DE3409165A1

DE3409165A1 - Sensor

Info

Publication number: DE3409165A1
Application number: DE19843409165
Authority: DE
Inventors: Fritz 8520 Erlangen Breimesser
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1984-03-13
Filing date: 1984-03-13
Publication date: 1985-09-19

Abstract

The invention relates to a sensor having a nozzle arrangement. According to the invention, the nozzle arrangement is provided as a nozzle plate (2) which is provided with a centrally arranged signal channel (8), a plurality of flow ducts (10) which are arranged concentrically with respect to the signal channel (8), and a plurality of pressure feed ducts (12) and an intermediate plate (4) provided with a centrally arranged bore (14) which is arranged between the nozzle plate (2) and the semiconductor pressure sensor (6), and the nozzle plate (2) and the intermediate plate (4) consist in each case of silicon. The outcome of this configuration is that the signal channel length and the dead volume are substantially reduced in conjunction with a diminution of the overall size of the sensor. Moreover, a pneumatic sensor is produced whose response time is, for example, at most approximately 5 msec. <IMAGE>

Description

Sensorsensor

Die Erfindung bezieht sich auf einen Sensor mit einer Düsenanordnung, die mit wenigstens einem Strömungskanal und einem zentral angeordneten Signalkanal versehen ist, und einem Halbleiterdrucksensor.The invention relates to a sensor with a nozzle arrangement, those with at least one flow channel and one centrally arranged signal channel and a semiconductor pressure sensor.

Es ist ein pneumatischer Sensor zur Messung eines Werkzeugverschleißes und zur Kollisionsvermeidung bei einem Hesserkopffräser bekannt. Der pneumatische Sensor zur Verschleißmessung und der pneumatische Sensor zur Werkstückdetektion enthalten jeweils eine Mantelstrahldüse aus Metall und einen Halbleiterdrucksensor mit einem integrierten Signalverstärker. Die Mantelstrahldüse des Verschleißsensors ist für Speisedrücke von 1,0 bis 3,5 bar ausgelegt. Die Durchmesser des Strömungskanals und des Signalkanals betragen etwa 1,2 bzw. 0,5 mm. Die Länge der Mantelstrahldüse beträgt 22 mm, aber die Gesamtlänge des Signalkanals ist 55 mm lang. Die Ansprechzeit dieser Anordnung beträgt etwa 30 msec. Der pneumatische Sensor zur Werkstückdetektion ist beispielsweise mit einer Laval-Düse versehen, die im Anschluß an den engsten Querschnitt mit einer divergenten Kanal erweiterung versehen ist, die eine weitere Expansion der Luft zuläßt. Mit der Laval-Düse erhält man bei einem Speisedruck von etwa 5 bar eine Reichweite von etwa 10 mm. Der Durchmesser des Signalkanals dieser Düse ist etwa 2 mm und der Außendurchmesser des Speisekanals ist etwa 8,6 mm bei einem Innendurchmesser von etwa 7,8 mm (Jentner, W: Pneumatische Sensoren zur prozeßsimultanen Messung des Werkzeuoverschleißes und zur Kollisionsvermeidung beim Messerkopffräsen; "Forschung und Praxis", Band 64, 1982).It is a pneumatic sensor for measuring tool wear and known for avoiding collisions with a Hessian milling cutter. The pneumatic one Sensor for wear measurement and the pneumatic sensor for workpiece detection each contain a jacket jet nozzle made of metal and a semiconductor pressure sensor with an integrated signal amplifier. The jacket jet nozzle of the wear sensor is designed for feed pressures from 1.0 to 3.5 bar. The diameter of the flow channel and the signal channel are about 1.2 and 0.5 mm, respectively. The length of the jacket jet nozzle is 22 mm, but the total length of the signal channel is 55 mm. The response time this arrangement is about 30 msec. The pneumatic sensor for workpiece detection is provided, for example, with a Laval nozzle, which follows the narrowest Cross-section is provided with a divergent channel enlargement, which is a further Expansion of the air allows. With the Laval nozzle, a feed pressure of about 5 bar a range of about 10 mm. The diameter of the signal channel of this The nozzle is about 2 mm and the outside diameter of the feed channel is about 8.6 mm an inside diameter of about 7.8 mm (Jentner, W: Pneumatic sensors for process-simultaneous Measurement of tool wear and to avoid collisions when milling cutter heads; "Research and Practice", Volume 64, 1982).

