DE3907202A1 - Drucksensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Drucksensor mit einer keramischen Membran, die in Abhängigkeit vom aufgebrachten Druck verformbar ist und mit einer damit verbundenen keramischen Basis, die dem Umfang der keramischen Membran zu deren Lagerung und Einspannung zugeordnet ist und wenigstens einem Widerstand, der auf der keramischen Membran ausgebildet ist.

Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Drucksensors.

Bei derartigen Drucksensoren wird bevorzugt in Siebdrucktechnik auf eine Keramikmembran ein Widerstandsnetzwerk aufgebracht und die Membran anschließend getrocknet und gebrannt. Die bisher üblichen Drucksensoren weisen eine Basisplatte auf, an deren Rand die Membran mittels einer Glasschicht, ebenfalls durch Brennen, zu einem zusammengefügten Sensorkörper verbunden wird.

Die voneinander getrennte Herstellung der Membran und der Basisplatte ist nicht nur wegen der Vielzahl der nötigen Arbeitsschritte aufwendig, sondern führt auch zu Meßungenauigkeiten auf Grund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen den Keramikteilen und der verbindenden Glasmasse.

Die DE-OS 38 17 695 zeigt einen gattungsgemäßen keramischen Drucksensor und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Hierbei wird zunächst eine ungebrannte keramische Membran hergestellt, die durch späteres Brennen die keramische Membran des Drucksensors ergibt. Ebenfalls wird eine ungebrannte keramische Basisplatte hergestellt, die durch Brennen die die keramische Membran lagernde keramische Basis ergibt. Diese beiden Einzelteile werden dann zu einem ungebrannten laminaren Körper zusammengefügt (unter Druck aufeinandergesetzt) und nachfolgend gemeinsam gebrannt, wodurch sich durch Verbinden an der aneinanderliegenden Grenzfläche ein zusammengebrannter einstückiger Körper ergibt.

Hierbei sind immer noch eine Vielzahl von Arbeitsgängen erforderlich, da die Membran und die Basis gesondert hergestellt werden, dann zu einem Rohteil zusammengefügt werden müssen und erst anschließend gebrannt werden. Insbesondere bei der Herstellung eines derartigen Drucksensors mit einem der Membran benachbarten Hohlraum ist dieses Herstellungsverfahren sehr aufwendig, da ein weiteres rahmenartiges Abstandselement zwischen Membran und Basis hinzukommt, sowie die Öffnung für den Hohlraum im Abstandselement und die Durchgangsöffnung im Basiselement jeweils durch einen sublimierbaren Scheibeneinsatz bzw. Stangeneinsatz verfüllt werden, bevor diese Einzelteile zu einer Einheit aufeinandergesetzt werden und dann zusammengebrannt werden.

Dieser zusammengebrannte Sensorkörper wird in ein Gehäuse eingesetzt und am Umfangsteil nahe der Membran eingespannt. Hierdurch ergeben sich in der Membran Verspannungen, die die Meßgenauigkeit negativ beeinflussen.

Aus der älteren, nicht vorveröffentlichten DE-A-38 06 605 ist weiterhin ein Drucksensor bekannt, bei dem zur Verhinderung von unerwünschten Spannungen infolge der Einspannung des Sensorkörpers in einem Gehäuse eine gesonderte Einspannplatte vorgesehen ist, auf der der Sensorkörper mittels Verbindungsschichten, insbesondere Glasfritten aufgesetzt und in ein Gehäuse eingefügt ist. Die Vielzahl der Einzelteile bedingt jedoch mehrere aufwendige Herstellungsschritte.

Demzufolge liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Drucksensor mit hoher Meßgenauigkeit zu schaffen, der einfach herstellbar ist. Ferner soll ein entsprechendes, besonders einfaches Verfahren zur Herstellung eines derartigen keramischen Drucksensors angegeben werden.

Die erstgenannte Aufgabe wird gelöst durch einen Drucksensor mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Die zweitgenannte Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Drucksensors mit den Merkmalen des Patentanspruches 6. Durch die von der Membran entfernte Anordnung der Einspannstelle ergeben sich keine negativen Beeinflussungen und Verspannungen in der Membran.

