Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung geht aus von einem Drucksensor nach der Gattung des
Hauptanspruchs.The invention is based on a pressure sensor of the type of
Main claim.
Es ist bekannt, als Sensorelement eines Drucksensors ein Formkera
mikteil zu verwenden, das eine in einem Rahmen ausgebildete Membran
aufweist. Die Membran hat plane Oberflächen und ist gleichmäßig dünn
ausgebildet. Eine Oberseite der Membran dient als Grundsubstrat für
rechteckige, piezoresistive Dickschicht-Meßwiderstände. Mit solchen
Sensorelementen lassen sich im Verhältnis zum zu messenden Druck nur
geringe Nutzsignale erzeugen. Gleichzeitig ist das Sensorelement nur
bedingt belastbar und weist bei höheren Drücken ein kritisches
Berstverhalten auf.It is known to use a molded ceramic as the sensor element of a pressure sensor
to use mikteil, which is a membrane formed in a frame
having. The membrane has flat surfaces and is evenly thin
educated. An upper side of the membrane serves as the base substrate for
rectangular, piezoresistive thick-film measuring resistors. With such
Sensor elements can only be compared to the pressure to be measured
generate low useful signals. At the same time, the sensor element is only
conditionally resilient and has a critical pressure at higher pressures
Bursting behavior.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Der erfindungsgemäße Sensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des
Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß das Sensorelement
eine hohe Überdruckfestigkeit aufweist und gleichzeitig ein starkes
Nutzsignal liefert. Dies wird durch eine Versteifungszone in der
Membran des Sensorelements erreicht, die von einem Bereich maximaler
Zugspannung umgeben ist. Verstärkt wird dieser Effekt noch dadurch,
daß die Membran von dem Bereich maximaler Zugspannung ausgehend
bis an den Rahmen heranreichend mit zunehmendem Radius dicker
werdend ausgebildet ist. Dadurch wird die Zugspannung auf der Unter
seite der Membran gleichmäßiger abgebaut, was die Berstfestigkeit
wesentlich erhöht. Vorteilhaft ist außerdem, daß sich der Sensor
durch variable Ausgestaltung des Sensorelements einfach für ver
schiedene Meßbereiche auslegen läßt, indem die Bereiche maximaler
Zug- bzw. Schubspannungen der Membran des Sensorelementes optimiert
werden. Besonders günstig ist außerdem die Hybridintegrierbarkeit
von Sensorelement und Auswerteschaltung.The sensor according to the invention with the characteristic features of
The main claim has the advantage that the sensor element
has a high overpressure resistance and at the same time a strong one
Provides useful signal. This is due to a stiffening zone in the
Membrane of the sensor element reached by an area of maximum
Tension is surrounded. This effect is reinforced by
that the membrane starts from the area of maximum tensile stress
up to the frame thicker with increasing radius
being trained. This will pull the tension on the lower
side of the membrane degraded more uniformly, which rupture strength
significantly increased. It is also advantageous that the sensor
by variable design of the sensor element easy for ver
different measuring ranges can be designed by making the ranges maximum
Tension and shear stresses of the membrane of the sensor element optimized
will. Hybrid integration is also particularly favorable
of sensor element and evaluation circuit.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor
teilhafte Weiterbildungen des im Hauptanspruch angegebenen Sensors
möglich. Die Empfindlichkeit des Sensors kann vorteilhaft dadurch
erhöht werden, daß die Dickschichtwiderstände in den Bereichen maxi
maler Zugspannung und maximaler Schubspannung auf der Membran des
Sensorelementes angeordnet sind und zudem in der Form dieser Be
reiche ausgestaltet sind. Bei dieser Anpassung der Meßwiderstände an
die Geometrie der Zonen maximaler Dehnung bzw. Verkürzung können die
Deformationen der Membran optimal in Nutzsignale umgesetzt werden.
Als besonders günstig erweisen sich Sensorelemente mit einer runden
oder ovalen Versteifungszone im Mittelbereich der Membran. Durch
diese Versteifungszone wird der Bereich maximaler Zugspannung auf
einen Kreisring bzw. ein Oval um die Versteifungszone verlagert.
