DE3817695A1 - Drucksensor - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen kera
mischen Drucksensor, genauer gesagt auf einen Drucksensor,
der eine keramische Membran besitzt, die in Abhängigkeit
vom aufgebrachten Druck verformt wird, sowie mindestens
einen Widerstand, der auf der Membran ausgebildet ist und
dessen Widerstandswert in Abhängigkeit von der Größe der
Verformung der Membran variiert und somit den Druck dar
stellt, der auf die Membran aufgebracht wird. Die vorlie
gende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Her
stellung eines keramischen Drucksensors der vorstehend wie
dergegebenen Art.
Es ist ein Drucksensor oder Detektor eines Typs bekannt,
bei dem Widerstände, die in der Form einer Wheatstone'schen
Brücke geschaltet sind, auf einer Membran ausgebildet sind,
die durch aufgebrachten Druck verformt wird. Die Verformung
der Membran führt zu einer gewissen Spannung in den Wider
ständen, wodurch in Abhängigkeit von dem auf die Membran
aufgebrachten Druck ein Verlust des Brückenausgleichs der
Widerstände entsteht. Gemäß diesem Prinzip kann der Druck
sensor einen Druck messen. Als Drucksensor dieses Typs wird
ein keramischer Drucksensor vorgeschlagen, wodurch der Sen
sor Drücke bei erhöhten Temperaturen messen kann. Beispiele
eines derartigen keramischen Sensors sind im SAE-Report
8 20 319 und 8 60 474 beschrieben.
Bei einem derartigen keramischen Drucksensor ist normaler
weise eine keramische Membran mit Hilfe einer Glasverguß
masse auf einer Basisplatte befestigt, und die Membran kann
an einer ihrer gegenüberliegenden Flächen einen Druck auf
nehmen, so daß die Membran aufgrund dieses Druckes verformt
wird. Folglich werden die auf der verformten Membran be
findlichen Widerstände einer entsprechenden Spannung aus
gesetzt, die eine Änderung der Widerstandswerte der Wider
stände bewirkt. Der auf die Membran aufgebrachte Druck wird
durch Erfassung der Widerstandsänderung der Widerstände er
mittelt.
Bei herkömmlich ausgebildeten keramischen Drucksensoren
wird jedoch die Membran getrennt oder unabhängig von der
Basisplatte ausgebildet und gebrannt. Die vorbereitete
Membran wird mit Hilfe einer Vergußmasse oder eines Binde
mittels, wie beispielsweise Glas, mit der getrennt herge
stellten Basisplatte verbunden. Daher ist ein Unterschied
im Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Bindemittel
und der Membran oder zwischen dem Glas und der Basisplatte
vorhanden. Dieser Unterschied kann zu einer Herabsetzung
der Festigkeit der Grenzfläche zwischen der Membran und der
Basisplatte und zu einer Verschlechterung der Druckfestig
keit des Drucksensors führen, da der Sensor wiederholt in
den Druckmeßzyklen hohen und niedrigen Temperaturen ausge
setzt ist. Des weiteren kann der Unterschied im Wärmeaus
dehnungskoeffizienten zwischen dem Bindemittel und der
Membran in ungünstiger Weise eine Verformung der Membran
und eine Änderung der Widerstandswerte der Widerstände
hervorrufen, und zwar selbst dann, wenn kein Druck auf die
Membran einwirkt. Somit kann der Drucksensor einen Druck
meßfehler aufweisen oder eine geringere Genauigkeit in
bezug auf die Druckmessung besitzen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen keramischen
Drucksensor zu schaffen, der eine besonders gute Druckmeß
genauigkeit besitzt, und zwar selbst dann, wenn er bei
schwankenden Temperaturen verwendet wird.
Die Erfindung bezweckt ferner die Schaffung eines geeig
neten Verfahrens zur Herstellung eines derartigen kera
mischen Drucksensors.
Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen
keramischen Drucksensor gelöst, der die folgenden Bestand
teile umfaßt: Eine keramische Membran, die in Abhängigkeit
von einem aufgebrachten Druck verformbar ist, eine dem
Umfang der keramischen Membran zugeordnete keramische Ba
sis zur Lagerung der keramischen Membran und mindestens
einen Widerstand, der auf der keramischen Membran so aus
gebildet ist, daß der Widerstandswert des Widerstandes in
Abhängigkeit von der Größe der Verformung der keramischen
Membran variiert und dadurch den auf die Membran aufge
brachten Druck verkörpert. Die keramische Membran und die
keramische Basis sind zusammengebrannt und bestehen aus
einem einstückigen Körper.
Da die keramische Membran und die keramische Basis des
erfindungsgemäß ausgebildeten keramischen Drucksensors
gemeinsam gebrannt sind und aus einem einheitlichen oder
einstückigen Körper bestehen, der durch gemeinsames Brennen
eines nicht gebrannten Membranelementes und eines nicht ge
brannten Basiselementes erhalten wird, wird die Festigkeit
der Verbindung zwischen der keramischen Membran und der ke
ramischen Basis beträchtlich erhöht, wobei kein Bindemit
tel, wie beispielsweise eine entsprechende Glasmasse, er
forderlich ist, die in herkömmlicher Weise eingesetzt ist.
Des weiteren ist es nicht erforderlich, einen Unterschied im
Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Bindemittel oder
Glas und der Membran und Basis zu berücksichtigen. Mit
anderen Worten, der erfindungsgemäß vorgeschlagene kera
mische Drucksensor ist frei von einer möglichen Festig
keitsherabsetzung an der Grenzfläche zwischen der Membran
und der Basis und frei von anderen Nachteilen, die aus dem
Unterschied im Wärmeausdehnungskoeffizienten resultieren.
Somit besitzt der erfindungsgemäß vorgeschlagene Druck
sensor eine verbesserte Druckfestigkeit.