Durch die gemeinsame Formgebung der Membran, des Basisteils und der Einspannstelle zu einem einstückigen keramischen Sensorkörper vorzugsweise in einem Arbeitsgang ergibt sich eine besonders einfache Herstellung und hohe Verbindungsfestigkeit zwischen Membran und Einspannstelle, da weder gesondertes Verbindungsmaterial, noch eine Grenzfläche zwischen diesen beiden funktionellen Teilen vorhanden ist. Durch die bevorzugte gemeinsame Formgebung vor dem Brennen des Sensorkörpers ergibt sich ein homogener Übergang insbesondere in den verbindenden Übergangsbereichen zwischen Membran und Einspannstelle.

Durch die gemeinsame Formgebung des ungebrannten Sensorrohteils lassen sich die Hauptbeanspruchungsflächen, insbesondere die Übergangsradien zwischen Einspannstelle und Membran entsprechend dem vorgesehenen Druckbereich einfach anpassen. Durch die besonders hohe Verbindungsfestigkeit auf Grund fehlender Grenzflächen läßt sich weiterhin der Sensorkörper selbst als Drucksensor ausbilden und hierbei Anschlußleitungen oder Anschlußgewinde im Sensorkörper selbst ausbilden, so daß keinerlei zusätzliche Gehäuse oder Dichtungen nötig sind.

Durch die Herstellung des Sensorkörpers in einem gemeinsamen Formgebungsschritt ergibt sich weiterhin eine Herabsetzung der Gesamtgröße des Drucksensors und eine wesentliche Herabsetzung der Zahl der nötigen Herstellungsschritte, so daß die Herstellkosten beträchtlich gesenkt werden. Es werden zumindest die gesonderte Formgebung der Membran- bzw. der Einspannplatte eingespart, ebenso wie der Fügevorgang durch Aufeinandersetzen der Einzelteile.

Ein Drucksensor gemäß dem nebengeordneten Patentanspruch 4 mit eingeformten Hohlraum und Anschlußgewinde läßt sich besonders vorteilhaft fertigen und unmittelbar an eine Druckquelle anschließen. Dabei werden gesonderte, aufwendig zu fertigende Gehäuse, die den Sensorkörper umgeben, vollkommen vermieden. Hierzu sei auf die DE-OS 37 07 078 verwiesen, wobei eine Keramikträgerplatte, die eine Membran mit einem Widerstandsnetzwerk bildet, in einen Becher eingetaucht, der mit einem dichtenden Deckel versehen ist. Eine derartige aufwendige Umhüllung des Sensors ist bei der letztgenannten Ausführungsform der Erfindung nicht mehr notwendig.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche und werden nachfolgend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Ausführungsform des Drucksensors;

Fig. 2 die Herstellungsform des Sensorkörpers;

Fig. 3 eine geschlossene Ausführungsform des Drucksensors;

Fig. 4 eine Gesamtdarstellung des Drucksensors.

In Fig. 1 ist ein im wesentlichen zylindrischer, hutförmiger Sensorkörper 1 dargestellt, der im wesentlichen aus den beiden funktionalen Teilen einer relativ dünnen, verformbaren Membran 2 und einer relativ stabilen Basis 3 mit Einspannstelle 5 zusammengesetzt ist. Auf der Membran 2 sind mehrere Meß- Widerstände 4 aufgebracht, insbesondere eine Brückenschaltung in Dickschichttechnik durch das bekannte Siebdruckverfahren aufgedruckt, die die Verformung der Membran 2 bei Druckbeaufschlagung meßtechnisch durch Widerstandsänderungen erfassen.

