DE4132391C1 - Pressure difference measurement transducer - has two electrically conducting diaphragms separated by insulating plate and has strain gauge connected to evaluation circuitry - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Druckdifferenz-Meßum­ former mit einer ersten elektrisch leitenden, von einem ersten Druck beaufschlagbaren Meßmembran und einer in derselben Ebene daneben liegenden zweiten elektrisch leitenden, von einem zweiten Druck beaufschlagbaren Meßmembran, mit einer sich über die erste Seite der beiden Meßmembranen erstreckenden ersten Deckplatte aus Isoliermaterial mit den Meßmembranen gegenüber­ liegenden, leitenden Beschichtungen, mit einer der zweiten Seite beider Meßmembranen zugewandten zweiten Deckplatte aus Isoliermaterial, mit einer die Meßmembranen hydraulisch derart koppelnden Druckübertragungsflüssigkeit, daß die Meßmembranen bei Auftreten einer Differenz zwischen den Drücken ihre Stel­ lung zueinander gegensinnig ändern, und mit einer elektro­ nischen Auswerteeinrichtung, die über elektrische Verbindungen mit den beiden Beschichtungen und den Meßmembranen verbunden ist, die Stellung der Meßmembranen gegenüber den Beschich­ tungen kapazitiv erfaßt und ein Meßsignal abgibt, das der durch die Drücke bestimmten Druckdifferenz proportional ist.

Bei einem bekannten Meßumformer dieser Art (EP 01 64 413 B1) würde der statische Druck innerhalb der Meßkammern zu einem Aufblähen des Meßumformers mit einem Verwölben der Deckplatten nach außen hin führen, wenn nicht besondere Vorkehrungen dagegen getroffen werden. Denkbar hinsichtlich derartiger Vor­ kehrungen ist beispielsweise, die beiden Deckplatten gegenein­ ander zwingenartig zu verspannen, um dadurch ein Verwölben nach außen zu verhindern. Eine andere Möglichkeit, das Auf­ blähen infolge des statischen Druckes zu verhindern, könnte darin bestehen, den Meßumformer zumindest an den äußeren Flachseiten der beiden Deckplatten möglichst weitgehend dem statischen Druck auszusetzen. Beide angesprochenen Lösungen sind sehr aufwendig und erhöhen den Herstellungsaufwand des bekannten Differenzdruck-Meßumformers erheblich. Andererseits kann das Aufblähen nicht ohne weiteres hingenommen werden, weil dadurch der Abstand zwischen den Meßmembranen und den leitenden Beschichtungen allein durch den statischen Druck verändert wird, was zu fehlerhaften Messungen der Druckdif­ ferenz führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Druckdifferenz- Meßumformer mit nebeneinander in einer Ebene liegenden Meßmem­ branen vorzuschlagen, bei dem der Einfluß des statischen Druckes auf das Meßergebnis in relativ einfacher Weise vermieden ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Druckdifferenz-Meßum­ former der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß auf einer äußeren Flachseite einer der Deckplatten eine Einrichtung zur Dehnungsmessung angebracht, die ebenfalls an die elektronische Auswerteeinrichtung angeschlossen ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Druckdifferenz-Meßumformer wird also ein Aufblähen infolgen statischen Druckes hingenommen und eine Beeinflussung des Meßergebnisses dadurch vermieden, daß die Einrichtung zur Dehnungsmessung an die elektronische Auswerte­ einrichtung ein Meßsignal abgibt, das der Dehnung der die Ein­ richtung zur Dehnungsmessung tragenden Deckplatte proportional ist. Da diese Dehnung der Abstandsänderung zwischen den Meß­ membranen und der die Einrichtung zur Dehnungsmessung tra­ genden Deckplatte infolge des statischen Druckes und damit dem statischen Druck selbst proportional ist, läßt sich der sta­ tische Druck über das gewonnene Meßsignal in der elektro­ nischen Auswerteeinrichtung ohne weiteres dahingehend berück­ sichtigen, daß die in der Auswerteeinrichtung aus den Ände­ rungen der Kapazitätswerte der von den Beschichtungen und den Meßmembranen gebildeten Kondensatoren gewonnene Meßgröße durch das gewonnene Meßsignal so beeinflußt wird, daß die elektri­ sche Meßgröße nur noch der tatsächlichen Druckdifferenz pro­ portional ist. Zu einem großen schaltungstechnischen Zusatz­ aufwand in der Auswerteeinrichtung führt dies nicht, da elektronische Auswerteeinrichtungen moderner Druckdifferenz- Meßumformer schon zur Kennlinienverbesserung in der Regel mit Mikroprozessoren ausgerüstet sind. Mittels des Mikroprozessors wird dann auch das von der Einrichtung zur Dehnungsmessung ge­ lieferte Meßsignal mitverarbeitet. Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Druckdifferenz-Meßumformers ist, daß er ohne aufwendige konstruktive Ausgestaltungen in der Lage ist, eine vom statischen Druck unbeeinflußte, der Druckdifferenz proportionale elektrische Meßgröße abzugeben.