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, diesen pneumatischen Sensor zu verbessern, insbesondere sollen die Ansprechzeit und die Empfindlichkeit vergrößert werden bei einem kompakten, mechanisch einfachen und unempfindlichen Aufbau des Sensors.The invention is based on the object of this pneumatic To improve the sensor, especially the response time and the sensitivity be enlarged in a compact, mechanically simple and insensitive Structure of the sensor.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Als Düsenanordnung ist eine Düsenplatte vorgesehen, die mit einem zentral angeordneten Signalkanal und mehreren Strömungskanälen, die konzentrisch zum Signalkanal angeordnet sind, versehen ist. Die Druckzuführungskanäle der Strömungskanäle sind jeweils radial zum Signalkanal angeordnet. Der Signalkanal hat beispielsweise einen Durchmesser von etwa 0,2 mm. Der Radius des ersten konzentrisch zum Signalkanal angeordneten Kreises, auf dem die Strömungskanäle angeordnet sind, ist beispielsweise etwa 0,35 mm und der Radius des zweiten konzentrisch zum Signalkanal angeordneten Kreises ist beispielsweise etwa 0,8 mm. Als Strömungskanäle sind beispielsweise gebogene Lang löcher vorgesehen, die etwa 0,2 mm breit sind. Diese Düsenplatte wird mit Hilfe des photolithographischen Verfahrens und einer Ätztechnik aus einer Siliziumscheibe, die beispielsweise eine Dicke von etwa 1 bis 2 mm hat, hergestellt.This object is achieved according to the invention with the characterizing Features of claim 1. As a nozzle arrangement, a nozzle plate is provided which with a centrally arranged signal channel and several flow channels that are concentric are arranged to the signal channel, is provided. The pressure supply channels of the flow channels are each arranged radially to the signal channel. The signal channel has, for example a diameter of about 0.2 mm. The radius of the first concentric to the signal channel arranged circle on which the flow channels are arranged is for example about 0.35 mm and the radius of the second arranged concentrically to the signal channel Circle is, for example, about 0.8 mm. The flow channels are, for example curved elongated holes provided, which are about 0.2 mm wide. This nozzle plate will with the help of the photolithographic process and an etching technique from a silicon wafer, which has a thickness of about 1 to 2 mm, for example.

Dadurch erhält man einen sehr kurzen Signalkanal von beispielsweise etwa 1 bis 2 mm Länge und eine Düsenanordnung, die einer Mantelstrahldüse mit doppelt konzentrischem Ringkanal entspricht. Durch diese Gestaltung der Düsenplatte wird der strömungstechnische Wirkungsgrad erhöht und die Ansprechzeit des Sensors wesentlich herabgesetzt.This gives a very short signal channel of, for example about 1 to 2 mm in length and a nozzle arrangement that is a jacket jet nozzle with double corresponds to concentric annular channel. This design of the nozzle plate is the fluidic efficiency increases and the response time of the sensor significantly degraded.

Außerdem ist eine Zwischenscheibe, versehen mit einer zentral angeordneten Bohrung, zwischen Düsenplatte und einem Halbleiterdrucksensor mit beispielsweise einem integrierten Signalverstärker angeordnet. Die Membrane des Halbleiterdrucksensors, die Bohrung der Zwischenscheibe und der Signalkanal der Düsenplatte sind koaxial angeordnet. Die Bohrung hat einen Durchmesser von beispielsweise etwa 0,5 mm. Die Zwischenscheibe ist auch mit Hilfe des photo lithographischen Verfahrens und einer Ätztechnik aus einer Siliziumscheibe hergestellt. Damit ist die Zwischenscheibe beispielsweise etwa 1 bis 2 mm dick.In addition, there is an intermediate disk with a centrally located one Hole, between the nozzle plate and a semiconductor pressure sensor with, for example one integrated signal amplifier arranged. The membrane of the Semiconductor pressure sensor, the bore of the washer and the signal channel of the Nozzle plates are arranged coaxially. The bore has a diameter of, for example about 0.5mm. The intermediate disk is also made using the photolithographic process and an etching technique from a silicon wafer. That’s the washer for example about 1 to 2 mm thick.

Durch die Gestaltung der Zwischenscheibe erreicht man, daß der Speisedruck nur auf der Seite der Membrane gelangt, die der Zwischenschicht abgewandt ist. Somit gelangt auf der Seite der Membrane, die der Zwischenschicht zugewandt ist, nur der Staudruck, dessen Betrag vom Abstand einer in der Nähe liegenden Oberfläche abhängt. Der gemessene Differenzdruck, nämlich Speisedruck minus Staudruck, ist ein Maß für den Abstand von in der Nähe liegenden Oberflächen.The design of the intermediate disk ensures that the feed pressure only reaches the side of the membrane that faces away from the intermediate layer. Consequently on the side of the membrane facing the intermediate layer, only the Dynamic pressure, the amount of which depends on the distance to a nearby surface. The measured differential pressure, namely feed pressure minus back pressure, is a measure for the distance from nearby surfaces.

