DE4219177C2 - Gehäuseeinspannung für einen Sensor - Google Patents
Gehäuseeinspannung für einen SensorInfo
- Publication number
- DE4219177C2 DE4219177C2 DE19924219177 DE4219177A DE4219177C2 DE 4219177 C2 DE4219177 C2 DE 4219177C2 DE 19924219177 DE19924219177 DE 19924219177 DE 4219177 A DE4219177 A DE 4219177A DE 4219177 C2 DE4219177 C2 DE 4219177C2
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- elements
- clamping
- sensor
- glass
- capacitive pressure
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D3/00—Indicating or recording apparatus with provision for the special purposes referred to in the subgroups
- G01D3/028—Indicating or recording apparatus with provision for the special purposes referred to in the subgroups mitigating undesired influences, e.g. temperature, pressure
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
- G01L19/04—Means for compensating for effects of changes of temperature, i.e. other than electric compensation
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
Description
Die Erfindung betrifft eine Gehäuseeinspannung für einen Sensor,
insbesondere für einen kapazitiven 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.
Die Erfindung geht aus von der DE 28 25 489 A1. Hieraus ist
eine Gehäuseeinspannung für einen Sensor, insbesondere für
einen kapazitiven Drucksensor bekannt, bei der das Sensorelement
unter Aufbringung einer konstanten Vorspannung zwischen zwei
Spannelementen eingespannt ist und die Spannelemente im montierten
Zustand über unter Zugspannung stehende Verbindungselemente
miteinander verbunden sind.
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 weitgehend temperaturunabhängig
ist.
Die gestellte Aufgabe wird bei einer Gehäuseeinspannung der
gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale
des Patentanspruchs 1 gelöst. 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 Ausdehnungskoeffizient 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
wird angestrebt, 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:
Dabei sind:
Li = wirksame axiale Erstreckung der einzelnen Elemente,
Ci = thermischer Ausdehnungskoeffizient der einzelnen Elemente.
Li = wirksame axiale Erstreckung der einzelnen Elemente,
Ci = 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 Glas-Silizium-Technik.
Das Sensorelement 3 besteht dabei aus einer Schichtfolge von zwei Außenplatten
aus Glas und einer Membranplatte aus Silizium. Auf den weiteren Aufbau
des Sensorelementes 3 soll hier nicht näher eingegangen werden. Das Sensorelement 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. Den
Abstütz- bzw. Dichtringen 4 kommt bei der bevorzugten Ausführungsform ebenfalls
nur eine untergeordnete Rolle zu; dabei ist lediglich zu beachten, daß die
Dimensionierung sowie die Materialwahl der Abstütz- bzw. Dichtringe 4 so
gewählt ist, daß unter der Einwirkung der Vorspannung keine abträgliche
Deformation der Abstütz- bzw. Dichtringe 4 erfolgt. Die Spannelemente 1, 2 sind
dabei mit Bohrungen 5 versehen, durch die das zu messende Druckmedium
an die eigentliche Meßzelle, nämlich das Sensorelement 3 herangeführt
wird, wobei innerhalb des Sensorelementes 3 wiederum Druckkanäle
existieren, die den Druck an die Membran heranführen. Somit haben
die Abstützringe 4 ebenfalls auch Dichtfunktion, so daß die gewählte
Vorspannung auch die Dichtwirkung zwischen den Spannelementen 1, 2 und dem
Sensorelement 3 erhalten muß. Die Spannelemente 1, 2 sind dabei in diesem
Beispiel zur leichten Anbringung von Federelementen 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 1, 2 sind in einer ihrer axialen Erstreckungen dann auch so
gewählt, daß nach Verschweißung die gewünschte Vorspannung auftritt.
Ebenso ist es möglich, vorgespannte Federelemente 6, 7 bei weitgehend
erhaltenbleibender Spannung durch z. B. Impulsschweißung mit den
Spannelementen 1, 2, zu verbinden. Dabei steht das jeweilige Federelement 6, 7selbst unter
Zugspannung, wobei an den Verbindungspunkten zu den Spannelementen 1, 2
dieselbe in den Spannelementen 1, 2 in Druckspannung umgelenkt wird, die
ihrerseits dann auch als Druckspannung auf das Sensorelement 3 gegeben
wird. Neben der Möglichkeit der Verschweißung der Federelemente 6, 7 mit den
Spannelementen 1, 2 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 3 jeweils mit a bezeichnet. Die Dicke der Abstütz- bzw.
Dichtringe 4 ist so klein, daß sie vernachlässigt werden kann. Hinzu
kommt die Dicke des eigentlichen Sensorelementes 3, welche mit b
bezeichnet ist. Es soll nun gelten:
C1 = thermischer Ausdehnungskoeffizient der Federelemente 6, 7,
C2 = thermischer Ausdehnungskoeffizient der Spannelemente 1, 2,
Csi = thermischer Ausdehnungskoeffizient von Silizium,
Cp = thermischer Ausdehnungskoeffizient von Glas,
Lp = axiale Gesamterstreckung des Glasmaterials,
Lsi = axiale Gesamterstreckung des Siliziummaterials,
a = wirksame axiale Erstreckung (Kompensationsmaß) der Spannelemente 1, 2,
b = axiale Gesamterstreckung des Sensorelementes 3.