Es ist zwar aus der DE 38 39 864 A1 ein Meßwertgeber für Differenzdruck bekannt, bei dem ein Aufblähen des Meßumfor­ mers infolge des statischen Druckes in Kauf genommen wird und ein von den Sensoren für die Druckdifferenz getrennter Sensor für den statischen Druck eingesetzt wird, der wie die Druck­ differenz-Sensoren an eine elektronische Auswerteeinrichtung angeschlossen ist, jedoch ist bei diesem bekannten Meßwert­ geber der Sensor für den statischen Druck in einer Meßkammer benachbart zu den Druckdifferenz-Sensoren angeordnet; außerdem ist der bekannte Meßwertgeber mit piezoresistiven Meßelementen auf einem Halbleitersubstrat als Druckdifferenz-Sensoren versehen.

Die Einrichtung zur Dehnungsmessung kann bei dem erfindungsge­ mäßen Druckdifferenz-Meßumformer in unterschiedlicher Weise ausgebildet sein; beispielsweise kann sie in ihrer einfachsten Form aus einem einzigen Dehnungsmeßstreifen bestehen. Um ein möglichst großes, der jeweiligen Dehnung der die Einrichtung zur Dehnungsmessung tragenden Deckplatte proportionales Meß­ signal zu erhalten, wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Einrichtung zur Dehnungsmessung eine Brückenschaltung mit Elementen zur Dehnungsmessung ist und die Brückenschaltung mit ihrer Ausgangsdiagonale an die elektronische Auswerteeinrich­ tung angeschlossen ist. Die Brückenschaltung kann dabei vor­ teilhafterweise so ausgestaltet sein, wie es in dem Aufsatz von H.W. Keller, in "messen + prüfen/automatik" Febr. 1974, S. 89-92, insbesondere Bild 4 dargestellt ist.

Als vorteilhaft wird es ferner angesehen, wenn die Brücken­ schaltung zur Erfassung des Brückengesamtwiderstandes mit ihrer Eingangsdiagonale an die elektronische Auswerteeinrich­ tung angeschlossen ist. Durch diese Ausgestaltung des erfin­ dungsgemäßen Meßumformers läßt sich die Temperatur erfassen und durch ein der jeweiligen Umgebungstemperatur proportio­ nales weiteres elektrisches Meßsignal in der Auswerteeinrich­ tung der Einfluß der Umgebungstemperatur auf das Meßergebnis kompensieren, was im Falle einer mit einem Mikroprozessor aus­ gestatteten elektronischen Auswerteeinrichtung auf rechne­ rische Weise geschehen kann. Das Erfassen der Umgebungstempe­ ratur ist an sich nicht neu; die oben bereits erwähnte EP 01 64 413 B1 zeigt auch bereits einen Temperatursensor, der an einem die Meßmembranen bildenden gemeinsamen Wafer angebracht ist. Auch dieser Temperatursensor ist bereits mit der elektro­ nischen Auswerteeinrichtung verbunden.

Zur Erläuterung der Erfindung ist in der Figur ein Ausführungs­ beispiel eines erfindungsgemäßen Druckdifferenz-Meßumformers - hinsichtlich seines konstruktiven Aufbaus im Schnitt - darge­ stellt.

