DE3333498A1 - Planar pressure transducer - Google Patents

Planar pressure transducer

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Rüdiger Hasko Dipl.-Phys. Dr. 6238 Hofheim Jakobs
Bernhard Dipl.-Ing. 6236 Eschborn Kant
Wolfgang Dipl.-Phys. 6000 Frankfurt Porth
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    • F16J3/02Diaphragms
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0051Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance
    • G01L9/006Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of metallic strain gauges fixed to an element other than the pressure transmitting diaphragm
    • G01L9/0064Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of metallic strain gauges fixed to an element other than the pressure transmitting diaphragm the element and the diaphragm being in intimate contact

Abstract

The invention relates to a planar pressure transducer which has a diaphragm 2 in a housing. The diaphragm 2 is exposed to the pressure to be measured, has wire strain gauges 3, 4 and is connected to the housing 1 in a sealing manner in a radially outer fastening area 9. The diaphragm 2 is loosely supported axially on a housing support which is provided on the side of the diaphragm 2 remote from the pressure at a radial distance to the inside from the outer fastening area 9. <IMAGE>

Description

Planarer Druckaufnehmer Planar pressure transducer

Die Erfindung bezieht sich auf einen planaren Druckaufnehmer, welcher in einem Gehäuse eine dem zu messenden Druck ausgesetzte, Dehnungsmeßstreifen aufweisende Membran hat, die in einem radial außenseitigen Befestigungsbereich dichtend mit dem Gehäuse verbunden ist.The invention relates to a planar pressure transducer, which in a housing a strain gauge exposed to the pressure to be measured Has membrane, which sealingly with in a radially outer fastening area connected to the housing.

Bei dem vorbekannten planaren Druckaufnehmer ist die Membran mit einer dichtenden Deckschicht versehen und außenseitig dichtend mit dem Gehäuse des Druckaufnehmers verbunden.In the previously known planar pressure transducer, the membrane is with a provided with a sealing cover layer and sealed on the outside with the housing of the pressure transducer tied together.

Dadurch kann auf eine separate Dichtmembran zur Medientrennung und einen Stößel zur Druckübertragung von einer separaten Dichtmembran zur Membran mit den Dehnungsmeßstreifen verzichtet werden. Die bei einer separaten Dichtmembran mögliche lose Einspannung der Membran mit den Dehnungsmeßstreifen hat gegenüber einer fest eingespannten Membran den Vorteil, daß bei gegebener Geometrie und Werkstoffbeanspruchung die Durchbiegung der Membran größer ist.This allows a separate sealing membrane for media separation and a plunger for pressure transmission from a separate sealing membrane to the membrane the strain gauges can be dispensed with. The one with a separate sealing membrane possible loose clamping of the membrane with the strain gauges has opposite a firmly clamped membrane has the advantage that with a given geometry and material stress the deflection of the membrane is greater.

Durch das Verbinden der Membran mit dem Gehäuse gelangen Spannungen in die Membran, die ihr Biegeverhalten ungünstig beeinflussen. Das gilt vor allem, wenn die Membran durch Löten oder Schweißen mit dem Gehäuse verbunden wird und dadurch zwangsläufig Wärmespannungen auftreten. Eine exakt zu erfassende Relation zwischen dem zu messenden Druck und der Dehnung der Membran ist dann nicht mehr gegeben, so daß genaue Druckmessungen nicht möglich sind.By connecting the membrane to the housing, stresses occur into the membrane, which has an unfavorable effect on its flexural behavior. This is especially true when the membrane is connected to the housing by soldering or welding and thereby thermal stresses inevitably occur. A relation between the pressure to be measured and the expansion of the membrane is no longer given, so that exact pressure measurements are not possible.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen planaren Druckaufnehmer der eingangs genannten Art so zu gestalten, daß trotz dichter außenseitiger Befestigung der Membran schon bei geringen Drücken mathematisch exakt zu erfassende Membrandehnungen auftreten.The invention is based on the object of a planar pressure transducer of the type mentioned in such a way that despite tight external fastening of the membrane, membrane expansions that can be precisely recorded mathematically even at low pressures appear.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Membran an einer Gehäuseabstützung lose axial abgestützt ist, die auf der druckabgewandten Seite der Membran in einem Abstand radial nach innen vom außenseitigen Befestigungsbereich vorgesehen ist. Durch diese erfindungsgemäße Gestaltung ist die Membran zwar außenseitig fest mit dem Gehäuse verbunden, entspricht im mittleren Membranbereich, der für die Messung benutzt wird, jedoch einer lose abgestützten Membran. Dadurch erreicht man, bei gegenüber fester Einspannung der Membran gleicher Dehnung, eine wesentlich größere Durchbiegung der Membran, was auf einfache Weise ohne wesentliche Toleranzprobleme die Anordnung einer überdrucksicherung ermöglicht.This object is achieved according to the invention in that the membrane is loosely axially supported on a housing support, which on the pressure-facing away Side of the membrane at a distance radially inward from the outer fastening area is provided. This design according to the invention means that the membrane is on the outside firmly connected to the housing, corresponds in the middle membrane area to that for the measurement is used, but a loosely supported membrane. Achieved thereby one, with the same elongation compared to the fixed clamping of the membrane, one essential greater deflection of the membrane, which can be achieved in a simple manner without significant tolerance problems the arrangement of an overpressure protection allows.

