DE3344799A1

DE3344799A1 - Piezoresistives druckmesselement

Info

Publication number: DE3344799A1
Application number: DE19833344799
Authority: DE
Inventors: Hans W. Dipl.-Phys. ETH Winterthur Keller
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-12-10
Filing date: 1983-12-10
Publication date: 1985-06-13

Description

Piezoresistives Druckmeßelement
Die Erfindung betrifft ein piezoresistives Druckmeßelement nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Es ist bereits ein Druckmeßelement der erwähnten Art aus der DE-AS 26 30 640 bekannt geworden, das in einem Übertragungsmembrangehäuse in zylindrischer oder im wesentlichen zylinderähnlichen Form angeordnet und an seiner Stirnoberseite durch eine Ubertragungsmembran abgeschlossen ist.
In diesem so unter der Übertragungsmembran gebildeten und hermetisch abgedichteten Druckinnenraum ist eine Druckmeßzelle mit auf ihrer Oberseite versehenen Widerständen angebracht, die auf einem scheibenförmigen Glasdurchführungssockel befestigt ist, durch den in Axialrichtung neben der Druckmeßzelle Sockelstifte verlaufen.
An ihrer der Membran zugewandten Seite sind die Sockelstifte über Anschlußdrähte mit den Widerständen auf der Druckmeßzelle verbunden. Diese für Absolut- als auch für Differenzdruckmessungen geeignete Druckmeßzelle benötigt aber zum Einsatz in aggressiven Medien eine entsprechende Ausbildung der unterschiedlichen Teile aus korrosionsbeständigen Materialien. Damit verbunden sind jedoch relativ aufwendige Herstellungsmethoden, die nicht zuletzt zu einer ganz erheblichen Verteuerung der Druckmeßzelleneinheit führen können. Bei der aus der DE-AS 26 30 640 bekannten Druckmeßzelle muß dabei beispielsweise beim Einsatz in aggressiven Medien in einem sie allseits umschließenden, aus hochlegierten Stählen bestehenden Schraubgehäuse eingebaut sein, um einen entsprechenden Schutz vor aggressiven Medien zu schaffen.
Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung ein piezoresistives Druckmeßelement zu schaffen, das bei gleichzeitiger Material- und Herstellungskostenverminderung als Massenartikel zur Druckmessung der unterschiedlichsten, auch aggressiver Medien verwendet werden kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß entsprechend den im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 und bezüglich des Herstellungsverfahrens gemäß den im kennzeichnenden Teil des Anspruches 7 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Durch das erfindungsgemäße piezoresistive Druckmeßelement wird erstmals ein Massenartikel geschaffen, der für die unterschiedlichsten Anwendungsbereiche in Frage kommt, der also auch bei aggressiven Medien als Absolut- oder Differenzdruckmesser eingesetzt werden kann.
Ein derartiger Massenartikel kann beispielsweise Anwendung finden als Druckmeßgeber in einer Drucktaucheruhr zur Anzeige der aktuellen Drucktiefe. Überraschend ist dabei, daß trotz der enorm einfachen Gestaltung des Druckmeßgebers eine derart hohe Genauigkeit bei der Druckanzeige gewährleistet ist und dies insbesondere bei Verwendung einer aus Kunststoff bestehenden Meßmembran.
Erfindungsgemäß kann dabei neben dem Gehäusekörper die aus Kunststoff bestehende Meßmembran thermisch, mittels dielektrischer Erwärmung oder mittels Ultraschall auf dem aus Kunststoff bestehenden Gehäusekörper aufgeschweißt werden.
Möglich ist aber auch gemäß Anspruch 2, daß der Gehäusekörper mit der Meßmembran als einstückiger Spritzgußkörper ausgebildet ist. In diesem Falle wird dann die Druckmeßzelle von unten her in diesen Gehäusekörper eingeführt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 3 ist. vorgesehen, daß sich die Einfuhröffnung im Gehäusekörper von außen nach innen hin konisch verjüngt.
