DE3148403C2 - Miniaturdruckmeßwandler - Google Patents

Abstract

Der Differenzdruckmesser enthält eine Meßmembrane (4), die mit einer Meßeinrichtung zur Umwandlung des Druckes (P) in ein entsprechendes elektrisches Signal und auf beiden Flachseiten jeweils mit einer flachen Druckkammer (6, 8) versehen ist. Erfindungsgemäß sind die Druckkammern (6, 8) jeweils mit einem zentralen Druckkanal (14, 16) versehen und die Tiefe der Druckkammern (6, 8) ist wenigstens in der Umgebung der Mündung des Druckkanals (14, 16) nicht wesentlich größer als die Auslenkung der Membrane (4) im Meßbereich. Bei diesem Drucksensor können Überlastdruck und Meßbereich unabhängig voneinander eingestellt werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Miniaturdruckmeßwandler, insbesondere Diff jrenzdruckmeser, bei dem der Druck eines Meßn.ediums über Trennmembranen und ein Druckmedium auf et; ζ Meßmembran aus einkristallinem Halbleitermaterial wirkt, die mit einer Meßeinrichtung zur Umwandlung des Druckes in ein entsprechendes elektrisches Signal versehen ist und an deren beiden Flanschen jeweils ein Oberlastkörper aus Halbleitermaterial angeordnet ist, der mit einer flachen zylindrischen Druckkammer, deren Tiefe nicht wesentlich größer als die Auslenkung der Membran im Meßbereich ist, versehen ist und wobei die jeweilige Druckkammer mit einem Druckkanal, dessen Durchmesser wesentlich geringer als ihr eigener Durchmesser ist, verbunden ist.

Solche Differenzdruckmesser sind bekannt unter der Bezeichnung Miniaturdruckwandler, da der Durchmesser ihrer Meßmembrane im aligemeinen etwa 1 mm nicht wesentlich überschreitet.

Ein bekannter Miniaturdruckmeßwandler enthält einen scheibenförmigen Halbleiterkörper aus Silizium, dessen Flachseiten vorzugsweise parallel zur (111)-Ebene des Kristalls verlaufen und der an seiner Oberfläche mit eindiffundierten, elektrisch leitenden Bereichen versehen ist. Diese elektrischen Widerstände dienen zur Umsetzung des Druckes in ein entsprechendes elektrisches Signal. Sie wirken als Dehnungsmeßstreifen und sind im allgemeinen in einer Brückenschaltung angeordnet. Der zentrale Bereich der Halbleiterscheibe dient als Meßmembrane und ist von einem verstärkten Randbereich umgeben. Mit dem Druck ändert sich die Krümmung der Membrane und die entsprechende Widerstandsänderung verstellt die Spannung an der Brücke. Den beiden Flachseiten der Membrane ist jeweils ein Überlastaufnehmer zugeordnet, der mit einer flachen Ausnehmung versehen ist, die als Überlastbett dient. Die Tiefe der als Druckkammer dienenden flachen Ausnehmung ist nicht wesentlich größer als die Auslenkung der Membran im Meßbereich. Die Ausnehmungen sind mit Druckkanälen verbunden, die als Rillen in der dem Halbleiterkörper zugewandten Oberfläche des Überlastkörpers gestaltet sind (deutsche Patentschrift 26 17 731).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den bekannten Druckmeßwandler in Miniaturausführung zu verbessern, insbesondere soll seine Belastbarkeit erhöht ίο werden. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß parallel zur Oberfläche der Membrane verlaufende Druckkanäle, die am Außenrand der Druckkammer einmünden, einen verhältnismäßig großen Strömungswiderstand für das Druckmedium darstellen und damit die is Zeitkonstante für den Druckausgleich zwischen der Umgebung und der Druckkammer entsprechend erhöhen. Ferner entstehen an der Einmündung der Kanäle am äußeren Rand der Druckkammer Ecken, die bei Überlast zu erheblichen mechanischen Spannungen innerhalb der Membrane führen können.