Am Rand der Basis 3 ist ein stabiler, starrer Einspannring 5 ausgebildet, durch den der Sensorkörper 1 an die Meßstelle anschließbar ist, wie dies mittels Doppelpfeilen angedeutet ist. Die Basis 3 ist über zwei kurvenförmige Übergänge 6 mit definierten Krümmungsradien an die Membran 2 angeschlossen. Zwischen der Membran 2 und der Basis 3 mit ihrer Einspannstelle 5 ist somit in bevorzugter Ausführung ein relativ biegeweiches Übergangs-Rohrstück 6 a gebildet, das bei ungleichmäßiger Krafteinleitung infolge der Einspannkräfte und/oder Temperaturausdehnungen Ausgleichsbewegungen in einer zu der Mittelachse senkrechten Ebene ermöglicht. Diese flexible Ausbildung aufgrund der Übergänge 6 hilft somit Verspannungen und damit Meßungenauigkeiten zu vermeiden. Diese Ausbildung des Rohrstücks 6 a ist durch die besonders hohe Verbindungsfestigkeit des gemeinsam geformten Sensorkörpers 1 ermöglicht, wodurch sich eine besonders homogene Ausbildung des keramischen Grundmaterials ohne irgendwelche Grenzflächen ergibt.

Die Membran 2 ist in ihrer Mitte mit größerer Membranstärke 7 a ausgeführt, so daß sich die Möglichkeit einer Bombierung 7 der Membran 2 ergibt, die in Fig. 2 überhöht dargestellt ist. Hierdurch sind bei hoher Ansprechempfindlichkeit hohe Druckbelastungen der Membran 2 möglich.

In Fig. 2 ist die Herstellung des Sensorkörpers 1 durch gemeinsames, gleichzeitiges Formen sowohl der Membran 2 als auch der Basis 3 mit ihrer Einspannstelle 5 aus keramischem Material dargestellt. Hierbei ist die Einspannstelle 5 gegenüber der Darstellung in Fig. 1 bis zur Oberseite der Membran 2 hochgezogen, so daß sich eine weiter erhöhte definierte Biegeweichheit des Übergangs-Rohrstücks 6 a ergibt. Zudem kann bei dieser Ausführung die Oberseite der Membran 2 und die Oberseite des Einspannrings 5 in einem Arbeitsgang bearbeitet, beispielsweise geläppt werden und nach dem Brennen des Sensorkörpers 1 gemeinsam beschichtet werden bzw. im Siebdruckverfahren gemeinsam bedruckt werden.

Zur Herstellung des Sensorkörpers 1 wird zunächst keramisches Pulver in den Formhohlraum zwischen einem Preßstempel 8 und einem Gegenwerkzeug 10 eingefüllt und durch gegenseitigen hohen Druck hochverdichtet. Dabei ergibt sich die gewünschte Membranstärke 7 a der Membran 2, wobei der Hub des Preßstempels 8 zur Erzielung verschiedener Membranstärken 7 a ( zur Anpassung an den jeweils gewünschten Druckbereich) einstellbar ist.

Wesentlich ist bei dem gemeinsamen Formen des Sensorkörpers 1 ein den Preßstempel 8 umgebendes Preßrohr 9, das insbesondere die Einspannstelle 5, Übergangsbereiche 6 und das Übergangs-Rohrstück 6 a mit definierten Radien und Wandstärken ausbildet. Durch schmiedeartiges Pulsieren des Preßstempels 8 und des Preßrohres 9 gegenüber dem Gegenwerkzeug 10 ergibt sich ein besonders homogenes Gefüge des ungebrannten Rohteils des Sensorkörpers 1 mit besonders hoher Festigkeit ohne die bisher üblichen Grenzflächen.

In Fig. 3 ist ein aufgrund der hohen Festigkeit ermöglichter Sensorkörper 1 gezeigt, der neben einem Hohlraum 11 bereits ein bei der Formgebung des Keramikrohteils ausgebildetes Anschlußgewinde 12 aufweist und somit bei dieser Ausführung die Einspann- bzw. Anschlußstelle 5 bildet. Zur Bildung des Hohlraumes 11 während des Formvorganges ist ein entsprechend geformter Kerneinsatz 11 a (strichpunktiert) aus verdampfbarem oder sublimierbarem Material, z. B. Hexabrombenzol vorgesehen. Über das Anschlußgewinde 12 als Einspannstelle 5 ist ein direkter Anschluß an eine Druckleitung, beispielsweise eine Hydraulikleitung einer Maschine oder eine Bremsleitung eines Fahrzeuges, besonders einfach möglich. Die beim Einschrauben entstehenden Spannungen werden durch die Zwischenschaltung des Übergangs-Rohrstücks 6 a dabei von der Membran 2 ferngehalten. Ein gesondertes Gehäuse zur Umhüllung oder Lagerung des Sensorkörpers 1 ist somit nicht mehr nötig. Diese Ausführung weist besonders wenige Herstellschritte und geringe Herstellkosten auf.