C2 = thermischer Ausdehnungskoeffizient der Spannelemente 1, 2,
Csi = thermischer Ausdehnungskoeffizient von Silizium,
Cp = thermischer Ausdehnungskoeffizient von Glas,
Lp = axiale Gesamterstreckung des Glasmaterials,
Lsi = axiale Gesamterstreckung des Siliziummaterials,
a = wirksame axiale Erstreckung (Kompensationsmaß) der Spannelemente 1, 2,
b = axiale Gesamterstreckung des Sensorelementes 3.
Für die axiale Erstreckung des Federelementes 6 bzw. 7 ergibt sich
2a + b.
Somit ergibt sich aus der Summe der Produkte aus Länge und
Ausdehnungskoeffizient folgende Beziehung:
Lp × Cp + Lsi × Csi + 2a × C2 - (b + 2a) × C1 = Null.
Da innerhalb des Federelementes 6 bzw. 7 Zugspannung und innerhalb der
Spannelemente 1, 2 und des Sensorelementes 3 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. Für ein konkretes Ausführungsbeispiel
gilt:
Lp = 2 × 2 mm
Lsi = 0,5 mm
b = 4,5 mm
Lsi = 0,5 mm
b = 4,5 mm
Mit typischen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
von:
Cp (20-130°C) = 3,26 × 10-6 K-1
Csi (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
Csi (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 Ausdehnungskoeffizienten sind 1/k.)
Und der aus vorgenannter Gleichung hervorgehenden Beziehung für die
Größe a:
ergibt sich für das Maß a der Wert:
a = 3,94 mm.
Bei Kenntnis der einzelnen
Schichtdicken der Schichten des Sensorelementes 3 und somit der
Gesamtdicke b sowie der für die
Federelemente 6, 7 und Spannelemente 1, 2 verwendeten Materialien und damit
der entsprechenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten ergibt sich das
konkrete konstruktive Maß für a aus der vorstehenden Beziehung.
Da alle übrigen Größen bekannt sind, ergibt sich somit aus 2a + b dann
einerseits die Gesamtlänge der Federelemente 6, 7 , und allein aus dem Maß a
der Abstand des Abstützpunktes des jeweiligen Spannelementes 1, 2 mitsamt des
Dichtringes 4 auf dem Sensorelement 3 vom Eingreifpunkt des
Federelementes 6, 7 an der Stufe 8 des Spannelementes 1, 2. Der Eingreifpunkt ist
hierbei der Punkt, der die Kraftumlenkung zwischen Zugspannung des jeweiligen
Federelementes 6, 7 und Druckspannung des jeweiligen Spannelementes 1, 2 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 Celsius bleibt. Das heißt
bei einer Temperaturerhöhung in diesem genannten Bereich wird jede Art von
thermischer Verspannung verhindert und die Zerstörung des kapazitiven Drucksensors in Glas-Silizium-Technik
sowie thermisch beeinflußte Fehlmessungen des Druckes ausgeschlossen.
Claims (4)
1. Gehäuseeinspannung für einen Sensor, insbesondere für einen kapazitiven
Drucksensor, wobei das Sensorelement (3) unter Aufbringung einer konstanten
Vorspannung zwischen zwei Spannelementen (1, 2) eingespannt ist und die mit Stufen (8)
versehenen Spannelemente (1, 2) im montierten Zustand über unter Zugspannung
stehende, in die Stufen (8) der Spannelemente (1, 2) eingreifende Elemente (6, 7)
miteinander kraftschlüssig, insbesondere durch Verschweißung, verbunden sind, dadurch
gekennzeichnet, daß die Elemente (6, 7) Federelemente sind, daß die Vorspannung
weitgehend temperaturabhängig ist, derart, daß das Produkt aus Länge und
Ausdehnungskoeffizient jedes Federelementes (6, 7) sich der Summe der Produkte
aus Länge und Ausdehnungskoeffizient von Spannelementen (1, 2) und Sensorelement
(3) zu Null kompensiert und von den Stufen (8) der Spannelemente (1, 2) aus die
bezüglich der thermischen Ausdehnung zu berücksichtigende Länge (a) der
Spannelemente (1, 2) zu definieren ist.
2. Gehäuseeinspannung für einen Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß als Sensorelement (3) ein kapazitiver Drucksensor in Glas-Silizium-Technik
vorgesehen ist.
3. Gehäuseeinspannung für einen Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Spannelemente (1, 2) zum kapazitiven Drucksensor (3) in Glas-Silizium-Technik
führende Druckzuleitungskanäle (5) enthalten.