Sm Vergleich zu Druckaufnehmern mit lose abgestützter Membran ist der erfindungsgemäße Druck aufnehmer wesentlich einfacher aufgebaut, da auf eine separate Membran zur Medientrennung und einen Stößel zur Druckübertragung verzichtet werden kann.Sm is compared to pressure transducers with a loosely supported membrane the pressure transducer according to the invention is much simpler, since on a separate membrane for media separation and a plunger for pressure transmission can be dispensed with.

Von Vorteil ist es, wenn die Gehäuseabstützung eine am Gehäuse vorgesehene Schneidenauflage ist. Eine solche Ausführungsform ist einfach herzustellen und ermöglicht die Verwendung ebenfalls einfach herstellbarer Membranen.It is advantageous if the housing support is provided on the housing Cutting edge support is. Such an embodiment is simple to manufacture and enables the use of membranes that are also easy to manufacture.

Eine alternative Möglichkeit besteht darin, daß die Gehäuseabstützung ein an der Membran vorgesehener, gegen das Gehäuse lose anliegender Membranvorsprung ist.An alternative possibility is that the housing support a membrane projection provided on the membrane and resting loosely against the housing is.

Für die meisten Anwendungsfälle wird es zweckmäßig sein, die Membran kreisförmig auszubilden. Es ist aber auch möglich, daß die Membran vieleckförmig, wie z.B. quadratisch oder sechseckig ausgebildet ist.For most applications it will be appropriate to use the membrane to form circular. But it is also possible that the membrane is polygonal, such as square or hexagonal.

Eine weitere günstige Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß der Membranvorsprung durch Wegätzen eines viel-bzw. kreisförmigen mittleren Membranbereichs und einer diesen in einem Abstand umschließenden Ringfläche erzeugt wird. Bei dieser Ausführungsform ist mit sehr geringem Aufwand eine überaus hohe Fertigungsgenauigkeit zu erzielen, indem in den erforderlichen Bereichen eine Membranschicht vollständig bis zu einer Atz-Stopp-Schicht weggeätzt wird.Another advantageous embodiment of the invention is that the membrane projection by etching away a lot or. circular central membrane area and an annular surface surrounding it at a distance is generated. At this Embodiment is extremely high manufacturing accuracy with very little effort to be achieved by completely applying a membrane layer in the required areas is etched away to an etch stop layer.

Darüber hinaus führt die Anordnung sowohl des die Gehäuseabstützung bildenden Membranvorsprungs als auch der Dehnungsmeßstreifen an einem Bauteil dazu, daß die Lage dieser beiden Elemente zueinander unabhängig von der Durchbiegung der Membran immer gleich bleibt. Dadurch ergibt sich eine hohe Präzision der Meßwerte.In addition, the arrangement of both the housing support forming membrane protrusion as well as the strain gauge on a component, that the position of these two elements to each other regardless of the deflection of the Membrane always remains the same. This results in a high precision of the measured values.

Durch die im Anspruch 7 angegebene Anschlagfläche wird erreicht, daß die Membran sich bei unzulässig hohem Druck gegen diese Anschlagfläche legen kann, so daß sie vor überbeanspruchung geschützt ist.By the stop surface specified in claim 7 it is achieved that the diaphragm can lie against this stop surface in the event of inadmissibly high pressure, so that it is protected from overuse.

Die unerwünschte Beeinflussung des mittleren Bereiches der Membran durch den Befestigungsbereich ist vernachlässigbar gering, wenn der mittlere Membranbereich nur durch eine leicht verformbare dünne Membran schicht Verbindung mit dem außenseitigen Befestigungsbereich hat.The undesirable effect on the central area of the membrane through the fastening area is negligibly small if the middle membrane area only through an easily deformable thin membrane layer connection with the outside Has attachment area.

