DE3907202C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Drucksensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Drucksensors gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9.

Die DE-A-38 17 695 offenbart einen keramischen Drucksensor der vorgenannten Art und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Zuerst wird eine rohe keramische Membran geformt. Ferner wird eine rohe keramische Basisplatte gebildet. Diese beiden Elemente werden dann (unter Anlegen von Druck) zu einem laminaren Körper zusammengesetzt, der dann gebrannt wird, um durch Verbinden an aneinanderliegenden Kontaktflächen einen einheitlichen Keramiksensorkörper zu bilden.

Für diesen Sensor sind mehrere Verfahrensschritte notwendig, da die Membran und die Basis eigens geformt, dann zu einem Rohelement kombiniert und erst dann gebrannt werden. Insbesondere bei der Herstellung eines derartigen Drucksensors mit einem Hohlraum benachbart zur Membran ist dieses Herstellungsverfahren verhältnismäßig kompliziert, da zusätzlich ein rahmenartiges Abstandselement zwischen die Membran und die Basis eingesetzt wird und die Öffnung für den Hohlraum in dem Abstandselement und in der Durchgangsöffnung in dem Basiselement mit einem sublimierbaren Scheibeneinsatz bzw. einem Stangeneinsatz gefüllt werden müssen, bevor diese einzelnen Elemente miteinander zu einer Einheit zusammengefügt und zusammen gebrannt werden.

Dieser kombinierte, gebrannte Sensorkörper wird dann in ein Gehäuse eingesetzt und an seinem Umfangsteil nahe der Membran eingespannt. Hierdurch ergeben sich in der Membran Verspannungen, die die Meßgenauigkeit negativ beeinflussen.

Die DE-A-35 10 042 offenbart einen Drucksensor mit einem Druckwandler und einer Druckmeßkapsel. Die Kapsel weist eine Membran auf, die in Oberflächenkontakt mit einer Membran des Druckwandlers ist. Die Membran der Kapsel bildet eine Wand des Hohlraums, der ferner definiert wird durch eine gegenüberliegende starre Platte und flexible Übergangsteile, die diese Platte mit der Membran verbinden. Wiederum ist der Aufbau des bekannten Druckwandlers kompliziert und seine Herstellung kostspielig.

Aus der älteren, nicht vorveröffentlichten DE-A-38 08 605 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.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drucksensor mit äußerst einfachem Aufbau und ein äußerst einfaches Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben. Der erfindungsgemäße Drucksensor besitzt die Merkmale des Patentanspruchs 1, das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Drucksensors die Merkmale des Patentanspruchs 9.

Da die Membran, die Basis und der Einspannteil einen einheitlichen, in einem Verfahrensschritt hergestellten keramischen Sensorkörper bilden, wird eine äußerst einfache Herstellung und eine hohe Verbindungsstabilität zwischen der Membran und dem Einspannteil erreicht, da weder eigenes Verbindungsmaterial noch Kontaktflächen zwischen den beiden funktionalen Elementen vorgesehen werden. Durch kombinierte Formung vor dem Brennen des Sensorkörpers ergibt sich ein homogener Übergang speziell in dem Übergangsbereich zwischen der Membran und dem Einspannteil. Da der Einspannteil von der Membran beabstandet ist, ergeben sich keine negativen Einflüsse oder Verspannungen in der Membran.

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 7 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 ein relativ biegeweiches Übergangs-Rohrstück 6a 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 6a 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 7a 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 6a 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 7a der Membran 2, wobei der Hub des Preßstempels 8 zur Erzielung verschiedener Membranstärken 7a ( 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 6a 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 11a (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 6a 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 Sensorkörper 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 (12)

1. Drucksensor mit einer einen Hohlraum und eine starre Einspannstelle aufweisenden keramischen Basis, in der an einer Stirnseite umfangsmäßig gehalten eine Membran ausgebildet ist, auf der ein Druckwandler in Form einer elektrischen Brückenschaltung aus Widerstands-Dehnungsmeßstreifen aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß die keramische Basis (3) einen flexiblen Übergang (6) zur starr gehaltenen Membran (2) aufweist und als gemeinsam mit diesem und der Membran (2) im ungebrannten Rohzustand homogen und einstückig geformter Sensorkörper (1) ausgebildet ist.

2. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der flexible Übergang aus einem biegeweichen Übergangsrohrstück (6a) gebildet wird.

3. Drucksensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptbeanspruchungsflächen, insbesondere die Krümmungsradien an den Übergängen zwischen der Einspannstelle (5) zu dem Übergangsrohrstück (6a) und zu der Membran (2), dem vorgesehenen Druckmeßbereich einfach anpaßbar sind.

4. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (2) auf der der Brückenschaltung (4) abgewandten Seite eine Bombierung (7) aufweist.

5. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspannstelle (5) als sich radial erstreckender Ringflansch ausgebildet ist.

6. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß wie Einspannstelle (5) ringförmig ist und mit seiner freien Stirnfläche in den Bereich der Ebene der Membranoberseite gezogen ist, insbesondere mit dieser fluchtet.

7. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorkörper (1) eine mit Gewinde versehene Durchgangsöffnung zum Hohlraum (11) aufweist, die selbst die Einspann- bzw. Anschlußstelle (5) bilden kann.

8. Drucksensoranordnung, dadurch gekennzeichnet, daß ein Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche an dem einen Ende eines Einschraub-Gehäuses (13) eingesetzt ist, an dessen gegenüberliegendem Ende ein elektrischer Meßverstärker (16) angebracht ist.

9. Verfahren zum Herstellen eines Drucksensors unter Bilden eines keramischen Sensorkörpers mit integrierter Membran in Rohform, Brennen des Sensorkörpers und Versehen einer Fläche der Membran mit einem Druckwandler, insbesondere in Dickfilmschichttechnik, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Brennen der Sensorkörper einschließlich der Membran mit entsprechender Abstützung einer dazu beabstandeten Einspannstelle und einem diese Elemente verbindenden flexiblen Übergangsteil in einem Verfahrensschritt aus keramischem Pulver in einer Preßform zu einem einstückigen Sensorkörper geformt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung eines definierten Hohlraums ein entsprechend komplementär geformter sublimierbarer Kerneinsatz vor dem Pressen in die Form eingesetzt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Formen des ungebrannten Sensorkörpers (1) zur Erzielung verschiedener Membranstärken (7a) mit unterschiedlichem Hub eines Formstempels (8) durchführbar ist.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zum Pressen des Sensorkörpers ein Preßstempel und ein diesen umgebenden Preßrohr verwendet werden.