Als Halbleiterdrucksensor kann vorzugsweise ein sehr empfindlicher Siliziumdrucksensor mit iiberlastsicherung gewählt werden, da der zu messende Differenzdruck nur einige zehn mbar beträgt. Solche Drucksensoren sind von ihrer Bauform her so überlastbar, daß sich weitere Schutzmaßnahmen erübrigen. Außerdem bilden der Halbleiterdrucksensor, die Zwischenschicht und die Düsenplatte eine Baueinheit.A very sensitive one can preferably be used as the semiconductor pressure sensor Silicon pressure sensors with overload protection should be selected because the differential pressure to be measured is only a few tens of mbar. Such pressure sensors are so in terms of their design overloadable, so that further protective measures are unnecessary. In addition, the semiconductor pressure sensor, the intermediate layer and the nozzle plate form a structural unit.

Durch diese Gestaltung des Sensors wird erreicht, daß die Signalkanallänge und das Totvolumen sich wesentlich verringert bei gleichzeitiger Verkleinerung der Baugröße des Sensors. Somit erhält man einen pneumatischen Sensor, dessen Ansprechzeit beispielsweise höchstens etwa 5 msec ist und dessen Empfindlichkeit sich wesentlich erhöht hat. Außerdem erhöht sich die Reichweite eines Näherungssensors, wenn man diesen Sensor verwendet. Dadurch kann die zusätzliche Anfahrgeschwindigkeit von Werkzeugen, die mit wenigstens einem solchen Sensor versehen sind, auf das zu bearbeitende Material erhöht werden.This design of the sensor ensures that the signal channel length and the dead volume is significantly reduced while the Size of the sensor. This gives you a pneumatic sensor and its response time for example at most about 5 msec and its sensitivity is significantly different has increased. In addition, the range of a proximity sensor increases if you used this sensor. This allows the additional approach speed of Tools, which are provided with at least one such sensor on the material to be processed increase.

Zur weiteren Erläuterung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der ein Ausführungsbeispiel eines Sensors schematisch veranschaulicht ist.For further explanation, reference is made to the drawing, in an embodiment of a sensor is illustrated schematically.

Fig. 1 zeigt einen Sensor gemäß der Erfindung und in Fig. 2 ist ein Schnitt II-II nach Fig. 1 dargestellt.Fig. 1 shows a sensor according to the invention and in Fig. 2 is a Section II-II of FIG. 1 is shown.

