus
gebildete Stößel (26) sowohl an der Membran (16, 16 A) als auch am
Steg (20) befestigt ist.
4. Druckmeßgerät nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Stößel (26) aus
wenigstens einer einstückig mit dem Steg (20) gebildeten und von
dieser abgebogenen Zunge (62) besteht, die durch den Raum inner
halb des Abstandshalteringes (14 A) nach der Membran (16 A) vor
steht.
5. Druckmeßgerät nach den Ansprüchen 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens zwei
Dehnungsmeßstreifen (30 A, 30 B) auf der der Membran (16, 16 A) ab
gewandten Seite des Steges (20) befestigt sind.
6. Druckmeßgerät nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnungsmeß
streifen (30 A, 30 B) mit dem Steg (20) verklebt sind.
7. Druckmeßgerät nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß das Plättchen (18,
18 A) aus einem Halbleitermaterial besteht, und daß die Dehnungs
meßstreifen (30 A, 30 B) durch Diffusion in den Steg (20) hergestellt
sind.
8. Druckmeßgerät nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Steg (20)
brückenbogenartig zwischen zwei parallel verlaufenden Schlitzen
(18) mit seinen Enden (22) vom Plättchen (12) getragen wird.
9. Druckmeßgerät nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß das Plättchen (12)
aus Halbleitermaterial besteht und die Dehnungsmeßstreifen (30 A,
30 B) durch Ionenimplantation in den Steg (20) gebildet sind.
10. Druckmeßgerät nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der Abstandshalte
ring (14, 14 a) an Membran (16, 16 a) und Plättchen (12, 12 a) aufgeklebt ist.
11. Druckmeßgerät nach den Ansprüchen 1 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens zwei
Dehnungsmeßstreifen (30 A, 30 B) auf der gleichen Seite des Steges
(20) angeordnet sind, wobei einer der beiden Dehnungsmeßstreifen
(30 A, 30 B) in der Nähe des einen Endes (22) des Steges (20) liegt.
12. Druckmeßgerät nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der Abstandshalte
ring (14 A, 14 B) und der Stößel (26) aus gleichem Material be
stehen.
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