Durch diese Einfuhröffnung kann der Sockel in den Gehäusekörper eingesteckt werden, wobei die Ausgestaltung derart ist, daß die innenliegende Abschlußkante des sich konisch verjüngenden Einführkegels hinterschnitten ausgebildet ist, so daß der Sockel in seiner Endstellung hinter dieser Kante einschnappend halten kann. Einer weiteren Befestigung bedarf es nicht. Dies ist erfindungsgemäß dadurch möglich, da der Gehäusekörper aus Kunststoff besteht und somit in gewissen Bereichen elastisch ist, so daß der Sockel nach Art eines Schnappverschlusses fest auf seinen Sitz eingedrückt werden kann. Auch wenn der Sockel gleichzeitig noch mitverklebt werden kann, ist grundsätzlich hierdurch ein sicherer und fester Sitz gewährleistet.
Weitere Vorteile werden gemäß Anspruch 4 verwirklicht, wodurch ein sicheres und leichtes Einführen des Sockels in seine Sitzt auge gewährleistet wird.
Weitere Vorteile, Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich nachfolgend an den anhand von Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen. Dabei zeigen im einzelnen: Figur 1 : ein Druckmeßelement für Absolut und Differenzdruckmessungen in geschnittener Seitenansicht; Figur 2 : ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Druckmeßelementes insbesondere für Referenzdruckmessungen in teilweise geschnittener Ansicht; Figur 3 : ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Druckmeßelementes, dessen Gehäusekörper und Meßmembran einstückig ausgebildet ist.
Das in Figur 1 gezeigte Druckmeßelement umfaßt eine Druckmeßzelle 1, auf deren Oberseite in bekannter Weise piezoresistive Widerstände angebracht, beispielsweise aufgedampft sind. Die Druckmeßzelle 1 ist beispielsweise fer.ner über geeignete Klebe- und Haftmittel 3 mit ihrer Unterseite auf einem darunter befindlichen Glasdurchführungs-Sockel 5, im folgenden kurz Sockel 5, befestigt. Ebenso ist aber auch beispielsweise eine Druckmeßzelle gemäß der EP-OS 80 100 603 mit einer auf Dehnung und Scherung beanspruchbaren Kunststoffbefestigung verwendbar.
Sockelstifte 7 sind über Drähte 9 mit den auf der Druckmeß- zelle vorgesehenen Widerständen verbunden, wobei die Sockel stifte 7 in Preßglasdurchführungen 11 sitzen. Der Innenraum der Druckmeßzelle 1 ist über eine Zentralbohrung 13 verbunden, so daß das gezeigte Druckmeßelement auch für Differenzdruckmessungen geeignet ist.
Der Sockel 5 sitzt im gezeigten Ausführungsbeispiel in einem zylindrischen Gehäusekörper 15 mit nach innen vorstehendem Sitzflansch 17. Im Sitzflansch 17 ist eine umlaufende Nut 19 eingebracht, in der eine Dichtung 21, im gezeigten Ausführungsbeispiel in Form eines Dichtungsringes eingelegt ist.
Der Gehäusekörper 15 weist an seiner oberen Stirnseite 23 eine Einführöffnung 25 für den Sockel 5 auf, der von außen nach innen hin sich konisch verjüngt. Im Bereich des Sokkels 5 endet die sich konisch verjüngende Einführöffnung 25 in einer hinterschnittenen Stufenkante 27 mit geringerem Innendurchmesser als der Außendurchmesser des Sockels 5.
Zur Vereinfachung der Montage ist ferner angebracht, daß der Innendurchmesser der Einführöffnung 25 gleich oder größer ist als der Außendurchmesser des Sockels 5.
Nachfolgend wird auf die Montage des erläuterten Druckmeßelementes eingegangen, wobei wesentlich ist, daß sowohl der Gehäusekörper 15 als auch dessen noch zu behandelnde Übertragungsmembran 29 aus Kunststoff besteht.
Nach Fertigung des Sockels 5 mit der Druckmeßzelle 1 wird der Sockel 5 an die obere Einführöffnung 25 gebracht und mit einem passenden Druckstempel in diese eingedrückt. Da der Sockel selbst aus Metall, beispielsweise nicht korrosionsbeständigem Automatenstahl oder Weicheisen oder aber auch aus korrosionsbeständigem Stahl besteht und somit härter als der aus Kunststoff bestehende Gehäusekörper 15 ist, werden die konisch sich verjüngenden Innenwände des Gehäusekörpers 15 leicht nach außen gedrückt. Der Sockel 5 wird weiter in die Einführöffnung 25 eingedrückt, bis dieser mit seiner Unterseite 31 auf dem Sitzflansch 17 aufsetzt. In die ser Stellung hat die Oberseite 33 die Stufenkante 27 überschritten, so daß die aus Kunststoff bestehende Stufenkante 27 des Gehäusekörpers 15 die Oberseite 33 des Sockels 5 über- und hintergreift und ihn dadurch fest in seiner Endlage sichert. Da in der Nut 19 im Sitzflansch 17 vorher eine Dichtung 21 eingebracht worden ist, ist der oberhalb der Druckmeßzelle 1 gebildete Druckraum 35 von der Unterseite der Druckmeßzelle hermetisch abgedichtet. Abweichend vom gezeigten Ausführungsbeispiel kann dabei ferner noch vorgesehen sein, daß die Unterseite des Sockels 5 zusätzlich noch mit dem Sitzflansch 17 verklebt ist.