In der Ausführungsform nach Fig. 1 ist ein Sensor, insbesondere ein pneumatischer Sensor, dargestellt, den man zur Messung von Werkzeugverschleiß, zur Kollisionsvermeidung von Werkzeugen bei Verarbeitungsmaschinen oder zur Positionsbestimmung bei Industriehandhabungsmaschinen verwenden kann. Dieser Sensor enthält eine Düsenplatte 2, eine Zwischenscheibe 4 und einen Halbleiterdrucksensor 6. Die Düsenplatte 2 ist mit einem zentral angeordneten Signalkanal 8, der beispielsweise einen Durchmesser von etwa 0,2 mm hat, und mehreren Strömungskanälen 10 versehen, die jeweils mit einem Druckzuführungskanal 12 versehen sind. Die Zwischenscheibe 4, versehen mit einer zentral angeordneten Bohrung 14, ist zwischen dem Halbleiterdrucksensor 6 und der Düsenplatte 2 angeordnet. Die Membrane 16 des Halbleiterdrucksensors 6, die Bohrung 14 der Zwischenscheibe 4 und der Signalkanal 8 der Düsenplatte 2 sind koaxial angeordnet. Außerdem ist der Durchmesser der Bohrung 14 der Zwischenscheibe 4 wesentlich größer als der Durchmesser des Signalkanals 8, aber wesentlich kleiner als der Durchmesser der Membrane 16 des Halbleiterdrucksensors 6. Die Bohrung 14 der Zwischenscheibe 4 kann beispielsweise zu etwa 0,4 mm gewählt werden. Dieser Wert ist abhängig von der Größe und Zuordnung der Strömungskanäle 10 zum Signalkanal 8 der Düsenplatte 2, da die Zwischenscheibe 4 den Speisedruck mit Hilfe der Druckzuführungskanäle 12 nur in die Strömungskanäle 10 leiten soll. Auf der Seite der Membrane 16 des Halbleiterdrucksensors 6, die der Zwischenscheibe 4 zugewandt ist, gelangt nur der Staudruck des Signalkanals 8. Da auf der Seite der Membrane 16 des Halbleiterdrucksensors 6, die der Zwischenscheibe 4 abgewandt ist, nur der Speisedruck von beispielsweise etwa 3 bar gelangt, mißt der Halbleiterdrucksensor 6 einen Differenzdruck. Dieser Differenzdruck ist ein Maß beispielsweise für den Abstand eines in der Nähe liegenden Objektes. Mit abnehmenden Abstand eines Objekts zur Düsenplatte 2 verringert sich auch der Differenzdruckwert.In the embodiment of FIG. 1, a sensor, in particular a pneumatic sensor, shown, which is used to measure tool wear Collision avoidance of tools in processing machines or for position determination can use in industrial handling machines. This sensor contains a nozzle plate 2, an washer 4 and a semiconductor pressure sensor 6. The nozzle plate 2 is with a centrally arranged signal channel 8, which for example has a diameter of about 0.2 mm, and provided several flow channels 10, each with a pressure supply channel 12 are provided. The intermediate disk 4 provided with a centrally arranged bore 14 is between the semiconductor pressure sensor 6 and the nozzle plate 2 arranged. The membrane 16 of the semiconductor pressure sensor 6, the bore 14 of the intermediate disk 4 and the signal channel 8 of the nozzle plate 2 are arranged coaxially. In addition, the diameter of the bore 14 is the washer 4 much larger than the diameter of the signal channel 8, but much smaller than the diameter of the diaphragm 16 of the semiconductor pressure sensor 6. The bore 14 the intermediate disk 4 can be chosen to be about 0.4 mm, for example. This The value depends on the size and assignment of the flow channels 10 to the signal channel 8 of the nozzle plate 2, since the intermediate disk 4 provides the feed pressure with With the aid of the pressure supply channels 12, it is intended to direct only into the flow channels 10. on the side of the membrane 16 of the semiconductor pressure sensor 6, that of the intermediate disk 4 is facing, only the back pressure of the signal channel 8 reaches Da on the side of the membrane 16 of the semiconductor pressure sensor 6, which faces away from the intermediate disk 4 is, only the feed pressure of, for example, about 3 bar reaches, the semiconductor pressure sensor measures 6 a differential pressure. This differential pressure is a measure for example for the Distance to a nearby object. With decreasing distance of an object to the nozzle plate 2 the differential pressure value is also reduced.

Der Halbleiterdrucksensor 6, die Zwischenscheibe 4 und die Düsenplatte 2 bilden eine Baueinheit. Diese Baueinheit ist mit einem Gehäuse 18 verbunden, das mit einer Druckzuführung 20 versehen ist. Der vom Gehäuse 20 und der Düsenplatte 2 eingeschlossene Raum 22 enthält Druckluft mit beispielsweise einem Speisedruck von etwa 3 bar. Ferner ist die Düsenplatte 2 und die Zwischenscheibe 4 mit Hilfe bekannter Verfahren der Siliziumbearbeitung jeweils aus einer Siliziumsubstratscheibe hergestellt. Durch die Gestaltung dieser Baueinheit verringert sich wesentlich die Signalkanallänge und das Totvolumen des Sensors, bestehend aus dem Volumen im Signalkanal 8, in der Bohrung 14 der Zwischenscheibe 4 und in dem von der Membrane 16 und der Zwischenscheibe 4 eingeschlossenen Raum.The semiconductor pressure sensor 6, the washer 4 and the nozzle plate 2 form a structural unit. This structural unit is connected to a housing 18 which is provided with a pressure feed 20. That of the housing 20 and the nozzle plate 2 enclosed space 22 contains compressed air with, for example, a feed pressure of about 3 bar. Furthermore, the nozzle plate 2 and the intermediate disk 4 is with the help known method of silicon processing, each from a silicon substrate wafer manufactured. The design of this unit significantly reduces the Signal channel length and the dead volume of the sensor, consisting of the volume in the signal channel 8, in the bore 14 of the washer 4 and in that of the membrane 16 and the Spacer 4 enclosed space.