Des weiteren wird durch die Verbindung der Membran und der
Basis durch Zusammenbrennen der entsprechenden ungebrannten
Elemente zu dem einstückigen Körper in wirksamer Weise eine
Verformung der Membran beseitigt, die bei den herkömmlich
ausgebildeten Sensoren aufgrund eines Unterschiedes im
Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Bindemittel und
der Membran und Basisplatte auftritt. Folglich stellt der
erfindungsgemäß ausgebildete keramische Drucksensor eine
verbesserte Meßgenauigkeit sicher.
Ferner ermöglicht der zusammengebrannte einstückige Körper,
der aus dem Membranabschnitt und dem Basisabschnitt be
steht, eine Herabsetzung der Gesamtgröße des Drucksensors
und eine Herabsetzung der Zahl der Herstellschritte, wodurch
die Wirksamkeit des Sensors verbessert wird und die Her
stellkosten abgesenkt werden.
Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drucksen
sors wird der zusammengebrannte einstückige Körper
erhalten, indem ein ungebrannter laminarer Körper zusammen
gebrannt wird, der eine Vielzahl von ungebrannten planaren
keramischen Elementen oder Dickfilm-Keramikelementen auf
weist, in denen entsprechende Hohlräume ausgebildet sind.
Der einstückige Körper weist einen inneren Hohlraum auf,
der den Hohlräumen entspricht, die in den ungebrannten Ke
ramikelementen ausgebildet sind. Wenn diese ungebrannten
planaren keramischen Elemente verwendet werden, so können
diese Elemente aus frischen keramischen Lagen bestehen.
Wenn ungebrannte Dickfilm-Keramikelemente verwendet werden,
so können diese durch eine Dickfilmdrucktechnik hergestellt
sein. Der innere Hohlraum kann vorzugsweise einen abgerun
deten Rand mit einem vorgegebenen Krümmungsradius besitzen.
In diesem Fall wird durch den abgerundeten Rand die Kon
zentration von Spannungen am Umfang der Membran verhindert,
und der Rand trägt in vorteilhafter Weise zur Verbesserung
der Druckfestigkeit des Sensors bei.
Bei einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäß
ausgebildeten Drucksensors besitzen die ungebrannten Kera
mikelemente des ungebrannten laminaren Körpers mindestens
einen Einsatz, der in die darin ausgebildeten Hohlräume
eingesetzt ist. Jeder Einsatz weist ein geeignetes Volumen
auf und besteht aus einem sublimierbaren Material, das beim
Brennen des ungebrannten laminaren Körpers bei einer aus
gewählten Sintertemperatur sublimiert und verschwindet. Auf
diese Weise wird der innere Hohlraum im zusammengebrannten
einstückigen Körper ausgebildet. Als sublimierbares Mate
rial können vorzugsweise Theobromin und Indigo verwendet
werden.
Bei einer Ausgestaltung der vorstehend beschriebenen Aus
führungsform der Erfindung weist jeder Einsatz die gleichen
Abmessungen wie die eines entsprechenden Hohlraumes auf, so
daß jeder Einsatz mit enger Passung im entsprechenden
Hohlraum angeordnet ist.
Bei einer anderen Ausgestaltung der gleichen Ausführungs
form der Erfindung sublimiert das sublimierbare Material
bei einer Temperatur, die höher ist als der Zersetzungs
punkt eines im ungebrannten laminaren Körper enthaltenen
Materiales, das sich während des gemeinsamen Brennens der
ungebrannten Keramikelemente zersetzt.
Die vorstehend genannte zweite Aufgabe der Erfindung wird
durch ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen
Drucksensors, der eine keramische Membran, die in Abhän
gigkeit von einem aufgebrachten Druckverfahren verformbar
ist, eine dem Umfang der keramischen Membran zugeordnete
keramische Basis zur Lagerung der keramischen Membran und
mindestens einen Widerstand aufweist, der auf der kera
mischen Membran ausgebildet ist, wobei der Widerstandswert
des Widerstandes sich in Abhängigkeit von der Größe der
Verformung der keramischen Membran ändert und auf diese
Weise den auf die keramische Membran aufgebrachten Druck
verkörpert, gelöst, das die folgenden Schritte umfaßt:
Herstellen eines ungebrannten keramischen Membranelementes, das durch Brennen die keramische Membran ergibt, Herstellen eines ungebrannten keramischen Basiselementes, das durch Brennen die keramische Basis ergibt, die die keramische Membran lagert, Herstellen eines ungebrannten laminaren Körpers, der das ungebrannte keramische Membranelement und das ungebrannte keramische Basiselement umfaßt, und Brennen des ungebrannten laminaren Körpers, um auf diese Weise das ungebrannte keramische Membranelement und das ungebrannte keramische Basiselement zusammenzubrennen und einen zusam mengebrannten einstückigen Körper herzustellen, der einen Membranabschnitt, der als keramische Membran aus dem unge brannten keramischen Membranelement hergestellt worden ist, und einen Basisabschnitt aufweist, der als keramische Basis aus dem ungebrannten Basiselement hergestellt worden ist, wobei der Membranabschnitt und der Basisabschnitt ein stückig sind.