Erstreckt sich der mittlere Membranbereich so weit über die Gehäuseabstützung radial nach außen, daß die an dem Bereich der Membran radial innerhalb der cehäuseabstützung und die an demBereich der Membran radial außerhalb der Gehäuseabstützung angreifenden Momente etwa gleich sind, so ändert sich bei Druckbeaufschlagung der Membran weder die Anlagestelle der Gehäuseabstützung an der Membran noch die Abstützrichtung in bezug auf die Membran. Dies führt zu einer Erhöhung der Meßgenauigkeit.The middle membrane area extends so far over the housing support radially outwards that the at the area of the membrane radially inside the cehäuseabstützung and which engage the area of the diaphragm radially outside of the housing support Moments are roughly the same, so neither changes when the membrane is pressurized the contact point of the housing support on the membrane nor the support direction in with respect to the membrane. This leads to an increase in the measurement accuracy.

Zur leichten und präzisen Herstellung der Membran führt es, wenn die Membran aus mehreren flächig miteinander verbundenen Schichten verschiedener Werkstoffe besteht.It leads to the easy and precise production of the membrane if the Membrane made of several flat interconnected layers of different materials consists.

Bilden dabei die Schichten eine bimetallartige Membran deren temperaturbedingte Verformung die Dehnungsmeßstreifen derart beaufschlagt, daß die temperaturbedingte Ausgangswertänderung der Dehnungsmeßstreifen ausgeglichen ist, So gibt es keinerlei temperaturbedingte Beeinflussung der Meßwerte des Druckaufnehmers.The layers form a bimetallic membrane that is temperature-dependent Deformation applied to the strain gauges in such a way that the temperature-related The change in output value of the strain gauges is balanced, so there is no such thing temperature-related influence on the measured values of the pressure transducer.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.Embodiments of the invention are shown in the drawing shown and are described in more detail below.

Es zeigen Figur 1 einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Druckaufnehmers, Figur 2 einen Halbschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Druckaufnehmers.FIG. 1 shows a section through an exemplary embodiment of a pressure transducer according to the invention, Figure 2 is a half section through a second embodiment of a pressure transducer according to the invention.

Die Figur 1 zeigt einen Teil eines Gehäuses 1, welches eine Membran mit Dehnungsmeßstreifen 3 und 4 haltert. Die Membran 2 ist kreisförmig und besteht aus drei Schichten 5, 6 und 7, wobei die äußeren Schichten 5 und 7 aus Kupfer-Beryllium und die mittlere Schicht 6 aus einer Silber-Paladium-Legierung besteht und wesentlich dünner als die beiden äußeren Schichten 5 und 7 ist. Für die Erfindung wesentlich ist es, daß von oben oder unten gesehen, die Membran 2 einen mittleren Bereich 8 mit den Dehnungsmeßstreifen 3 und 4 und einen äußeren Befestigungsbereich 9 hat, und daß diese Bereiche 8 und 9 nur durch die dünne Schicht 6 miteinander Verbindung haben.FIG. 1 shows part of a housing 1, which has a membrane with strain gauges 3 and 4. The membrane 2 is circular and consists of three layers 5, 6 and 7, with the outer layers 5 and 7 made of copper beryllium and the middle layer 6 is made of a silver-palladium alloy and essentially is thinner than the two outer layers 5 and 7. Essential for the invention it is that, seen from above or below, the membrane 2 has a central region 8 with the strain gauges 3 and 4 and an outer fastening area 9, and that these areas 8 and 9 are only connected to one another by the thin layer 6 to have.

Mit dem Befestigungsbereich 9 ist die Membran 2 auf das Gehäuse 1 an einer Fügestelle 10, beispielsweise durch Löten oder Schweißen befestigt. Diese Verbindung muß dicht sein.With the fastening area 9, the membrane 2 is on the housing 1 attached to a joint 10, for example by soldering or welding. These Connection must be tight.

Radial im Abstand innerhalb der Fügestelle 10 hat das Gehäuse eine durch eine Schneidenauf lage gebildete umlaufende Gehäuseabstützung 11 gegen die der mittlere Bereich 8 anliegt.The housing has a radial spacing within the joint 10 Circumferential housing support 11 formed by a cutting position against the the middle area 8 is applied.