Nachfolgend wird in den Druckraum 35 Öl 38 eingebracht und die schon erwähnte Übertragungsmembran 29 auf der oberen Stirnseite 23 des Gehäusekörpers 15 aufgelegt und mit diesem verschweißt. Dies kann beispielsweise durch thermische Erwärmung im konventionellen Sinne erfolgen, bei geeigneter Stoffwahl aber genauso auch beispielsweise durch dielektrische Erwärmung mittels Mikrowellen. Ebenso ist es auch möglich die erwähnte Verschweißung durch Ultraschall vorzunehmen. Die Übertragungsmembran besteht dabei ebenso aus Kunststoff wie der Gehäusekörper, vorzugsweise aus dem gleichen Kunststoff, wobei die so gebildete Druckmeßzelle in beliebigen Anwendungsbereichen auch bei aggressiven Medien aufgrund der hermetischen Abdichtung des Sockels 5 eingesetzt werden kann, Zum leichteren Verschweißen kann dabei ferner an der oberen Stirnseite 23 des Gehäusekörpers 15 ein Stufenabsatz 37 vorgesehen sein, in den die ÜDertragungsmembran 29 zum Verschweißen eingelegt wird.
Die Dicke der Übertragungsmembran 29 beträgt beispielsweise weniger als 0,05 mm, so daß bei diesem Anwendungsfall die ansonsten Material abhängige hohe Elastizität bei geringer Hysterese gewährleistet ist.
Bei dem in Figur 2 gezeigten Anwendungsbeispiel einer Druckmeßzelle handelt es sich im wesentlichen um einen zur Figur 1 identischen Aufbau, wobei hier zusätzlich noch der Gehäusekörper 15 mit einem Anschlußstutzen 39 mit Innenkanal 41 versehen ist, der über die Zentralbohrung 13 zu dem Innenraum der Druckmeßzelle 1 führt. Beispielsweise durch Anstecken eines Druckschlauches auf den Anschlußstutzen 39 läßt sich diese Druckmeßzelle leicht als Differenzdruckmeßzelle verwenden. Um Bohrungen 43 im Gehäusekörper 19 durch die die Sockelstifte 7 ragen, von dem Innenkanal 41 und damit den Innenraum der Druckmeßzelle 1 abzudichten, ist ferner im Bereich des Innenkanales 41 unter der Unterseite 31 des Sockels 5 ein weiterer Stufenabsatz 45 vorgesehen, in dem ebenfalls eine weitere Dichtung 47 eingelegt ist.
Bei dem in Figur 3 gezeigten Ausführungsbeispiel wird ein Gehäusekörper 15 mit einer einstückig mit ihm ausgebildeten Übertragungsmembran 29 verwendet. Ein derartiger Gehäusekörper mit Übertragungsmembran kann beispielsweise im Spritzgußverfahren hergestellt werden, wobei auch hier die Dicke der Übertragungsmembran vorzugsweise weniger als 0,05 mm, beispielsweise 0,02 mm beträgt. In diesem Falle ist der Gehäusekörper 15 in Bezug auf den Sockel 5 um 1800 versetzt angeordnet, so daß der Sockel 5 über die nunmehr untenliegende Einführöffnung 25 auf seinen Anlagensitz eingeführt werden kann. Auch hierbei wird die Möglichkeit eines Art Schnappverschlusses des Sockels bezüglich des Gehäusekörpers durch die Verwendung eines Gehäusekörpers aus Kunststoff realisiert.
In diesem Ausführungsbeispiel ist ferner ein Ölabfülloch vorgesehen, das zum Druckraum 35 führt. Dieses Ölabfülloch 49 kann beispielsweise in Axialrichtung durch die untere Stirnseite des Gehäusekörpers 15 seitlich zum Sockel 5 versetzt in den Druckraum 35 eingebracht sein. Möglich ist a.ber auch die radiale Anordnung durch den Gehäusekörper 15.
Über dieses Ölabfülloch 49 kann dann der Druckraum 35 evakuiert und mit Öl befüllt werden. panach wird der Druckraum 35 über einen nicht näher gezeigten Verschlußnippel wieder geschlossen.
Anstelle des verwandten Öles 38 kann auch ein anderes geeignetes Druckübertragungsmedium eingesetzt werden.

