DE3026785C2 - - Google Patents

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.