Bei einem bekannten Differenzdruckmesser wirkt der zu messende Druck über eine Trennmembrane und ein inkompressibles Druckmedium auf eine Meßmembrane mit einem Durchmesser von mehreren cm, die aus Metall besteht Sie bildet eine Kondensatorplatte, deren Auslenkung eine entsprechende Kapazitätsänderung ergibt, die als Maß. für den Druck dient Auf beiden Flachseiten der Meßmembrane ist jeweils ein Oberlastbett vorgesehen, dessen Boden einen konkaven Verlauf hat und aus elektrisch leitendem Material besteht. Das Überlastbett ist mit einer zentralen Druckmittelzuführung versehen. Im Überlastfall nimmt die Membrane die Form des Oberlastbettes an und legt sich mit seiner ganzen Fläche in die konkave Wölbung des Bodens des Überlastbettes ein, der ein mechanisches Widerlager für die Membrane bildet (DE-OS 20 52 515).

Ein weiterer bekannter Differenzdruckmesser enthält ebenfalls eine Meßmembrane aus Metalll mit einem Durchmesser von mehreren cm, d·?. zusammen mit einem äußeren Tragring sowie einer Justiereinrichtung zwischen zwei als Profilkörper gefalteten Endplatten angeordnet ist, die als Überlastbegrenzungen dienen. Ein Meßmedium, das über zentrale Kammern zugeführt wird, wirkt direkt auf die Membrane, deren Tragring mit entsprechenden Dichtungen versehen ist. Die Meßeinrichtung zur Umwandlung des Druckes in ein entsprechendes elektrisches Signal ist innerhalb der metallischen Meßmembrane angeordnet. In einer Ausführungsform dieses oifferenZdruckmessers für niedrige sa Meßbereiche ist zu diesem Zweck die Membrane an beiden Flachseiten jeweils mit einer sich etwa über den Druckmesser erstreckenden Verstärkung in der Form einer breiten Rippe versehen. Die Überlastkörper enthalten jeweils eine entsprechende Ausnehmung. Der Durchmesser der zur Zuführung des Meßmediums dienenden Kammern ist größer als die Breite der Rippen. Diese Anordnung ist kompliziert und verhältnismäßig unempfindlich (US-Patent 37 62 208).

Die erwähnte Aufgabe wird nun bei einem Minaturdruckmeßwandler der eingangs genannten Art erfindungsgemäß gelöst mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs. Die Druckkanälc verlaufen wenigstens annähernd senkrecht zur Membranoberfläche und münden vorzugsweise etwa in der Mitte der Druckkammer. Bei Überlast verschließt die als Ventil ausgebildete Membrane wie ein Deckel die Mündung des Druckkanals. Das in der Druckkammer im Randbereich der Membrane noch verbleibende inkomDressiblc

Druckmedium wirkt als flüssiges Überlastbett, das sich der Kontur der belasteten Membrane anpaßt und sie auf ihrer ganzen, nicht am Boden der Druckkammer anliegenden Fläche gegen das feste Überlastbett abstützt. Die Länge der Druckkanäle ist nur etwa gleich der Dicke des entsprechenden Überlastkörpers und ihre geometrischen Daten können unabhängig von dar Tiefe der Druckkammern gewählt werden. Die Zeitkonstante dieses Drucksensors liegt im Bereich von Brachteilen einer Millisekunde.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren F i g. 1 eine Ausführungsform eines Differenzdruckmessers nach der Erfindung in einem Schnitt schematisch veranschaulicht ist. F i g. 2 zeigt eine Ausführungsform der Überlastbetten in vergrößertem Maßstab.

In F i g. 1 ist ein Verformungskörper mit 2 bezeichnet, der aus Halbleitermaterial, insbesondere aus Silizium, besteht und dessen zentraler Bereich als Membrane 4 dient, die mit einer in der Figur nicht dargestellten integrierten Widerstandsanordnung versehen sein soll. An beiden Flachseiten der Membrane 4 ist jeweils eine Ausnehmung 6 bzw. 8 vorgesehen, die als Überlastbett dienen und deren Boden jeweils durch einen Teil dt-r Oberfläche eines Überlastkörpers 10 bzw. 12 gebildet wird, die sich auf dem Verformungskörper 2 abstützen. Der Verformungskörper 2 kann in seinem äußeren Randbereich mit einer Verstärkung versehen sein, die als Tragring dient und mit 3 bezeichnet ist. Zur Zuführung eines inkompressiblen Druckmediums, beispielsweise 01, sind die Überlastkörper jeweils mit einer Bohrung versehen, die als Druckkanäle 14 bzw. 16 dienen und jeweils in einen zentralen Bereich der Druckkammer 6 bzw. 8 münden. Die jeweils mit einem Druckmedium gefüllten Räume 22 und 24 sind jeweils durch eine Trennmembranc 23 bzw. 25 abgeschlossen. Der Überiastkörper 12 kann beispielsweise auf einer Trägerplatte 26 angeordnet sein, die ebenfalls mit einer öffnung zur Druckmittelzuführung 27 versehen ist und in einem Gehäuse 30 angeordnet ist.