Kommt es zu einer Druckbeaufschlagung der Membran 2,in der Zeichnung gesehen-von unten in Richtung eines eingezeichneten Pfeiles 12, so biegt sich der mittlere Bereich 8 der Membran 2 zwischen der Gehäuseabstützung 11 in Richtung des Gehäuses 1, so daß diese druckabhängige Biegung mittels der Dehnungsmeßstreifen festgestellt und in einer Auswertschaltung erfaßt werden kann.If there is pressurization of the membrane 2, in the drawing seen from below in the direction of an arrow 12 shown, the bends middle area 8 of the membrane 2 between the housing support 11 in the direction of the Housing 1, so that this pressure-dependent bending is determined by means of the strain gauges and can be detected in an evaluation circuit.

Bei der Ausführungsform gemäß Figur 2 ist eine Membran 2 vorgesehen, die aus fünf Schichten 13, 14, 15, 16 und 17 besteht, wobei die von oben und unten gesehen jeweils zweite Schicht 14 und 16 eine Ätz-Stopp-Schicht ist. Von der obersten Schicht 13 sind ein mittlerer kreisförmiger Membranbereich 18 und eine hierzu koaxiale Ringfläche 15 vollständig bis zur Atz-Stopp-Schicht 14 weggeätzt. Dadurch bleibt außerhalb der Ringfläche 19, genau wie bei der Ausführungsform gemäß Figur 1, ein Befestigungsbereich 20 stehen. Die Ringfläche 19 und der mittlere Membranbereich 18 sind durch einen umlaufenden Vorsprung 21 voneinander getrennt, der lose gegen eine ebene Fläche 22 des Gehäuses 1 anliegt. Diese ebene Fläche 22 setzt sich auch zum mittleren Membranbereich 18 hin unter Bildung einer Anschlagfläche 23 fort, so daß sich die Membran 2 maximal so weit in Richtung des Gehäuses 1 beulen kann, bis sie mit ihrer Schicht 14 gegen diese Anschlagfläche 23 anliegt. Auf der der Ringfläche 19 gegenüberliegenden Seite der Membran 2 ist eine zur Ringfläche 19 kongruente Ringfläche 24 in der äußeren Schicht 17 geätzt. Dadurch beeinflußt der Befestigungsbereich 20 den mittleren Bereich der Membran 2 nur vernachlässigbar gering.In the embodiment according to Figure 2, a membrane 2 is provided, which consists of five layers 13, 14, 15, 16 and 17, with the top and bottom seen in each case second layer 14 and 16 is an etch stop layer. From the top one Layer 13 are a central circular membrane area 18 and one coaxial therewith Annular surface 15 is completely etched away as far as the etching stop layer 14. This remains outside the annular surface 19, exactly as in the embodiment according to FIG. 1 Fastening area 20 stand. The annular surface 19 and the central membrane area 18 are separated from one another by a circumferential projection 21, which is loosely against a flat surface 22 of the housing 1 rests. This flat surface 22 also sits down to the central membrane area 18 to form a stop surface 23, so that the membrane 2 can buckle at most so far in the direction of the housing 1, until it rests with its layer 14 against this stop surface 23. On the the The side of the membrane 2 opposite the annular surface 19 is a side of the membrane 2 opposite the annular surface 19 congruent annular surface 24 in the outer layer 17 is etched. This influences the Fastening area 20 the central area of the membrane 2 can only be neglected small amount.

Die im Gehäuse ausgebildete Durchgangsbohrung 25 kann dazu benutzt werden, die elektrischen Leiter für den in Figur 2 nicht gezeigten Dehnungsmeßstreifen hindurch nach außen zu führen.The through hole 25 formed in the housing can be used for this purpose are the electrical conductors for the strain gauge, not shown in FIG to lead through to the outside.

Gelangt über diese Durchgangsbohrung 25 Atmosphärendruck zum Membranbereich 18 so kann der Druckaufnehmer zur Messung eines Relativdrucks,bezogen auf den Atmosphärendruck, benutzt werden.Gets 25 atmospheric pressure through this through hole to the The pressure transducer can be used to measure a relative pressure in relation to the membrane area 18 to atmospheric pressure.

Es ist aber auch möglich, den Membranbereich 18 nach außen hin dicht abzuschließen und mit Vakuum zu beaufschlagen, so daß der Druckaufnehmer zur Messung des Absolutdrucks benutzt werden kann.But it is also possible to seal the membrane area 18 to the outside complete and apply a vacuum, so that the pressure transducer for measurement of the absolute pressure can be used.