Herstellen eines ungebrannten keramischen Membranelementes, das durch Brennen die keramische Membran ergibt, Herstellen eines ungebrannten keramischen Basiselementes, das durch Brennen die keramische Basis ergibt, die die keramische Membran lagert, Herstellen eines ungebrannten laminaren Körpers, der das ungebrannte keramische Membranelement und das ungebrannte keramische Basiselement umfaßt, und Brennen des ungebrannten laminaren Körpers, um auf diese Weise das ungebrannte keramische Membranelement und das ungebrannte keramische Basiselement zusammenzubrennen und einen zusam mengebrannten einstückigen Körper herzustellen, der einen Membranabschnitt, der als keramische Membran aus dem unge brannten keramischen Membranelement hergestellt worden ist, und einen Basisabschnitt aufweist, der als keramische Basis aus dem ungebrannten Basiselement hergestellt worden ist, wobei der Membranabschnitt und der Basisabschnitt ein stückig sind.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von bevorzugten Aus
führungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung im ein
zelnen erläutert. Es zeigen die
Fig. 1 bis 5 Ansichten, die unterschiedliche Aus
führungsformen der vorliegenden Er
findung zeigen, wobei die Fig. 1
(a), 2(a), 3(a), 4(a) und 5(a)
perspektivische Ansichten wiedergeben,
die laminare Strukturen von verschie
denen ungebrannten Elementen zeigen,
wobei die Fig. 1(b), 2(b), 3(b),
4(b) und 5(b) Querscnitte sind,
die zusammengebrannte Körper darstel
len, die aus den ungebrannten laminaren
Strukturen erhalten worden sind, und
wobei Fig. 5(c) ein Querschnitt ent
lang Linie C-C in Fig. 5(a) ist, der
einen konischen Einsatz zeigt;
Fig. 6(a) einen Querschnitt durch einen zusammen
gebrannten Körper gemäß einer weiteren
Ausführungsform der Erfindung, wobei
ein modifizierter kreisförmiger Hohl
raum mit abgerundeten Rändern darge
stellt ist;
Fig. 6(b) eine Teilansicht, die in Vergrößerung
den kreisförmigen Hohlraum der Fig.
6(a) zeigt;
die
Fig. 7(a) und 7(b) Ansichten entsprechend den Fig. 6
(a) und 6(b), die einen weiteren modi
fizierten kreisförmigen Hohlraum gemäß
einer anderen Ausführungsform der Er
findung zeigen;
Fig. 8 einen Querschnitt durch ein Aus
führungsbeispiel der Anordnung eines
Drucksensors, der einen zusammenge
brannten Körper aufweist, welcher er
findungsgemäß hergestellt worden ist;
die
Fig. 9(a) und 9(b) einen Schnitt in waagerechter und
senkrechter Richtung durch den zu
sammengebrannten Körper der Fig. 8;
und
Fig. 10 ein Diagramm, das eine auf dem zu
sammengebrannten Körper der Fig.
8(a) und 8(b) ausgebildete Brücken
schaltung zeigt.
In der perspektivischen Ansicht der Fig. 1(a) ist ein
ungebrannter laminarer Körper gezeigt, der zu einem zu
sammengebrannten einstückigen Körper gebrannt wird, wie er
im Querschnitt in Fig. 1(b) dargestellt ist. Dieser
zusammengebrannte einstückige Körper bildet die erste
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In den Fig. 1(a) und 1(b) ist mit der Bezugsziffer 2
ein ungebranntes planares keramisches Element oder Dick
film-Keramikelement in der Form eines ungebrannten Membran
elementes bezeichnet, das zu einem Membranabschnitt 16 ge
brannt wird, der in Abhängigkeit vom aufgebrachten Druck
verformbar ist. Mit 4 ist ein ungebranntes planares kera
misches Element in der Form eines ungebrannten Abstands
elementes bezeichnet, das eine kreisförmige Öffnung 6
besitzt, die in einem mittleren Abschnitt desselben ausge
bildet ist. Mit 8 ist ein ungebranntes planares oder
kubisches keramisches Element in der Form eines ungebrann
ten Basiselementes bezeichnet, das ein Durchgangsloch 10
aufweist, welches in einem mittleren Abschnitt desselben
ausgebildet ist. Wie nachfolgend beschrieben wird, stehen
die kreisförmige Öffnung 6 und das Durchgangsloch 10 nach
dem Zusammenbrennen der ungebrannten Keramikelemente 2, 4,
8 des ungebrannten laminaren Körpers miteinander in Ver
bindung.
Wenn das ungebrannte Membranelement 2, das ungebrannte Ab
standselement 4 und das ungebrannte Basiselement 8 zu dem
ungebrannten laminaren Körper der Fig. 1(a) zusammenge
setzt werden, werden die kreisförmige Öffnung 6 und das
Durchgangsloch 10 mit einem sublimierbaren Scheibeneinsatz
12 und einem sublimierbaren Stangeneinsatz 14 verfüllt.
Genauer gesagt, der Einsatz 12 in der Form einer Scheibe
und der Einsatz 14 in der Form einer runden Stange be
sitzen im wesentlichen die gleichen Abmessungen wie die
Öffnung 6 und das Durchgangsloch 10, so daß die Einsätze 12
und 14 mit enger Passung in der entsprechenden Öffnung 6
und dem Loch 10 sitzen. Der Scheibeneinsatz 12 und der
Stangeneinsatz 14 bestehen im wesentlichen aus einem sub
limierbaren Material. Wenn die Öffnung und das Loch 6, 10
mit diesen Einsätzen 12, 14 verfüllt worden sind, werden
die ungebrannten Elemente 2, 4, 8 zu dem ungebrannten lami
naren Körper aufeinander gesetzt. Danach wird der laminare
Körper in üblicher Weise bei einer geeigneten Sintertempe
ratur gebrannt. Das Membranelement 2, das Abstandselement 4
und das Basiselement 8 werden zu einem einstückigen Körper
20 zusammengebrannt, der in Fig. 1(b) dargestellt ist und
aus dem Membranabschnitt 16 und einem Basisabschnitt 18
besteht, welcher einstückig mit dem Membranabschnitt 16
ausgebildet ist. Der Membranabschnitt 16 ist in Abhängig
keit von der Größe eines aufgebrachten Drucks verformbar,
und der Basisabschnitt 18 wirkt als Substrat, mit dem der
Umfang des Membranabschnitts 16 verbunden ist, so daß der
Membranabschnitt 16 vom Basisabschnitt 18 gelagert wird.
Während des Zusammenbrennens des ungebrannten laminaren
Körpers verschwinden der Scheibeneinsatz 12 und Stangen
einsatz 14 aufgrund der Sublimation. Folglich werden ein
kreisförmiger Hohlraum 22, der dem Scheibeneinsatz 12
entspricht, und ein Verbindungskanal 24 ausgebildet, der
dem Stangeneinsatz 14 entspricht. Der kreisförmige Hohlraum
22 steht über den Verbindungskanal 24 mit der Umgebungs
atmosphäre in Verbindung.