Vorteilhaft bei dieser Ausgestaltung des Sensorelementes ist es, die
Dickschicht-Widerstände als Kreissegmente bzw. Ovalsegmente
auszulegen und in dem Kreisringbereich bzw. Ovalbereich um die
Versteifungszone, der dem Bereich maximaler Dehnung entspricht,
anzuordnen. Außerdem ist es günstig, auch im Bereich der maximalen
Schubspannung entsprechend ausgeführte Dickschichtwiderstände
anzuordnen. Das Sensorelement kann aber auch vorteilhaft mit einer
eckigen Versteifungszone ausgestattet sein, auf deren Geometrie die
Ausgestaltung des Zugspannungsbereichs, der Verstärkungszone und der
Dickschichtwiderstände abgestimmt ist.
The measures listed in the subclaims provide for
partial developments of the sensor specified in the main claim
possible. The sensitivity of the sensor can be advantageous
be increased that the thick-film resistances in the areas maxi
painterly tensile stress and maximum shear stress on the membrane of the
Sensor element are arranged and also in the form of this loading
are richly designed. With this adjustment of the measuring resistors
the geometry of the zones of maximum elongation or shortening can
Deformations of the membrane can be optimally converted into useful signals.
Sensor elements with a round turn out to be particularly favorable
or oval stiffening zone in the central area of the membrane. By
this stiffening zone becomes the area of maximum tensile stress
moved a circular ring or oval around the stiffening zone.
It is advantageous in this embodiment of the sensor element that
Thick film resistors as circular segments or oval segments
to design and in the circular ring area or oval area around the
Stiffening zone corresponding to the area of maximum elongation,
to arrange. It is also cheap, even in the maximum range
Shear stress corresponding to thick film resistors
to arrange. The sensor element can also be advantageous with a
square stiffening zone, on whose geometry the
Design of the tension area, the reinforcement zone and the
Thick film resistors is matched.
Zeichnungdrawing
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung darge
stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es
zeigenAn embodiment of the invention is shown in the drawing
represents and explained in more detail in the following description. It
demonstrate
Fig. 1 den Schnitt durch ein Sensorelement und Fig. 1 shows the section through a sensor element and
Fig. 2 die
Aufsicht auf dieses Sensorelement. Fig. 2 shows the supervision of this sensor element.
Beschreibung der ErfindungDescription of the invention
In Fig. 1 ist mit 10 ein Sensorelement bezeichnet. Das Sensorele
ment 10 ist üblicherweise ein Formkeramikteil kann aber auch ein an
derer Keramikkörper sein. Aus dem Keramikkörper ist eine Membran 15
in einem Rahmen 11 ausgebildet. Eine Oberfläche 12 des Sensorele
ments 10 ist plan. Auf der Unterseite der Membran 15 ist im Mittel
bereich eine Versteifungszone 16 so ausgebildet, daß die Membran in
diesem Bereich dicker ist, als in einem Zugspannungsbereich 18 rund
um die Versteifungszone 16. An den Zugspannungsbereich 18 schließt
sich eine Verstärkungszone 17 an, die bis an den Rahmen 11 reicht.
Die Membran 15 ist in der Verstärkungszone 17 mit zunehmendem
Abstand von dem Zugspannungsbereich 18 dicker werdend ausgebildet.
Der Druckanschluß für das Sensorelement 10 erfolgt von unten und ist
in Fig. 1 durch einen Pfeil gekennzeichnet. Auf der planen Ober
fläche 12 der Membran 15 sind im Zugspannungsbereich 18 Dickschicht
widerstände 22 und im Bereich der Verstärkungszone 17 Dickschicht
widerstände 21 aufgebracht. Die Dickschichtwiderstände 22 dienen
dazu, die bei einem Druckanschluß auftretenden Dehnungen im Zug
spannungsbereich 18 zu erfassen, während mit den Dickschichtwider
ständen 21 die Stauchung der Membran 15 im Schubspannungsbereich 17
erfaßt wird.In Fig. 1, 10 denotes a sensor element. The sensor element 10 is usually a molded ceramic part but can also be a ceramic body. A membrane 15 is formed from the ceramic body in a frame 11 . A surface 12 of the sensor element 10 is flat. On the underside of the membrane 15 , a stiffening zone 16 is formed in the central area so that the membrane is thicker in this area than in a tension area 18 around the stiffening zone 16 . A reinforcement zone 17 adjoins the tension area 18 and extends to the frame 11 . The membrane 15 is formed thicker in the reinforcement zone 17 with increasing distance from the tension area 18 . The pressure connection for the sensor element 10 takes place from below and is identified by an arrow in FIG. 1. On the flat upper surface 12 of the membrane 15 18 thick film resistors 22 are in the tension area and 17 thick film resistors 21 are applied in the region of the reinforcement zone. The thick-film resistors 22 are used to detect the stresses in the tension area 18 that occur during a pressure connection, while the thick-film resistors 21 are used to detect the compression of the membrane 15 in the shear stress area 17 .