Der dargestellte Druckdifferenz-Meßumformer ist mit einer Mem­ brananordnung 1 versehen, die in einer Ebene nebeneinander­ liegend eine erste Meßmembran 2 und eine weitere Meßmembran 3 aufweist. Die Membrananordnung 1 ist durch Ätzen aus einem Halbleiter-Wafer hergestellt und ist somit nicht nur in bezug auf die beiden Meßmembranen 2 und 3, sondern auch in bezug auf ein äußeres Ringteil 4 und ein inneres Trennteil 5 einteilig ausgebildet.

Mit der Membrananordnung 1 ist auf einer Seite eine erste Deckplatte 6 aus Isoliermaterial im Bereich des äußeren Ringteils 4 fest und dicht isolierend verbunden. Die eine Deckplatte 6 weist an den Meßmembranen 2 und 3 gegenüber­ liegenden Flächenbereichen leitende Beschichtungen 7 und 8 auf, die über Leiterbahnen 9 und 10 mit äußeren Anschluß­ flächen 11 und 12 verbunden sind. Die eine Meßmembran 2 bildet demzufolge mit der einen Beschichtung 7 einen Kondensator und die weitere Meßmembran 3 mit der anderen Beschichtung 8 einen weiteren Kondensator.

In der Figur unterhalb der Membrananordnung 1 ist eine weitere Deckplatte 13 aus Isoliermaterial angeordnet und ebenfalls im Bereich des Ringteils 4 der Membrananordnung 1 fest mit die­ ser verbunden. Die weitere Deckplatte 13 weist unterhalb des Trennteils 5 der Membrananordnung 1 einen Verbindungskanal 14 auf, der Bereiche 15 und 16 unterhalb der Meßmembranen 2 und 3 miteinander verbindet. Über eine durch einen Stopfen 17 ver­ schlossene Bohrung 18 eingebrachte Druckübertragungsflüssig­ keit 19 mit geringem Volumen sorgt für eine hydraulische Kopplung der Meßmembranen 2 und 3 miteinander.

Die zu messende Druckdifferenz ergibt sich aus der Differenz von Drücken P1 und P2, die über in der Figur nur schematisch dargestellte Trennmembranen 20 und 21 sowie Öffnungen 22 und 23 in der einen Deckplatte 6 die Meßmembranen 2 und 3 beauf­ schlagen. Zu diesem Zwecke ist der Raum oberhalb der Meßmem­ branen 2 und 3 bis zu den Trennmembranen 20 und 21 hin mit einer Druckübertragungsflüssigkeit gefüllt.

Ist der Druck P1 größer als der Druck P2, dann wird die Meßmembran 2 unter Vergrößerung des Abstandes zur Beschichtung 7 nach unten bewegt, während die weitere Meßmembran 3 ihren Abstand zur Beschichtung 8 verringert. Dementsprechend ändern sich die Kapazitätswerte der mittels der beiden Meßmembranen 2 und 3 gebildeten Kondensatoren, was über äußere Verbindungs­ leitungen 24 und 25, die mit den Kontakten 11 und 12 verbunden sind, sowie über eine weitere elektrische Verbindungsleitung 26 erfaßt wird, die an eine Kontaktfläche 27 am äußeren Um­ fange der Membrananordnung 1 angeschlossen ist. Im Falle einer Membrananordnung 1 aus einem Halbleitermaterial, vorzugsweise Silizium, ist zur Kapazitätserfassung nur die Anbringung der Kontaktfläche 27 erforderlich.

Die Leitungen 24, 25 und 26 sind mit Eingängen 27, 28 und 29 einer elektronischen Auswerteeinrichtung 30 verbunden, die vorzugsweise mit einem Mikroprozessor ausgestattet ist. Um das Aufwölben der Deckplatte 13 des dargestellten Druck­ differenz-Meßumformers erfassen und in seinen Auswirkun­ gen auf die Meßgröße kompensieren zu können, ist an einer Flachseite 31 der weiteren Deckplatte 13 eine Einrichtung zur Dehnungsmessung angebracht, die aus einer Brückenschaltung von Halbleiter-Dehnungsmeßstreifen 32 und 33 sowie zwei weiteren in der Figur hinter den beiden genannten Dehnungsmeßstreifen liegenden Halbleiter-Dehnungsmeßstreifen besteht. Die Brücken­ schaltung kann so aufgebaut sein, wie es in der obenerwähnten Literaturstelle beschrieben ist, also einander diagonal gegen­ überliegend Widerstände mit positiver und negativer Änderung des Widerstandswertes bei Druckbeaufschlagung aufweisen. An die Eingangsdigonale 34-35 der Brückenschaltung ist eine Stromquelle 36 angeschlossen. Außerdem führen von der Ein­ gangsdiagonale 34-35 Leitungen 37 und 38 zu Eingängen 39 und 40 der elektronischen Auswerteeinrichtung 30.