Der auf diese Weise hergestellte und ausgebildete, zusam
mengebrannte einstückige Körper 20 kann in geeigneter Weise
dazu verwendet werden, um einen keramischen Drucksensor zur
Erfassung oder Bestimmung eines zu messenden Druckniveaus
herzustellen. Wie später im einzelnen beschrieben wird,
wird mindestens ein Widerstand auf einer Außenfläche des
Membranabschnittes 16 ausgebildet. Der zu messende Druck
wird auf eine Innenfläche des Membranabschnittes 16 durch
den Verbindungskanal 24 und den Hohlraum 22 aufgebracht.
Der auf den Membranabschnitt 16 einwirkende Druck verformt
diesen, wodurch eine Änderung in den Widerstandswerten des
Widerstandes hervorgerufen wird. Das Druckniveau kann auf
der Basis dieser Änderung des Widerstandswertes ermittelt
werden. Der Widerstand kann vor, während oder nach dem
Zusammenbrechen des ungebrannten laminaren Körpers herge
stellt werden. Hierbei kann ein geeignetes Material für den
Widerstand auf die Außenfläche des ungebrannten Membran
elementes 2 vor oder während des Zusammenbrennens aufge
bracht werden. Das aufgebrachte Material kann ein
elektrisch widerstandsfähiges Material oder ein Material
sein, das nach dem Brennen zu einem elektrisch widerstands
fähigen Material wird. Wo der Widerstand auf den zusammen
gebrannten einstückigen Körper 20 ausgebildet wird, wird
ein elektrisch widerstandsfähiges Material auf die Fläche
des Membranabschnittes 16 gebracht. Ein geeignetes Glas
oder ein keramischer Überzug kann auf dem Widerstand
ausgebildet werden, um diesen zu schützen.
Der Drucksensor, bei dem der auf diese Weise ausgebildete
zusammengebrannte einstückige keramische Körper 20 Ver
wendung findet, enthält keine Verbindung, die durch
irgendein herkömmlich eingesetztes Verbindungsmaterial,
beispielsweise ein Glas, ausgebildet worden ist. Mit
anderen Worten, der Membranabschnitt 16 und der Basisab
schnitt 18 bilden den als Einheit gesinterten einstückigen
Körper 20, wobei der Umfangsteil des Membranabschnittes 16
einstückig mit dem oberen Teil des Basisabschnittes 18 aus
gebildet ist. In Abwesenheit eines Verbindungsmateriales
ist die Verbindungsfestigkeit an der Grenzfläche zwischen
dem Membranabschnitt 16 und dem Basisabschnitt 18 beträcht
lich größer als die einer herkömmlich ausgebildeten
Verbindung, die beispielsweise mit Hilfe eines Glases
hergestellt worden ist. Des weiteren werden durch das Fehlen
eines Verbindungsmateriales weitere mögliche Schwierigkei
ten vermieden, wie beispielsweise eine Abtrennung oder ein
Abblättern des Membranabschnittes 16 aufgrund einer wieder
holten thermischen Hysterese während der Verwendung des
Sensors bei sich ändernden niedrigen und hohen Tempera
turen. Daher wird die Druckfestigkeit des Sensors
beträchtlich verbessert. Darüber hinaus ist der Membranab
schnitt 16 frei von der üblicherweise auftretenden Ver
formung aufgrund eines Unterschiedes im Wärmeausdehnungs
koeffizienten, so daß die Druckerfassungsgenauigkeit des
Sensors verbessert wird.
Die keramischen Materialien für die ungebrannten Membran-
Abstands- und Basiselemente 2, 4, 8, die den zusammenge
brannten einstückigen Körper 20 ergeben, können aus be
kannten keramischen Materialien ausgewählt werden, die in
herkömmlicher Weise verwendet werden, um keramische Druck
sensoren herzustellen. Beispielsweise werden vorzugsweise
Aluminiumoxid, Zirkonoxid und Mullit verwendet. Unter
Verwendung der ausgewählten keramischen Materialien werden
die ungebrannten keramischen Elemente 2, 4, 8 über ein be
kanntes Verfahren zu planaren Elementen oder Dickfilmlagen
geformt. Erfindungsgemäß werden die ungebrannten kera
mischen Elemente 2, 4, 8 normalerweise aus dem gleichen
keramischen Material hergestellt. Üblicherweise wird das
ausgewählte keramische Material in der Form eines Pulvers
verwendet, das einen Binder und ein Plastifiziermittel zur
Erhöhung der Formbarkeit des Materiales aufweist. Des wei
teren enthält das keramische Pulver andere geeignete
Mittel, wie beispielsweise eine Sinterhilfe. Das herge
stellte Pulvergemisch wird zu einer geeigneten keramischen
Form weiterverarbeitet, beispielsweise eine durch ein
bekanntes Verfahren hergestellte Rohlage oder eine Dick
filmlage, die durch eine in üblicher Weise praktizierte
Dickfilmdrucktechnik hergestellt wird.
Die kreisförmige Öffnung 6 und das Durchgangsloch 10, die
in dem ungebrannten Abstandselement 4 und dem ungebrannten
Basiselement 8 ausgebildet sind, werden mit dem Scheiben
einsatz 12 und dem Stangeneinsatz 14 verfüllt, so daß der
kreisförmige Hohlraum 22 und der Verbindungskanal 24 im
zusammengebrannten einstückigen Körper 20 hergestellt wer
den können. Wenn die Einsätze 12, 14 nach dem Brennen des
ungebrannten laminaren Körpers nicht verschwinden, müssen sie
vom zusammengebrannten einstückigen Körper 20 entfernt
werden, wobei sie jedoch nach dem Brennen nicht mehr ent
fernt werden können. Aus diesem Grunde sollten der Schei
beneinsatz und Stangeneinsatz 12, 14 in erster Linie aus
einem Material hergestellt werden, das während eines Brenn
vorganges ausgebrannt werden kann, so daß das Material der
Einsätze 12, 14 nicht im Hohlraum 22 und im Kanal 24 zu
rückbleibt. Des weiteren sollen die Einsätze 12, 14 in ge
eigneter Weise geformte Massen sein, die einer Kraft wider
stehen können, welche auf das ungebrannte Abstands- und
Basiselement 4, 8 ausgeübt wird, wenn die ungebrannten Ele
mente 2, 4, 8 zu dem ungebrannten laminaren Körper kompak
tiert werden. Mit anderen Worten, die Einsätze 12, 14
sollen verhindern, daß das ungebrannte keramische Material
in die kreisförmige Öffnung 6 und das Durchgangsloch 10
verschoben wird, wenn die ungebrannten Elemente 2, 4, 8
unter Druck aufeinander angeordnet werden.