In Fig. 2 ist die Oberseite 12 des Sensorelements 10 dargestellt.
Sie dient als Grundsubstrat für die Dickschichtwiderstände 21, 22.
Mit den gestrichelten Linien sind die Abgrenzungen der verschiedenen
Bereiche: Rahmen 11, Verstärkungszone 17, Zugspannungsbereich 18 und
Versteifungszone 16 des Sensorelements 10 angedeutet. Die Verstei
fungszone 16 ist bei diesem Sensorelement 10 kreisrund ausgebildet
kann aber auch oval oder eckig sein. Abgestimmt auf die Form der
Versteifungszone 16 ist der Zugspannungsbereich 18 in diesem Bei
spiel kreisringförmig. Im Zugspannungsbereich 18 der Oberfläche 12
sind zwei kreissegmentförmig ausgestaltete, der Form des Zug
spannungsbereichs 18 angepaßte Dickschichtwiderstände 22 einander
gegenüber angeordnet. Die Ausgestaltung der Dickschichtwiderstände
als Segmente der Form des Zugspannungsbereichs 18 ermöglicht es, die
Deformation der Membran 15 im Bereich maximaler Dehnung optimal in
ein Nutzsignal umzusetzen. Auch die Dickschichtwiderstände 21 sind
kreissegmentförmig aber im Bereich der Verstärkungszone 17 angeord
net, wo die größte Schubspannung bei einer Druckeinwirkung auftritt.
In diesem Beispiel sind sowohl im Bereich der Verstärkungszone 17,
dem Schubspannungsbereich, als auch im Zugspannungsbereich 18
jeweils zwei Dickschichtwiderstände 21, 22 einander gegenüber
angeordnet. Die Anzahl und die Anordnung der Widerstände in diesen
Bereichen der Membran 15 können jedoch je nach Anwendung und Aus
gestaltung des Sensorelements 10 gewählt werden. Durch die Ver
steifungszone 16 in der Mitte der Membran 15 und die Ausgestaltung
der Verstärkungszone 17 wird der Bereich maximaler Zugspannung auf
den Zugspannungsbereich 18 verlagert. Die Verstärkung der Membran 15
im Außenbereich dient außerdem dazu, die Zugspannung auf der Unter
seite der Membran 15 gleichmäßig abzubauen, um die Berstfestigkeit
des Sensorelements 10 so groß wie möglich zu machen. Die erfindungs
gemäße Ausgestaltung des Sensorelements ermöglicht eine präzise,
pneumatische oder hydraulische Druckmessung bei gleichzeitiger hoher
Überdruckfestigkeit des Sensorelements.In FIG. 2, the top 12 is shown of the sensor element 10. It serves as the basic substrate for the thick-film resistors 21 , 22 . The dashed lines indicate the boundaries of the different areas: frame 11 , reinforcement zone 17 , tension area 18 and stiffening zone 16 of sensor element 10 . The reinforcement zone 16 is circular in this sensor element 10 but can also be oval or angular. Matched to the shape of the stiffening zone 16 , the tensile stress region 18 is circular in this example. In the tensile stress region 18 of the surface 12 , two thick-film resistors 22 configured in the shape of a segment of a circle, adapted to the shape of the tensile stress region 18, are arranged opposite one another. The configuration of the thick-film resistors as segments of the shape of the tensile stress region 18 makes it possible to optimally convert the deformation of the membrane 15 into a useful signal in the region of maximum elongation. The thick-film resistors 21 are in the form of a segment of a circle but are arranged in the region of the reinforcement zone 17 , where the greatest shear stress occurs when pressure is applied. In this example, two thick-film resistors 21 , 22 are arranged opposite one another both in the region of the reinforcement zone 17 , the shear stress region, and in the tensile stress region 18 . The number and arrangement of the resistors in these areas of the membrane 15 can, however, be selected depending on the application and design of the sensor element 10 . By the stiffening zone 16 in the middle of the membrane 15 and the configuration of the reinforcement zone 17 , the area of maximum tension is shifted to the tension area 18 . The reinforcement of the membrane 15 in the outer region also serves to evenly reduce the tensile stress on the underside of the membrane 15 in order to make the bursting strength of the sensor element 10 as large as possible. The design of the sensor element according to the invention enables precise, pneumatic or hydraulic pressure measurement with a high overpressure strength of the sensor element.