In Fig.2 ist eine Ausführungsform der Druckkammern 6 und 8 vergrößert veranschaulicht, die jeweils durch eine Ausnehmung der Überlastkörper l0 bzw. 12 gebildet werden und jeweils mit ihrer zentralen Druckmittelzuführung 14 bzw. 16 versehen sind. Die Membran 4 besteht aus einem scheibenförmigen Halbleiterkörper aus Silizium mit einem Durchmesser D von beispielsweise 1 bis 2 mm und einer Dicke a von beispielsweise 15 μίτι. In seinem Randbereich ist der Verformungskörper 2 mit einer elektrisch isolierenden Auflage 32, beispielsweise aus Siliziumdioxid SiOj, mit einer Dicke von beispielsweise 1 μπι versehen. Mit einer Ausnehmung im Überlastkörper 10 von beispielsweise 3 μπι wird dann eine Druckkammer 6 mit einer Tiefe f von 4 μηι gebildet. Durch Überlast in Richtung des Pfeiles P legt sich die Membrane 4 auf die Mündung des Druckkanals 14, der beispielsweise aus einer Bohrung mit einem Durchmesser d von 50 μπι bestehen kann. Außerhalb des zentralen Bereiches der Membrane 6 bildet das noch verbleibende inkompressible Druckmedium in ei- &o nem Randbereich 7 der Druckkammer 6 ein flüssiges Überlastbett für den Randbereich der Membrane 4, das in diesem Bereich unzulässige mechanische Spannungen verhindert.

Die Grenzbelastung des Differenzdruckmessers ist dadurch bestimmt, da3 die Spannungen in dem zentralen Bereich der Membran 4, der als Deckel für die Mündung des Druckkanals 14 wirkt und der sich unter dem Druck fin den Kanal 14 auswölben kann, unterhalb der Bruchspannung bleibt. Die Grenzbelastung hängt lediglich von der Dicke a der Membrane 4 und dem Durchmesser d des Druckkanals 14 ab und ist wenigstens annähernd unabhängig vom Durchmesser D der Membrane 4. Es haben somit alle Membranen gleicher Dicke bei gleichem Druckkanal auch die gleiche Grenzbelastung, unabhängig vom Meßbereich der Membrane 4. Außerdem kann die Grenzbelastung des Differenzdruckmessers unabhängig vom Meßbereich eingestellt werden. Bei einer Membrandicke a von beispielsweise 15 μπι und einem Durchmesser d des Druckkanals 14 von beispielsweise 50 μπι ist eine Grenzbelastung von etwa 2000 bar erreichbar, unabhängig vom Meßbereich der Membrane, der beispielsweise 0,2 bar betragen kann. Damit erhält man ein Verhältnis von Überlastdruck zu Meßbereich von etwa 10 000.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Miniaturdruckmeßwandler, insbesondere Differenzdruckmesser, bei dem der Druck eines Meßmediums über Trennmembranen (23, 25) und ein Druckmedium (22 bzw. 24) auf eine Meßmembran aus einkristallinem Halbleitermaterial wirkt, die mit einer Meßeinrichtung zur Umwandlung des Druckes (P) in ein entsprechendes elektrisches Signal versehen ist und an deren beiden Rachseiten jeweils ein Oberlastkörper (10,12) aus Halbleitermaterial angeordnet ist, der mit einer flachen zylindrischen Druckkammer (6, 8) deren Tiefe nicht wesentlich größer als die Auslenkung der Membran (4) im Meßbereich ist, versehen ist und wobei die jeweilige Druckkammer mit einem Druckkanal, dessen Durchmesser wesentlich geringer als ihr eigener Durchmesser ist, verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein zentraler Druckkanal (14 zw. 16) vorgesehen ist and daß die als Ventil ausgebildete Membran (4) und die Druckkammern (6 bzw. 8)_ so bemessen sind, daß sich die Membran (4) im Oberlastfall mit ihrem Randbereich an einem sich im Randbereich der zugehörigen Druckkammer bildenden, flüssigen Oberlastbett, das aus dem Druckmedium besteht, abstützt