Der bei der vorliegenden Ausführungsform verwendete Schei
beneinsatz 12 und Stangeneinsatz 14 wird im wesentlichen
aus einem sublimierbaren Material hergestellt, das bei
Raumtemperatur normalerweise nicht sublimiert. Es ist
wünschenswert, daß das sublimierbare Material in einem
organischen Lösungsmittel, wie beispielsweise Äther, das
als Lösungsmittel für eine Paste des sublimierbaren Ma
teriales verwendet wird, nur geringfügig löslich oder un
löslich ist. Es wird insbesondere bevorzugt, ein subli
mierbares Material zu verwenden, das bei einer Temperatur
sublimiert, die höher ist als der Zersetzungspunkt der
Additive, wie beispielsweise einem Binder und einem
Plastifiziermittel, die im ungebrannten laminaren Körper 2,
4, 8 enthalten sind und sich während des Brennens des
Körpers zersetzen. Theobromin, Indigo, 1,5 Diamino
anthrachinon, Hexabrombenzol und Naphtazin (Naphtacene)
sind besonders bevorzugte Beispiele für das sublimierbare
Material. Wie das für die ungebrannten keramischen Ele
mente 2, 4, 8 verwendete keramische Pulver wird das aus
gewählte sublimierbare Material mit den vorstehend an
gegebenen Additiven, wie beispielsweise einem Bindemittel
und einem Plastiiziermittel, vermischt, und das Gemisch
wird zu dem Scheibeneinsatz 12 und dem Stangeneinsatz 14
mit der geeigneten Form und dem geeigneten Volumen geformt.
Der Scheibeneinsatz 12 und der Stangeneinsatz 14, die
hauptsächlich aus dem sublimierbaren Material in der vor
stehend beschriebenen Weise geformt worden sind, besitzen
im wesentlichen die gleichen Abmessungen und Formen wie die
Öffnung 6 und das Loch 10 und werden daher mit enger
Passung in diesen Hohlräumen 6, 10 angeordnet, so daß die
Abschnitte des ungebrannten laminaren keramischen Körpers
(2, 4, 8), die die Hohlräume begrenzen, nicht in die Hohl
räume verlagert werden, während der laminare keramische
Körper unter Kompaktionsdruck steht. Wenn jedoch die Ein
sätze 12, 14 in der Lage sind, die vorstehend genannte
Verlagerung im ungebrannten Körper (2, 4, 8) zu verhindern,
müssen sie nicht aus einer festen Masse bestehen, d. h. sie
können hohl oder anders ausgebildet sein oder aus einer
geformten Masse bestehen.
Während vorstehend eine Ausführungsform des zusammenge
brannten einstückigen Körpers, der für den Drucksensor
geeignet ist, beschrieben wurde, ist die vorliegende Er
findung nicht auf diese Ausführungsform beschränkt, son
dern kann auch in anderer Weise verwirklicht werden. Einige
dieser modifizierten Ausführungsformen werden in Verbin
dung mit den Fig. 2(a) und 2(b) und den nachfolgenden
Figuren erläutert.
Eine in den Fig. 2(a) und 2(b) gezeigte zweite Aus
führungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungs
form dadurch, daß ein Einsatz nicht aus einem sublimier
baren Material hergestellt worden ist. Genauer gesagt, ein
ungebranntes Basiselement 26 dient auch als das bei der
ersten Ausführungsform verwendete Abstandselement 4, und
der Einsatz kann vom ungebrannten laminaren Körper (2, 26)
entfernt werden. Daher muß der Einsatz nicht aus einem sub
limierbaren Material bestehen. Er kann beispielsweise ein
zylindrischer Kern 28 sein, der in einer vergleichsweise
großen zylindrischen Bohrung 30, die im ungebrannten Basis
element 30 ausgebildet ist, mit enger Passung angeordnet
wird, bevor das ungebrannte Membranelement 2 unter einem
geeigneten Druck auf das ungebrannte Basiselement 26 ge
setzt wird, um den ungebrannten laminaren Körper zu erzeu
gen.
Danach wird der zylindrische Kern 28 vom hergestellten un
gebrannten laminaren Körper (2, 26) entfernt, und der lami
nare Körper wird zu dem einstückigen Körper 20 zusammen
gebrannt, wie dies in Fig. 2(b) gezeigt ist. Der herge
stellte einstückige Körper 20 besitzt einen zylindrischen
Hohlraum 32, der mit der Umgebungsatmosphäre in Verbindung
steht. Auf diese Weise besteht der zusammengebrannte ein
stückige Körper 20 aus dem Membranabschnitt 16 und dem Ba
sisabschnitt 18, die einstückig miteinander ausgebildet
sind.