4. Gehäuseeinspannung für einen Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen Spannelementen (1, 2) und dem kapazitiven Drucksensor (3) in Glas-
Silizium-Technik jeweils ein abstützender Dichtring (4) angeordnet ist, der unter
Einwirkung der vorgesehenen Vorspannung nahezu unverformt bleibt und in seiner Dicke
sehr viel kleiner als die axiale Gesamterstreckung (b) des kapazitiven Drucksensors (3) in
Glas-Silizium-Technik ausgelegt sind.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19924219177 DE4219177C2 (de) | 1992-06-09 | 1992-06-09 | Gehäuseeinspannung für einen Sensor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19924219177 DE4219177C2 (de) | 1992-06-09 | 1992-06-09 | Gehäuseeinspannung für einen Sensor |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4219177A1 DE4219177A1 (de) | 1993-12-16 |
DE4219177C2 true DE4219177C2 (de) | 1996-07-18 |
Family
ID=6460820
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19924219177 Expired - Fee Related DE4219177C2 (de) | 1992-06-09 | 1992-06-09 | Gehäuseeinspannung für einen Sensor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4219177C2 (de) |
Families Citing this family (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE10229703A1 (de) * | 2002-07-02 | 2004-01-15 | Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg | Kapazitiver Drucksensor |
CN100372642C (zh) * | 2004-10-20 | 2008-03-05 | 桂迪 | 微带电容的实用焊接工艺 |
DE102007039297B3 (de) * | 2007-08-20 | 2009-02-05 | Vega Grieshaber Kg | Druckmesseinrichtung |
CN103148817A (zh) * | 2013-02-26 | 2013-06-12 | 哈尔滨汽轮机厂有限责任公司 | 一种精密测量中的温度补偿方法 |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE2358649A1 (de) * | 1972-12-06 | 1974-06-12 | Haenni & Cie Ag | Durch stoerende umgebungstemperaturaenderungen beeinflusste messeinrichtung |
JPS542784A (en) * | 1977-06-09 | 1979-01-10 | Fuji Electric Co Ltd | Production of flexible disk supporting device for measurement |
US4466290A (en) * | 1981-11-27 | 1984-08-21 | Rosemount Inc. | Apparatus for conveying fluid pressures to a differential pressure transducer |
DD261018A1 (de) * | 1987-06-29 | 1988-10-12 | Akad Wissenschaften Ddr | Vorrichtung zum druck- und volumenausgleich |
-
1992
- 1992-06-09 DE DE19924219177 patent/DE4219177C2/de not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE4219177A1 (de) | 1993-12-16 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE4118824C2 (de) | Drucksensor | |
EP0806643B1 (de) | Kraft- und/oder Momentmessanordnung | |
DE2900609A1 (de) | Piezoelektrisches stellglied | |
EP3276313A1 (de) | Wim sensor mit sensorpaket | |
WO2013056381A1 (de) | Hohlprofil-aufnehmer | |
DE2855746A1 (de) | Piezoelektrischer dehnungsaufnehmer | |
DE2544505C3 (de) | Druckaufnehmer | |
EP1307750B1 (de) | Mikromechanisches bauelement | |
DE4219177C2 (de) | Gehäuseeinspannung für einen Sensor | |
CH670310A5 (de) | ||
EP1899699A1 (de) | Drucksensor | |
DE19520071A1 (de) | Vorrichtung zur einachsigen Untersuchung von Mikrozugproben | |
DE102006023724B4 (de) | Messzellenanordnung für einen Drucksensor mit Kraftmesselement aus Glas | |
DE3220815C2 (de) | Druckregelvorrichtung für gasförmige und flüssige Strömungsmittel | |
DE60309681T2 (de) | Ausdehnungsmesssonde | |
EP0942300B1 (de) | Doppelbrechende Plattenanordnung mit Spannungsdoppelbrechung | |
DE3020785A1 (de) | Messwandler | |
DE3109232C2 (de) | Druckgeber | |
EP0302385B1 (de) | Kalibrierverfahren für eine Messaufnehmeranordnung zur flächigen Druckmessung und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens | |
EP0179278A2 (de) | Drucksensor | |
DE3711466A1 (de) | Vorrichtung zur verbindung von koerpern | |
DE1950836A1 (de) | Dehnungsmessgeber | |
EP1263060A2 (de) | Verfahren zur Herstellung eines flachen mehrschichtigen Bauelementes sowie entsprechendes Bauelement | |
DE4424649C2 (de) | Positionsmeßeinrichtung | |
AT521524B1 (de) | Gasmischvorrichtung zur Kalibrierung von Gasanalysatoren |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
D2 | Grant after examination | ||
8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: HARTMANN & BRAUN AG, 60487 FRANKFURT, DE |
|
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8320 | Willingness to grant licenses declared (paragraph 23) | ||
8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: ABB PATENT GMBH, 68526 LADENBURG, DE |
|
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |