DE4219177A1

DE4219177A1 - Gehäuseeinspannung für einen Sensor

Info

Publication number: DE4219177A1
Application number: DE19924219177
Authority: DE
Inventors: Klaus-Dieter Dipl Ing Barton; Juergen Dipl Ing Biskup; Edmund Dipl Ing Freitag
Original assignee: Mannesmann AG
Current assignee: ABB Patent GmbH
Priority date: 1992-06-09
Filing date: 1992-06-09
Publication date: 1993-12-16
Anticipated expiration: 2012-06-10
Also published as: DE4219177C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Gehäuseeinspannung für einen Sensor, insbesondere für einen Drucksensor.

Ein Beispiel für eine Gehäuseeinbindung bzw. -einspannung im Spezialfall eines Drucksensors ist aus der EP-PS 00 94 429 entnehmbar. Das Problem bei solchen bekannten Gehäuseeinspannungen ist stets, daß dieselben starr sind und somit dazu führen, daß bei Temperaturänderungen oder -schwankungen durch unterschiedliche Ausdehnungen oder Schrumpfungen des Materials temperaturabhängige Spannungen auf den Sensor übertragen werden. Handelt es sich bei dem Sensor allgemein um einen Drucksensor, so kann eine solche thermische Verspannung je nach Bauart Fehlmessungen bewirken. Bei der Verwendung von kapazitiven Drucksensoren beispielsweise in Glas-Silizium-Technik führen thermische Fehlverspannungen letztendlich bei großen Temperaturänderungsamplituden zur Zerstörung des Sensorelementes selbst. Da bei den meisten Glas-Silizium-Drucksensoren Druckleitungen von außen angeführt werden, die dann an der Übergangsstelle entsprechend abgedichtet werden müssen, entsteht hier die Notwendigkeit einer zumindest hinreichenden Vorspannung, um die Dichtwirkung in geeigneter Weise zu erzielen, weil eine starre großflächige Lötverbindung sich aus den genannten Gründen ausschließt. Bei einer starren Gehäuseeinbindung eines solchen Sensors, wie sie derzeit dem Stand der Technik entnehmbar sind, gilt diese Vorspannung nur bei einer entsprechenden Temperatur bzw. in einem engen Temperaturbereich.

Ausgehend von dieser Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, konstruktiv eine Gehäuseeinspannung für einen Sensor, insbesondere für einen Drucksensor zu liefern, bei der die auf das Sensorelement gebrachte Vorspannung für einen großen Temperaturvarianzbereich eingefroren, d. h. konstant bleibt.

Die gestellte Aufgabe wird bei einer Gehäuseeinspannung der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gegeben. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Federelemente, die außen auf die Spannelemente gebracht bzw. an denselben angebracht werden, zwischen denen das Sensorelement eingespannt ist, bewerkstelligen eine kraftschlüssige Verbindung beider Spannelemente. Die konstruktive Dimensionierung, insbesondere die axiale Erstreckung dieser Federelemente, d. h. die wirksame Länge zwischen dem Eingreifpunkt an dem einen Spannelement und dem Eingreifpunkt am anderen Spannelement definiert die aktive axiale Erstreckung, über die entsprechend dem thermischen Ausdehnungskoeffizient des Federelementes die lineare Längenänderung bei Temperaturänderung wirksam wird. Das Wesen der Erfindung liegt also darin begründet, eine solche geeignete axiale Länge der Federelemente zu definieren, wobei das Produkt aus aktiver Länge und Ausdehnungskoeffizient des Federelementes ein Gleichgewicht zwischen der Summe der Produkte aus axialer Länge und Ausdehnungskoeffizienten der Spannelemente sowie des Sensorelementes ergibt. Legt man an einem Beispiel zugrunde, daß die Federelemente und die Anschlußelemente im Wesentlichen aus Materialien mit positiven Ausdehnungskoeffizienten bestehen, so ergibt sich der weiter unten dargestellte funktionale Zusammenhang aus folgender Betrachtungsweise:

Die äußeren Spannelemente, die nun das Sensorelement einspannen, werden von außen mit den Federelementen verbunden, beispielsweise durch Laserschweißung. Bei der Verbindung der Federelemente an die Spannelemente wird nun eine gewisse Spannung eingestellt. In diesem Fall strebt man an, daß nach der Verschweißung die Federelemente Zugspannung tragen. An den Punkten, an denen nun die Federelemente mit den Spannelementen verschweißt sind, bewirkt die Zugspannung der Federelemente eine Umlenkung in Druckspannung auf die Spannelemente, so daß die Spannelemente sowie das Sensorelement dann die gewünschte Druckspannung nach Maßgabe der gewünschten Vorspannung aufweisen. Dabei sind, wie bereits erwähnt, die axialen Längen von Federelementen sowie die axialen Erstreckungen der Spannelemente zwischen Angreifpunkt der Federelemente und Abstützpunkt zum Federelement derart aufeinander abgestimmt, daß die folgende Bedingung erfüllt ist:

Σ_i L_i × C_i = 0

Dabei sind:
L_i = wirksame axiale Erstreckung der einzelnen Elemente,
C_i = thermischer Ausdehnungskoeffizient der einzelnen Elemente.

Ein Beispiel für den Aufbau einer Gehäuseeinspannung ist in der Zeichnung dargestellt. Des weiteren ist ein Rechenbeispiel zur Dimensionierung der einzelnen Elemente bezüglich einer erfindungsgemäßen Konstruktion reproduzierbar vorgegeben:

Die Zeichnung zeigt im Querschnitt die wichtigsten Elemente für eine Gehäuseeinspannung eines Sensors. Hierbei handelt es sich im Spezialfall um einen kapazitiven Drucksensor in Silizium-Glas-Technik. Der Drucksensor 3 besteht dabei aus einer Schichtfolge von zwei Außenplatten aus Glas und einer Membranplatte aus Silizium. Das Innenleben des Drucksensorelementes 3 spielt für die Gehäuseeinspannung zunächst nur eine untergeordnete Rolle und soll hierbei nicht näher betrachtet werden. Das Drucksensorelement 3 ist dabei zwischen zwei Spannelementen 1 und 2 im montierten Zustand unter Aufbringung und Konservierung einer entsprechenden Vorspannung eingespannt. Dabei liegen die Spannelemente 1, 2 über Abstütz- bzw. Dichtringe 4 auf dem Sensorelement 3 auf. Die Abstütz- und Dichtringe spielen bei der vorliegenden Erfindung ebenfalls nur eine untergeordnete Rolle; dabei ist lediglich zu beachten, daß die Dimensionierung sowie die Materialwahl der Abstütz- und Dichtelemente so gewählt ist, daß unter der Einwirkung der Vorspannung keine abträgliche Deformation der Abstütz- bzw. Dichtringe erfolgt. Die Spannelemente sind dabei mit Bohrungen 5 versehen, durch die das zu messende Druckmedium an die eigentliche Meßzelle, nämlich das Sensorelement herangeführt wird, wobei innerhalb des Sensorelementes wiederum Druckkanäle existieren, die den Druck an die Membran heranführen. Somit haben die Abstützringe ebenfalls auch Dichtfunktion, so daß die gewählte Vorspannung auch die Dichtwirkung zwischen den Spannelementen und dem Sensorelement erhalten muß. Die Spannelemente 1, 2 sind dabei in diesem Beispiel zur leichten Anbringung der Federelemente 6, 7 mit entsprechend eingebrachten Stufen 8 versehen, in die die Federelemente 6, 7 eingebracht und mit den Spannelementen 1, 2 verschweißt werden. Die Spannelemente sind in einer ihrer axialen Erstreckungen dann auch so gewählt, daß nach Verschweißung die gewünschte Vorspannung auftritt.

Ebenso ist es möglich, vorgespannte Federelemente bei weitgehend erhaltenbleibender Spannung durch z. B. Impulsschweißung mit den Spannelementen zu verbinden. Dabei steht das Federelement selbst unter Zugspannung, wobei an den Verbindungspunkten zu den Spannelementen dieselbe in den Spannelementen in Druckspannung umgelenkt wird, die ihrerseits dann auch als Druckspannung auf das Sensorelement gegeben wird. Neben der Möglichkeit der Verschweißung der Federelemente mit den Spannelementen wäre es natürlich auch möglich, an dieser Stelle beispielsweise klammernde Verbindungen einzusetzen.

Für dieses konstruktive Beispiel ergibt sich nun die Ermittlung von Material und axialen Abmessungen aus dem bereits oben beschriebenen Zusammenhang, nämlich, daß die Summe aus dem Produkt von Länge und thermischem Ausdehnungskoeffizient in Summe aller mechanische Spannung tragenden Elemente gleich Null sein soll. Dies bewirkt, daß bei Temperaturänderung sich die verschiedenen Längenänderungen der einzelnen, miteinander kraftschlüssig verbundenen Elemente in Summe zu Null aufheben und so die Vorspannung auch bei Temperaturänderung konstant, d. h. eingefroren bzw. konserviert bleibt. Hierbei ist der Abstand zwischen Eingreifpunkt der Federelemente und Abstützpunkt am Sensorelement jeweils mit a bezeichnet. Die Dicke der Abstütz- bzw. Dichtringe ist so klein, daß sie vernachlässigt werden kann. Hinzu kommt die Dicke des eigentlichen Sensorelementes, welche mit b bezeichnet ist. Es soll nun gelten:

C₁ = thermischer Ausdehnungskoeffizient der Federelemente,
C₂ = thermischer Ausdehnungskoeffizient der Spannelemente,
C_si = thermischer Ausdehnungskoeffizient von Silizium,
C_p = thermischer Ausdehnungskoeffizient von Glas,
L_p = axiale Gesamterstreckung des Glasmaterials,
L_si = axiale Gesamterstreckung des Siliziummaterials,
a = wirksame axiale Erstreckung (Kompensationsmaß) der Spannelemente,
b = axiale Gesamterstreckung des Sensorelementes.

Für die axiale Erstreckung des Federelementes ergibt sich

2a + b.

Somit ergibt sich aus der Summe der Produkte aus Länge und Ausdehnungskoeffizient folgende Beziehung:

L_p × C_p + L_si × C_si + 2a × C₂ - (b + 2a) × C₁ = Null.

Da innerhalb des Federelementes Zugspannung und innerhalb der Spannelemente und des Sensorelementes Druckspannung herrscht, wirkt sich das auch in der obigen Gleichung im Vorzeichen der einzelnen Produkte aus. Aus diesem Grund wirkt sich dies im negativen Vorzeichen vor der Klammer aus. Gibt man nun vor, daß:

L_p = 2 × 2 mm
L_si = 0,5 mm
b = 4,5 mm

und berücksichtigt man typische thermische Ausdehnungskoeffizienten von:

C_p (20-130°C) = 3,26 × 10^-6 K^-1
C_si (20-130°C) = 2,95 × 10^-6 K^-1
C₁ (20-200°C) = 5,5 × 10^-6 K^-1
C₂ (20-200°C) = 6,8 × 10^-6 K^-1.

(Die Einheiten der thermischen Ausdehnungskoeffizenten sind 1/k.)

Und stellt man die obige Gleichung nach der Größe a um so erhält man:

So erhält man nach Einsetzen der o. g. Größen für das Maß a den Wert:

a = 3,94 mm.

Mit anderen Worten heißt das im Ergebnis: Wenn man die einzelnen Schichtdicken der Schichten des Sensorelementes kennt und somit die Gesamtdicke b ermittelt hat, und wenn fernerhin bekannt ist, aus welchem Material Federelemente und Spannelemente bestehen, sprich, wenn man deren Ausdehnungskoeffizienten kennt, erhält man im Ergebnis das konkrete konstruktive Maß a.

Da alle übrigen Größen bekannt sind, ergibt sich somit aus 2a + b dann einerseits die Gesamtlänge der Federelemente, und allein aus dem Maß a der Abstand des Abstützpunktes des Spannelementes mitsamt des Dichtringes auf dem Sensorelement 3 und dem Eingreifpunkt 8 des Federelementes 6, 7 am Spannelement 1, 2. Der Eingreifpunkt 8 ist hierbei der Punkt, der die Kraftumlenkung zwischen Zugspannung des Federelementes und Druckspannung des Spannelementes herstellt.

Hieraus geht nun hervor, daß eine geeignete Gehäuseabstimmung in konstruktiver Art sowie eine darauf abgestimmte Materialwahl zu einem Einfrieren der bei Herstellung eingebrachten gewollten Vorspannung führt, die dann weitgehendst temperaturunabhängig im o. g. Temperaturbereich von beispielsweise 20 bis 200 Grad bleibt. Das heißt bei Temperaturerhöhung in diesem genannten Bereich wird jede Art von thermischer Verspannung verhindert und die Zerstörung des Drucksensors sowie thermisch beeinflußte Fehlmessungen des Druckes ausgeschlossen.

Die dargestellte Erfindung ist für jedwede Art von Sensoren einsetzbar und die Verwendung bei einer Anordnung mit Drucksensoren der genannten Art nur ein Beispiel aus der Vielfalt der Anwendungsmöglichkeiten.

Claims

1. Gehäuseeinspannung für einen Sensor, insbesondere für einen kapazitiven Drucksensor, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement (3) unter Aufbringung einer konstanten und weitgehend temperaturunabhängigen Vorspannung zwischen zwei Spannelementen (1, 2) eingespannt ist und die Spannelemente (1, 2) im montierten Zustand über unter Zugspannung stehende Federelemente (6, 7) miteinander verbunden sind, derart, daß das Produkt aus Länge und Ausdehnungskoeffizient des Federelementes sich mit der Summe der Produkte aus Länge und Ausdehnungskoeffizient von Spannelementen und Sensorelement zu Null kompensiert.

2. Gehäuseeinspannung für einen Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kraftschlüssige Verbindung zwischen Spannelementen (1, 2) und Federelementen (6, 7) durch Verschweißung erfolgt.

3. Gehäuseeinspannung für einen Sensor nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensorelement (3) ein kapazitiver Drucksensor in Glas-Silizium-Technik vorgesehen ist.

4. Gehäuseeinspannung für einen Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannelemente (1, 2) Druckzuleitungskanäle (5) enthalten, die zum Sensorelement (3) geführt sind.

5. Gehäuseeinspannung für einen Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Spannelementen (1, 2) und Sensorelement (3) jeweils ein Abstütz- bzw. Dichtring (4) angeordnet ist, der unter Einwirkung der vorgesehenen Vorspannung im wesentlichen unverformt bleibt und in seiner Dicke sehr viel kleiner als die Dicke des Sensorelementes (3) ausgelegt ist.

6. Gehäuseeinspannung für einen Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannelemente (1, 2) mit Stufen (8) versehen sind, an denen die Federelemente (6, 7) anbringbar sind und von da aus die bezüglich der thermischen Ausdehnung zu berücksichtigende Länge der Spannelemente zu definieren ist.