Claims (11)

Patentansprüche 1. Planarer Druckaufnehmer, welcher in einem Gehäuse eine dem zu messenden Druck ausgesetzte, Dehnungsmeßstreifen aufweisende Membran hat, die in einem radial außenseitigen Befestigungsbereich dichtend mit dem Gehäuse verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (2) an einer Gehäuseabstützung lose axial abgestützt ist, die auf der druckabgewandten Seite der Membran (2) in einem Abstand radial nach innen vom außenseitigen Befestigungsbereich (9) vorgesehen ist. Claims 1. Planar pressure transducer, which in a housing a membrane with strain gauges exposed to the pressure to be measured has, in a radially outer fastening area sealingly with the housing is connected, characterized in that the membrane (2) on a housing support is loosely supported axially, on the side of the membrane (2) facing away from the pressure in a distance radially inward from the outer fastening area (9) is provided is. 2. Planarer Druckaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäuseabstützung eine am Gehäuse (1) vorgesehene Schneidenauflage (11) ist. 2. Planar pressure transducer according to claim 1, characterized in that that the housing support has a cutting edge support (11) provided on the housing (1) is. 3. Planarer Druckaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gegekennzeichnet,daß die Gehäuseabstützung ein an der Membran (2) vorgesehener, gegen das Gehäuse (1) lose anliegender Membranvorsprung (21) ist. 3. Planar pressure transducer according to claim 1, characterized in that the housing support is provided on the membrane (2) against the housing (1) loosely fitting membrane projection (21). 4. Planarer Druckaufnehmer nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (2) kreisförmig ist.4. Planar pressure transducer according to claim 1 or one of the following, characterized in that the membrane (2) is circular. 5. Planarer Druckaufnehmer nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran vieleckförmig ist.5. Planar pressure transducer according to claim 1 or one of the claims 2 and 3, characterized in that the membrane is polygonal. 6. Planarer Druckaufnehmer nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Membranvorsprung (21) durch Wegätzen eines viel- bzw. kreisförmigen, mittleren Membranbereiches (18) und einer diesen in einem Abstand umschließenden Ringfläche (19) erzeugt ist.6. Planar pressure transducer according to claim 1 or one of the following, characterized in that the membrane projection (21) by etching away a multi- or circular, central membrane area (18) and one of these at a distance surrounding annular surface (19) is generated. 7. Planarer Druckaufnehmer nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) in geringem axialen Abstand zum mittleren Membranbereich (18) eine Anschlagfläche (23) zur Begrenzung der maximal möglichen Durchbiegung der Membran (2) hat.7. Planar pressure transducer according to claim 1 or one of the following, characterized in that the housing (1) is at a small axial distance from the middle Membrane area (18) has a stop surface (23) to limit the maximum possible Deflection of the membrane (2) has. 8. Planarer Druckaufnehmer nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Membranbereich (8) nur durch eine leicht verformbare, dünne Membranschicht (6) Verbindung mit dem außenseitigen Befestigungsbereich (9) hat.8. Planar pressure transducer according to claim 1 or one of the following, characterized in that the middle membrane area (8) only by a slightly deformable, thin membrane layer (6) connection to the external fastening area (9) has. 9. Planarer Druckaufnehmer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Membranbereich (8) sich so weit über die Gehäuseabstützung radial nach außen erstreckt, daß die an dem Bereich der Membran (2) radial innerhalb der Gehäuseabstützung und die an dem Bereich der Membran (2) radial außerhalb der Gehäuseabstützung angreifenden Momente etwa gleich sind.9. Planar pressure transducer according to claim 8, characterized in that that the middle membrane area (8) extends so far radially over the housing support extends outward that the on the area of the membrane (2) radially inside the Housing support and on the area of the membrane (2) radially outside the housing support attacking moments are about the same. 10. Planarer Druckaufnehmer nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (2) aus mehreren flächig miteinander verbundenen Schichten (5, 6, 7 bzw. 14, 15, 16, 17) verschiedener Werkstoffe besteht.10. Planar pressure transducer according to claim 1 or one of the following, characterized in that the membrane (2) consists of several surfaces connected to one another Layers (5, 6, 7 or 14, 15, 16, 17) of different materials consists. 11. Planarer Druckaufnehmer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten eine bimetallartige Membran bilden, deren temperaturbedingte Verformung die Dehnungsmeßstreifen derart beaufschlagt, daß die temperaturbedingte Ausgangswertänderung der Dehnungsmeßstreifen ausgeglichen ist.11. Planar pressure transducer according to claim 10, characterized in that that the layers form a bimetallic membrane whose temperature-related deformation the strain gauges are applied in such a way that the temperature-dependent change in output value the strain gauge is balanced.
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