In Fig. 4 ist der Sensorkörpers 1 gemäß Fig. 1 mit geringem Umfangsspalt in einem Sensorhalter 13 angeordnet, der in einem Einschraubgehäuse 14 mittels einer Dichtung 15 an eine Meßstelle angeschlossen ist. Innerhalb des Einschraubgehäuses 14 ist ein Meßverstärker 16 vorgesehen , der die Widerstandsänderungen an der Membran 2 weiterverarbeitet. Der Sensorkörper 1 ist dabei direkt ohne gesonderte Einspannungsplatten, wie bei der DE-A-38 08 605 noch nötig, an die Meßstelle direkt anschließbar. Wie aus dieser Anordnung ersichtlich, ist damit eine direkte Beaufschlagung der Membran 2 durch das zu überwachende Druckfluid, z. B. eine Bremsflüssigkeit eines Fahrzeugs möglich, ohne weitere Übertragungsmedien zu benötigen. Da zudem die keramische Membran 2 chemisch resistent ist, eignet sich diese Anordnung insbesondere für den Einsatz bei chemisch aggressiven Fluiden. Hierbei ist das aus den Widerständen 4 bestehende Meßnetzwerk auf der von dem Druckfluid abgewandten Membranseite vorgesehen, so daß die Widerstände 4 und deren Verdrahtung bzw. Verbindungskabel 17 mit dem Druckfluid nicht in Berührung kommen.

Claims (8)

1. Drucksensor mit einer keramischen Membran, die in Abhängigkeit vom aufgebrachten Druck verformbar ist und mit einer damit verbundenen keramischen Basis, die dem Umfang der keramischen Membran zu deren Lagerung mit einer Einspannstelle zugeordnet ist und mit wenigstens einem Widerstand, der auf der keramischen Membran ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die keramische Basis (3) mit ihrer Einspannstelle (5) von der keramischen Membran (2) unter Zwischenschaltung flexibler Übergänge (6) beabstandet ist und als einstückiger Sensorkörper (1) ausgebildet ist.

2. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Membran (2) und Basis (3) ein biegeweiches Übergangs-Rohrstück (6 a) ausgebildet ist.

3. Drucksensor wenigstens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (2) auf der dem Widerstand (4) abgewandten Seite eine Bombierung (7) aufweist.

4. Drucksensor insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorkörper (1) ein in der Basis (3) eingeformtes Anschlußgewinde (12) zur direkten Verbindung an eine Meßstelle aufweist.

5. Drucksensor nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Anschlußgewinde (12) und Membran (2) ein Hohlraum (11) vorgesehen ist, der am Umfang durch das Übergangs-Rohrstück (6 a) begrenzt ist.

6. Verfahren zur Herstellung eines keramischen Drucksensors mit einer keramischen Membran, die in Abhängigkeit von einem aufgebrachten Druck verformbar ist, und einer damit verbundenen keramischen Basis, die dem Umfang der keramischen Membran zu deren Lagerung und Einspannung zugeordnet ist, und wenigstens einem Widerstand, der auf der keramischen Membran ausgebildet ist, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

• - Formen der ungebrannten keramischen Membran (2) zusammen mit der keramischen Basis (3) und Einspannstelle (5) zu einem ungebrannten, homogenen Sensorkörper, (1)
• - Brennen des einstückigen Sensorkörpers (1).

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Formen des ungebrannten Sensorkörpers zusammen mit einem Kerneinsatz (11 a) für einen Hohlraum (11) erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Formen des ungebrannten Sensorkörpers (1) zur Erzielung verschiedener Membranstärken (7 a) mit unterschiedlichem Hub eines Formstempels (8) durchführbar ist.