Schaltungspunkte 41 und 42 bilden die Ausgangsdiagonale der Brückenschaltung und sind über Leitungen 43 und 44 an weitere Eingänge 45 und 46 der elektronischen Auswerteeinrichtung 30 geführt. An den Eingängen 45 und 46 ergibt sich dann ein Meßsignal M1, das der Dehnung der weiteren Deckplatte 13 und damit dem statischen Druck im Innern des Meßumformers ent­ spricht. An den Eingängen 39 und 40 entsteht ein weiteres Meßsignal M2, das der Änderung des Brückengesamtwiderstandes proportional und damit auch der Umgebungstemperatur propor­ tional ist.

Die Meßsignale M1 und M2 werden in der elektronischen Auswer­ teeinrichtung 30 bei der Ermittlung einer elektrischen Meßgrö­ ße M3 an Ausgangsklemmen 47 und 48 berücksichtigt, die aus den Kapazitätsänderungen an den Meßmembranen 2 und 3 gewonnen ist.

Claims (4)

1. Druckdifferenz-Meßumformer,
mit einer ersten elektrisch leitenden, von einem ersten Druck (P1) beaufschlagbaren Meßmembran (2) und einer in derselben Ebene daneben liegenden zweiten elektrisch leitenden, von einem zweiten Druck (P2) beaufschlagbaren Meßmembran (3),
mit einer sich über die erste Seite der beiden Meßmembranen (2, 3) erstreckenden ersten Deckplatte (6) aus Isoliermaterial mit den Meßmembranen (2, 3) gegenüberliegenden, leitenden Beschichtungen (7, 8),
mit einer der zweiten Seite beider Meßmembranen (2, 3) zuge­ wandten zweiten Deckplatte (31) aus Isoliermaterial,
mit einer die Meßmembranen (43) hydraulisch derart koppelnden Druckübertragungsflüssigkeit (19),
daß die Meßmembranen (2, 3) bei Auftreten einer Differenz zwischen den Drücken (P1, P2) ihre Stellung zueinander gegen­ sinnig ändern,
und mit einer elektronischen Auswerteeinrichtung (30), die über elektrische Verbindungen (24; 25, 26) mit den beiden Beschichtungen (7; 8) und den Meßmembranen (2, 3) verbunden ist, die Stellung der Meßmembranen (2, 3) gegenüber den Beschichtungen (7, 8) kapazitiv erfaßt und ein Meßsignal (M3) abgibt, das der durch die Drücke (P1, P2) bestimmten Druckdifferenz proportional ist, dadurch gekennzeichnet,
daß auf einer äußeren Flachseite (31) einer der Deckplatten (13) eine Einrichtung zur Dehnungsmessung (32; 33) angebracht ist,
die ebenfalls an die elektronische Auswerteeinrichtung (30) angeschlossen ist.

2. Meßumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Dehnungsmessung (32, 33) an der zweiten Deckplatte (13) angebracht ist.

3. Meßumformer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Einrichtung zur Dehnungsmessung eine Brückenschaltung mit Elementen zur Dehnungsmessung (32, 33) ist und
daß die Brückenschaltung mit ihrer Ausgangsdiagonale (41-42) an die elektronische Auswerteeinrichtung (30) angeschlossen ist.

4. Meßumformer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Brückenschaltung zur Erfassung des Brückengesamtwider­ standes mit ihrer Eingangsdiagonale (34, 35) an die elektronische Auswerteeinrichtung (30) angeschlossen ist.