In der Fig. 2 ist der Schnitt II-II nach Fig. 1 dargestellt. Die Strömungskanäle 10 sind jeweils gegeneinander versetzt angeordnet in mehreren konzentrisch zum Signalkanal 8 angeordneten Kreisen. Die Druckzuführungskanäle 12 der Strömungskanäle 10 sind jeweils radial zum Signalkanal 8 angeordnet. Der Radius r des ersten konzentrisch zum Signalkanal 8 angeordneten Kreises, auf dem die Strömungskanäle 10 angeordnet sind, ist bei- spielsweise etwa 0,35 mm und der Radius R des zweiten konzentrischen Kreises ist beispielsweise etwa 0,8 mm.In FIG. 2, the section II-II according to FIG. 1 is shown. The flow channels 10 are each arranged offset from one another in several concentric to the signal channel 8 arranged circles. The pressure supply channels 12 of the flow channels 10 are each arranged radially to the signal channel 8. The radius r of the first concentric to the signal channel 8 arranged circle on which the flow channels 10 are arranged are, is both- for example about 0.35 mm and the radius R of the second concentric circle is, for example, about 0.8 mm.

Die Radien r und R sind in der Figur jeweils durch einen Pfeil dargestellt. Als Strömungskanäle 10 sind gebogene Langlöcher in der Düsenplatte 2 vorgesehen. Die Zwischenscheibe 4, die auf der Düsenplatte 2 angeordnet ist, deckt die Strömungskanäle 10 ab, so daß nur der Staudruck des Signalkanals 8 zur Membrane 16 des Halbleiterdrucksensors gelangen kann.The radii r and R are each shown in the figure by an arrow. Curved elongated holes are provided in the nozzle plate 2 as flow channels 10. The intermediate disk 4, which is arranged on the nozzle plate 2, covers the flow channels 10, so that only the back pressure of the signal channel 8 to the membrane 16 of the semiconductor pressure sensor can get.

Durch die Gestaltung erhält man einen von der Bauform kleinen Sensor, insbesondere einen pneumatischen Sensor, der sich sehr gut eignet zur Positionsbestimmung bei Industriehandhabungsgeråten, die ein Objekt erkennen und in möglichst kurzer Zeit sich diesem Objekt nähern müssen.The design results in a sensor that is small in terms of its design, in particular a pneumatic sensor, which is very suitable for determining position for industrial handling devices that recognize an object and in as short a time as possible Time to approach this object.

11 Patentansprüche 2 Figuren11 claims 2 figures

Claims

Claims 1. Sensor with a nozzle arrangement with at least a flow channel (10) and a centrally arranged signal channel (8) is, and a semiconductor pressure sensor (6), d u r c h g e k e n n n z e i c h n e t that a nozzle plate (2) is provided as a nozzle arrangement, which with a central arranged signal channel (8), several flow channels (10) concentric to the Signal channel (8) are arranged, and a plurality of pressure supply channels (12) that one Intermediate disk (4) provided with a centrally arranged bore (14) between the nozzle plate (2) and the semiconductor pressure sensor (6) is arranged and that the The nozzle plate (2) and the intermediate disk (4) each consist of silicon.

2. Sensor according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t that the flow channels (10) on several concentric to the signal channel (8) arranged circles are arranged.

3. Sensor according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t that the flow channels (10) are each arranged offset from one another.

4. Sensor according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t that the flow channels (10) with at least one pressure supply channel (12) are provided.

5. Sensor according to one of claims 1, 3 or 4, d a -d u r c h g e it is not indicated that the pressure supply channels (12) of the flow channels (10) are arranged radially to the signal channel (8).

6. Sensor according to claim 1 to 5, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t that elongated holes are provided as flow channels (10).

7. Sensor according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t that the membrane (16) of the semiconductor pressure sensor (6), the bore (14) of the Intermediate disk (4) and the signal channel (8) of the nozzle plate (2) are arranged coaxially are.

8. Sensor according to claim 1 or 7, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t that the diameter of the bore (14) of the intermediate disk (4) is substantial is larger than the diameter of the signal channel (8) and much smaller than that Diameter of the membrane (16) of the semiconductor pressure sensor (6).

t 9. Sensor according to claim 1 to 8, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t that the nozzle plate (2) is provided with a housing (18) in which a pressure feed (20) is provided.

10. Sensor according to claim 9, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t that the space (22) enclosed by the housing (20) and the nozzle plate (2) Contains compressed air.

11. Sensor according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t that the nozzle plate (2), the intermediate disk (4) and the semiconductor pressure sensor (6) form a structural unit.