Claims

Piezoresistives Druckmeßelement ============~======================================~========== Ansprüche: 1. Piezoresistives Druckmeßelement mit einem vorzugsweise zylindrischen Gehäusekörper, an dessen Stirnoberseite eine Übertragungsmembran den darunter befindlichen und mit einem Druckübertragungsmedium befüllten Druckraum hermetisch abgedichtet und mit einer in diesem Meßdruckraum aufgenommenen, auf ihrer Oberseite mit Widerständen versehenen Druckmeßzelle, die wiederum auf einem Sockel befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der Gehäusekörper (15) als auch die Obertragungsmembran (29) aus Kunststoff bestehen, und daß die Obertragungsmembran (29) mittels Ultraschall, thermisch oder mittels dielektrischer Erwärmung oberhalb des Druckraumes (35) auf den Gehäusekörper (15) aufgeschweißt ist.
2. Piezoresistives Druckmeßelement nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehäusekörper (15) und die Übertragungsmembran (29) einstückig ausgebildet sind und beide aus einem aus Kunststoff gefertigten Spritzgußkörper bestehen.
3. Piezoresistives Druckmeßelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine den Druckraum (35) bildende Einführöffnung (25) im Gehäusekörper (15) von außen nach innen in Richtung auf den Sitzflansch (17) des Sockels (5) mit verjüngendem Durchmesser ausgebildet und im Bereich des Sockels (5) mit einer hinterschnittenen Stufenkante (27) zur haltenden Aufnahme des Sockels (5) ausgebildet ist, wobei der Innendurchmesser der nach innen vorstehenden Stufenkante (27) kleiner ist als der Außendurchmesser des Sokkels (5).
4. Piezoresistives Druckmeßelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einführöffnung (25) an der Außenseite des Gehäusekörpers (15) größer oder gleich ist dem Außendurchmesser des Sockels (5).
5. Piezoresistives Druckmeßelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Übertragungsmembran (29) weniger als 0,05 mm, vorzugsweise 0,02 mm beträgt.
6. Piezoresistives Druckmeßelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehäusekörper (15) mit einem innen umlaufenden Sitzflansch (17) versehen ist, auf dem der Sockel (5) ruht, wobei in dem Sitzflansch (17) eine umlaufende Dichtung (21) in einer dort eingebrachten Nut (19) vorgesehen ist.
7. Piezoresistives Druckmeßelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung als Differenzdruckmesser der Sitzflansch (17) des Gehäusekörpers (15) beidseitig der in ihm eingebrachten Bohrungen (43) für die Sockelstifte (7) mit einer umlaufenden Dichtung (21, 47) in Anlage an dem Sockel (5) vorgesehen ist.
8. Piezoresistives Druckmeßelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehäusekörper (15) und die Ubertragungsmembran (29) aus elastischem Kunststoff, vorzugsweise aus Delerin bestehen.
9. Verfahren zur Herstellung eines piezoresistiven Druckmeßelementes nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die aus Kunststoff bestehende Übertragungsmembran (29) mit Ultraschall, thermisch oder mittels dielek trischer Erwärmung auf dem ebenfalls aus Kunststoff bestehenden Gehäusekörper (15) zum hermetischen Verschluß des Druckraumes (35) aufgeschweißt wird.