Eine dritte Ausführungsform, die in den Fig. 3(a) und 3
(b) dargestellt ist, unterscheidet sich von den vorher
gehenden Ausführungsformen dadurch, daß ein ungebranntes
Basiselement aus einer Vielzahl von ungebrannten planaren
Basiselementen 34 a, 34 b . . . 34 n besteht. Ein ungebrannter
laminarer Körper wird hergestellt, indem das ungebrannte
Abstandselement 4 auf die aufeinandergesetzten planaren
Basiselemente 34 und das ungebrannte Membranelement 2 auf
das ungebrannte Abstandselement 4 gesetzt wird. Wie bei der
Ausführungsform der Fig. 1 wird der Scheibeneinsatz 12 in
die kreisförmige Öffnung 6 im Abstandselement 4 eingesetzt,
während der Stangeneinsatz 14 in ein Durchgangsloch einge
setzt wird, das aus einer Vielzahl von Löchern 10 a, 10 b . . .
10 n besteht, die sich durch die entsprechenden planaren
Elemente 34 a, 34 b . . . 34 n erstrecken.
Der auf diese Weise hergestellte ungebrannte laminare
Körper wird in entsprechender Weise wie bei der ersten
Ausführungsform zu dem einstückigen Körper 20 zusammen
gebrannt, der in Fig. 3(b) gezeigt ist. Bei dieser
dritten Ausführungsform kann die Ausbeute verbessert
werden, wenn das Membranelement 2, das Abstandselement 4
und die planaren Basiselemente 34 a, 34 b . . . 34 n alle die
gleiche Dicke besitzen.
Die in den Fig. 4(a) und 4(b) gezeigte vierte Aus
führungsform zeigt ein Beispiel eines zusammengebrannten
einstückigen Körpers 20 mit einem umschlossenen inneren
Hohlraum 22. Wie in Fig. 1(a) dargestellt, findet bei
dieser Ausführungsform ein ungebranntes Basiselement 36
Verwendung, das im Gegensatz zu den vorhergehenden Aus
führungsformen kein Durchgangsloch aufweist, das eine
Verbindung zwischen der kreisförmigen Öffnung 6 mit der Um
gebungsatmosphäre herstellt.
Auf dieses ungebrannte Basiselement 36 werden das unge
brannte Abstandselement 4 mit dem in der Öffnung 6 ange
ordneten Scheibeneinsatz 12 und das ungebrannte Membran
element 2 gesetzt. Der auf diese Weise erhaltene laminare
Körper wird zu dem in Fig. 1(b) gezeigten einstückigen
Körper 20 zusammengebrannt. Der innere kreisförmige Hohl
raum 22, der im einstückigen Körper 20 ausgebildet ist,
steht nicht mit der Umgebungsatmosphäre in Verbindung.
Der Drucksensor, bei dem der zusammengebrannte einstückige
Körper 20 der Fig. 4(b) Verwendung findet, ist so aus
gebildet, daß der zu erfassende Druck im Gegensatz zu den
vorhergehenden Ausführungsformen nur auf die Außenfläche
des Membranabschnitts 16 einwirkt.
Bei einer fünften Ausführungsform der Erfindung, die in den
Fig. 5(a), 5(b) und 5(c) dargestellt ist, findet kein
ungebranntes Abstandselement, das bei den vorhergehenden
Ausführungsformen mit der Bezugsziffer 4 bezeichnet ist,
Verwendung. Statt dessen wird ein sublimierbarer Kern
einsatz 38, der eine Querschnittsform gemäß Fig. 5(c)
aufweist, zwischen das ungebrannte Membranelement 2 und
Basiselement 8 gesetzt. Der entstandene ungebrannte lami
nare Körper mit dem zwischen die Elemente 2, 8 eingeschobe
nen Kerneinsatz 38 wird zu einem einstückigen Körper 20,
wie er in Fig. 5(b) gezeigt ist, zusammengebrannt. Die
ser einstückige Körper 20 weist einen konischen Hohlraum 40
auf, der dem Kerneinsatz 38 entspricht. Bei dieser Aus
führungsform ist der Membranabschnitt 16 an seinem mittle
ren Teil konvex ausgebildet und folgt dabei dem Profil des
Kerneinsatz 38, während der Umfang des konvexen Teiles
des Membranabschnittes 16 einstückig mit dem Basisabschnitt
18 ausgebildet ist.
Die vorstehend beschriebenen zusammengebrannten einstückigen
Körper 20 gemäß der Erfindung können in vorteilhafter Weise
derart modifiziert werden, daß der benachbart zum Membran
abschnitt 16 angeordnete innere kreisförmige Hohlraum 22
mit einem runden Rand versehen wird, der einen geeigneten
Krümmungsradius aufweist, wie dies bei 42 in den Fig. 6
(a), 6(b) und 7(a) und 7(b) angedeutet ist. Genauer ge
sagt, der kreisförmige Hohlraum 22 ist am oberen Rand be
nachbart zum Membranabschnitt 16, wie in den Fig. 6(a)
und 6(b) dargestellt, mit einem geeigneten Krümmungs
radius abgerundet. Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig.
7(a) und 7(b) sind der obere und untere Rand des kreis
förmigen Hohlraumes 22 mit unterschiedlichen Krümmungs
radien abgerundet, wie bei 44 angedeutet.
Die abgerundeten Ränder 42, 44 des kreisförmigen Hohlrau
mes 20, der den Membranabschnitt 16 des zusammengebrannten
einstückigen Körpers 20 bildet, behindern oder verhindern
in wirksamer Weise Spannungskonzentrationen am Umfang des
Membranabschnittes 16, wodurch die Haltbarkeit oder Druck
festigkeit der einstückigen Körper 20 und somit des Druck
sensors verbessert wird.
Fig. 8 zeigt ein Beispiel eines Drucksensors, bei dem ein
zusammengebrannter einstückiger Körper 20 Verwendung
findet, der einstückig miteinander ausgebildete Membran-
und Basisabschnitte 16, 18 enthält. Der einstückige Körper
20 ist in einem Gehäusekörper 50 angeordnet und mit einem
Deckelelement 52 versehen. Die drei Elemente 20, 50, 52
werden im montierten Zustand durch ein Verstemmelement 54
gehalten, das mit dem Gehäusekörper 50 und dem Deckelele
ment 52 in Eingriff steht, so daß der Umfangsteil des ein
stückigen Körpers 20 durch das Deckelelement 52 gegen den
Gehäusekörper 50 gepreßt wird. Ein O-Ring 56 ist zwischen
der unteren Fläche des einstückigen Körpers 20 und der
gegenüberliegenden Innenfläche des Gehäusekörpers 50 ange
ordnet, um eine Dichtung dazwischen zu bilden. Der Ge
häusekörper 58 besitzt ein sich durch ihn erstreckendes
Druckloch 58, das mit dem im einstückigen Körper 20 aus
gebildeten Verbindungskanal 24 und kreisförmigen Hohlraum
22 in Verbindung steht. In Funktion ist der Drucksensor so
angeordnet, daß das Druckloch 58 zu einem Strömungsmittel
hin offen ist, dessen Druck gemessen werden soll. Somit
wirkt der Druck des in den Hohlraum 22 eingeführten Strö
mungsmittels auf die Innenfläche des Membranabschnittes 16.
An der Außenfläche des Membranabschnittes 16 des zusammen
gebrannten einstückigen Körpers 20 sind einstückig bei
spielsweise vier Widerstände R 1, R 2, R 3 und R 4 ausgebil
det, die als Brückenschaltung, beispielsweise
Wheatstone'sche Brücke, geschaltet sind. Wenn der Membranab
schnitt 16 durch den Druck des durch das Druckloch 51 ein
geführten Strömungsmittels verformt wird, steigen die Wi
derstandswerte der Widerstände R 1-R 4 an oder nehmen ab, und
ein Ausgangssignal der Brückenschaltung wird über ein Lei
tungskabel 60, das an die Schaltung angeschlossen ist,
einer äußeren Vorrichtung zugeführt. Diese Widerstände R 1-
R 4 sind aus einem geeigneten elektrisch leitenden Material
hergestellt, das aus Metallen, beispielsweise Pt, Au, Ag
und Pd, oder Legierungen oder Oxiden dieser Metalle oder
elektrisch leitenden Oxiden, wie beispielsweise RuO2 oder
Bi2Ru2O7, ausgewählt ist.
Die Anordnung der vier Widerstände R 1-R 4, die so auf dem
Membranabschnitt 16 des einstückigen Körpers 20 ausgebil
det und über die Leiter 62 miteinander verbunden sind, ist
in den Fig. 9(a) und 9(b) gezeigt. Bei der Brücken
schaltung, die durch die Widerstände R 1-R 4 und die Leiter
62 gebildet wird, kann es sich um eine bekannte Aus
führungsform handeln. Ein Beispiel dieser Brückenschaltung
ist in Fig. 10 gezeigt. Mit 64 ist in Fig. 10 eine
Stromquelle bezeichnet.
Erfindungsgemäß wird somit ein Drucksensor vorgeschlagen,
der die folgenden Bestandteile umfaßt: Eine keramische
Membran, die in Abhängigkeit von einem aufgebrachten Druck
verformbar ist, eine keramische Basis, die dem Umfang der
keramischen Membran zugeordnet ist, um die keramische Mem
bran zu lagern, und mindestens einen Widerstand, der auf
der keramischen Membran ausgebildet ist. Der Widerstands
wert des Widerstandes schwankt in Abhängigkeit von der
Größe der Verformung der keramischen Membran und gibt auf
diese Weise den auf die keramische Membran aufgebrachten
Druck wieder. Die keramische Membran und die keramische
Basis bestehen aus einem zusammengebrannten Körper, der
durch Zusammenbrennen eines ungebrannten Membranelementes
und eines ungebrannten Basiselementes hergestellt worden
ist.
Claims (17)
1. Drucksensor, gekennzeichnet durch:
Eine keramische Membran (16), die in Abhängigkeit von einem aufgebrachten Druck verformbar ist;
eine keramische Basis (18), die dem Umfang der kera mischen Membran (16) zugeordnet ist, um diese zu la gern;
mindestens einen Widerstand (R 1, R 2, R 3, R 4), der auf der keramischen Membran (16) ausgebildet ist und des sen Widerstandswert sich in Abhängigkeit von der Größe der Verformung der keramischen Membran (16) ändert und damit den auf die Membran aufgebrachten Druck wieder gibt; wobei
die keramische Membran (16) und die keramische Basis (18) aus einem zusammengebrannten einstückigen Körper (20) bestehen.
Eine keramische Membran (16), die in Abhängigkeit von einem aufgebrachten Druck verformbar ist;
eine keramische Basis (18), die dem Umfang der kera mischen Membran (16) zugeordnet ist, um diese zu la gern;
mindestens einen Widerstand (R 1, R 2, R 3, R 4), der auf der keramischen Membran (16) ausgebildet ist und des sen Widerstandswert sich in Abhängigkeit von der Größe der Verformung der keramischen Membran (16) ändert und damit den auf die Membran aufgebrachten Druck wieder gibt; wobei
die keramische Membran (16) und die keramische Basis (18) aus einem zusammengebrannten einstückigen Körper (20) bestehen.
2. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß der zusammengebrannte
einstückige Körper (20) durch Zusammenbrennen eines
ungebrannten laminaren Körpers hergestellt ist, der
eine Vielzahl von ungebrannten keramischen Formtei
len oder Dickfilm-Keramikelementen (2, 4, 8) aufweist,
in denen entsprechende Hohlräume (6, 10) ausgebildet
sind, und daß der zusammengebrannte einstückige Kör
per (20) einen inneren Hohlraum (22) aufweist, der
den in den ungebrannten keramischen Elementen (2,
4, 8) ausgebildeten Hohlräumen (6, 10) entspricht.
3. Drucksensor nach Anspruch 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß die ungebrannten kera
mischen Elemente (2, 4, 8) des ungebrannten laminaren
Körpers mindestens einen Einsatz (12, 14) aufweisen,
der in die Hohlräume (6, 10) eingesetzt ist, und
daß der mindestens eine Einsatz (12, 14) aus einem
sublimierbaren Material hergestellt ist, das beim
Brennen des ungebrannten laminaren Körpers sublimiert
und verschwindet, so daß der innere Hohlraum (22)
im zusammengebrannten einstückigen Körper (20) aus
gebildet wird.
4. Drucksensor nach Anspruch 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß jeder Einsatz (12, 14)
die gleichen Abmessungen wie ein entsprechender Hohl
raum (6, 10) besitzt, so daß jeder Einsatz (12, 14)
mit enger Passung in den entsprechenden Hohlraum (6,
10) eingesetzt ist.
5. Drucksensor nach Anspruch 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß das sublimierbare Mate
rial bei einer Temperatur sublimiert, die höher ist
als der Zersetzungspunkt eines im ungebrannten lami
naren Körper enthaltenen Materiales, das sich
während des Zusammenbrennens der ungebrannten kera
mischen Elemente (2, 4, 8) zersetzt.
6. Drucksensor nach Anspruch 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß das sublimierbare Ma
terial aus Theobromin oder Indigo besteht.
7. Drucksensor nach Anspruch 2, dadurch ge
gekennzeichnet, daß die ungebrannten plana
ren keramischen Elemente (2, 4, 8) aus keramischen
Rohlagen bestehen.
8. Drucksensor nach Anspruch 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß die ungebrannten Dick
film-Keramikelemente (2, 4, 8) durch eine Dickfilm-
Drucktechnik hergestellt worden sind.
9. Drucksensor nach Anspruch 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß der innere Hohlraum
(22) einen abgerundeten Rand (42, 44) mit einem vor
gegebenen Krümmungsradius aufweist.
10. Verfahren zur Herstellung eines keramischen Druck
sensors mit einer keramischen Membran, die in Ab
hängigkeit von einem aufgebrachten Druck verformbar
ist, einer keramischen Basis, die dem Umfang der
keramischen Membran zugeordnet ist und diese lagert,
und mindestens einem auf der keramischen Membran
ausgebildeten Widerstand, dessen Widerstandswert
sich in Abhängigkeit von der Größe der Verformung
der keramischen Membran ändert und damit den auf
die keramische Membran aufgebrachten Druck wieder
gibt, gekennzeichnet durch die
folgenden Schritte:
Herstellen eines ungebrannten keramischen Membran elementes, das durch Brennen die keramische Membran ergibt;
Herstellen eines ungebrannten keramischen Basisele mentes, das durch Brennen die die keramische Mem bran lagernde keramische Basis ergibt;
Herstellen eines ungebrannten laminaren Körpers, der das ungebrannte keramische Membranelement und das ungebrannte keramische Basiselement umfaßt; und
Brennen des ungebrannten laminaren Körpers, um auf diese Weise das ungebrannte keramische Membranele ment und das ungebrannte keramische Basiselement zu sammenzubrennen und einen zusammengebrannten ein stückigen Körper herzustellen, der einen als kera mische Membran aus dem ungebrannten keramischen Mem branelement hergestellten Membranabschnitt und einen als keramische Basis aus dem ungebrannten Basisele ment hergestellten Basisabschnitt aufweist, wobei der Membranabschnitt und der Basisabschnitt einstückig miteinander ausgebildet sind.
Herstellen eines ungebrannten keramischen Membran elementes, das durch Brennen die keramische Membran ergibt;
Herstellen eines ungebrannten keramischen Basisele mentes, das durch Brennen die die keramische Mem bran lagernde keramische Basis ergibt;
Herstellen eines ungebrannten laminaren Körpers, der das ungebrannte keramische Membranelement und das ungebrannte keramische Basiselement umfaßt; und
Brennen des ungebrannten laminaren Körpers, um auf diese Weise das ungebrannte keramische Membranele ment und das ungebrannte keramische Basiselement zu sammenzubrennen und einen zusammengebrannten ein stückigen Körper herzustellen, der einen als kera mische Membran aus dem ungebrannten keramischen Mem branelement hergestellten Membranabschnitt und einen als keramische Basis aus dem ungebrannten Basisele ment hergestellten Basisabschnitt aufweist, wobei der Membranabschnitt und der Basisabschnitt einstückig miteinander ausgebildet sind.
11. Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet
durch den weiteren Schritt der Ausbildung der
Vielzahl der Widerstände auf dem ungebrannten Membran
element des ungebrannten laminaren Körpers.
12. Verfahren nach Anspruch 10, gekennzeichnet
durch den weiteren Schritt der Ausbildung der
Vielzahl der Widerstände auf dem Membranabschnitt des
zusammengebrannten einstückigen Körpers.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, ge
kennzeichnet durch den weiteren
Schritt der Ausbildung einer Öffnung zwischen dem
ungebrannten Membranelement und dem ungebrannten
Basiselement, die einen inneren Hohlraum bildet,
welcher im zusammengebrannten einstückigen Körper
benachbart zum Membranabschnitt ausgebildet ist.
14. Verfahren nach Anspruch 13, gekennzeich
net durch den weiteren Schritt der Aus
bildung eines Durchgangsloches durch das ungebrannte
Basiselement, das einen im zusammengebrannten ein
stückigen Körper ausgebildeten Kanal bildet, welcher
mit dem inneren Hohlraum in Verbindung steht.
15. Verfahren nach Anspruch 13, gekennzeich
net durch den weiteren Schritt der Auf
füllung der Öffnung mit einem Material, das während
des Brennens des ungebrannten laminaren Körpers
verschwindet.
16. Verfahren nach Anspruch 14, gekennzeich
net durch den weiteren Schritt der Auf
füllung des Durchgangsloches mit einem Material,
das während des Brennens des ungebrannten laminaren
Körpers verschwindet.
17. Verfahren nach Anspruch 13, gekennzeich
net durch den weiteren Schritt der Auf
füllung der Öffnung mit einer festen Masse, bevor
der ungebrannte laminare Körper hergestellt wird,
und der Entfernung der festen Masse, bevor der unge
brannte laminare Körper zu dem zusammengebrannten
einstückigen Körper gebrannt wird.
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