DE4315962A1 - Kapsel für einen Drucksensor und Verfahren zur Einkapselung des Drucksensors - Google Patents

Kapsel für einen Drucksensor und Verfahren zur Einkapselung des Drucksensors

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kapsel (ein Schutzgehäuse) für einen Drucksensor sowie auf ein Verfahren zur Einkapselung des Drucksensors gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 3.
Solche Kapseln eignen sich vorteilhaft zur Abdeckung eines Drucksensors zu dessen Schutz vor flüssigen oder gasförmigen korrosiven Druckmedien.
Es ist eine Kapsel der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art bekannt (JP 60 129 636 A), bei der ein Drucksensor mit einer Meßmembran aus einem Halbleitermaterial in einem Druckmittlermedium zwischen zwei Schutzmembranen angeordnet ist. Die Schutzmembranen müssen dicht und derart frei von Verspannungen über dem Druckmittlermedium angebracht sein, daß auch die Meßmembran entspannt ist, wenn die Schutzmembranen von außen her symmetrisch belastet werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Mittel anzugeben, durch welche ein genauer Drucksensor kostengünstig vor einem korrosiven Druckmedium geschützt wird und durch welche er funktionsgerecht im Druckmedium einbaubar ist.
Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 3 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 einen eingekapselten Drucksensor im geschnittenen Aufriß,
Fig. 2 einen Verschlußbolzen,
Fig. 3 den eingekapselten Drucksensor im teilweise geschnittenen Grundriß und
Fig. 4 eine Situation beim Einkapseln des Druck­ sensors.
In der Fig. 1 bedeutet 1 einen mit Vorteil scheibenförmigen Träger aus einem Kunststoff mit einer Vertiefung 2 für eine erste Druckmittlerkammer 3 und mit einer weiteren Vertiefung 4 für eine zweite Druckmittlerkammer 5. Der Träger 1 weist ein Loch 6 auf, welches von der ersten Druckmittlerkammern 3 zur zweiten Druckmittlerkammer 5 führt.
Die beiden Vertiefungen 2 und 4 sind bei scheibenförmigem Träger 1 vorteilhaft koaxial zur Zentrumsachse 7 der Scheibe je von einer Scheibenseite her einander gegenüber liegend ausgebildet, wobei das Loch 6 ebenfalls koaxial zur Zentrums­ achse 7 verläuft.
Bei Bedarf ist der Träger 1 nicht scheibenförmig und/oder die beiden Vertiefungen 2 und 4 und auch das Loch 6 sind nicht koaxial angeordnet.
Nach außen, das heißt gegen ein den Druck P₁ aufweisendes Druckmedium hin, ist die erste Druckmittlerkammer 3 durch eine erste Schutzmembran 8 abgeschlossen, während eine zweite Schutz­ membran 9 die zweite Druckmittlerkammer 5 nach außen gegen das den Druck P₂ aufweisende Druckmedium begrenzt.
Die beiden Schutzmembranen 8 und 9 sind aus einem korrosions­ beständigen Material und vorteilhaft etwa 5 µm bis 10 µm dick.
Mit Vorteil sind die Schutzmembranen 8 und 9 aus Edelstahl oder aus einem Refraktärmetall, beispielsweise aus Tantal, Niob oder Titan.
Die erste Schutzmembran 8 ist mittels einer ersten Klemm­ verbindung am Träger 1 befestigt, welche mit Hilfe mindestens eines Dichtungsringes (O-Ringes) 14 durch den Träger 1 einerseits, und einen am Träger 1 befestigten ersten Klemmring 10 andererseits verursacht ist.
In gleicher Weise ist die zweite Schutzmembran 9 mittels einer zweiten Klemmverbindung am Träger 1 befestigt, welche mit Hilfe mindestens eines weiteren Dichtungsringes (O-Ringes) 15 durch den Träger 1 einerseits, und einen am Träger 1 befestigten zweiten Klemmring 11 andererseits verursacht ist.
In einer der beiden Vertiefungen 2 oder 4 über dem Loch 6 ist ein eine Meßmembran mit einem Signalwandler aufweisender Druck­ sensor 12 derart auf dem Träger 1 angeordnet und befestigt, daß die Auslenkachse der Meßmembran mit Vorteil ungefähr koaxial zur Zentrumsachse des Loches 6 liegt und der Drucksensor 12 die Verbindung zwischen den beiden Druckmittlerkammern 3 und 5 abdeckt. Der von den beiden Druckmittlerkammern 3 und 5 und dem Loch 6 umfaßte Hohlraum um den Drucksensor 12 ist mit einem inkompressiblen Druckmittlermedium gefüllt. Das Druckmittlermedium ist je nach Bedarf ein Silikonöl mit niedriger oder mit hoher Viskosität oder ein Silikongel.
Je zähflüssiger das Druckmittlermedium ist, desto geringer sind die Anforderungen an die Dichtigkeit der beiden Klemm­ verbindungen 10, 14 bzw. 11, 15, da ein zähes Gel beispielsweise praktisch unmöglich durch Mikrokanäle, welche möglicherweise in der Dichtfläche vorhandene sind, fließen kann.
Elektrische Anschlüsse 13 des Drucksensors 12 sind in bekannter Art durch den Träger 1 geführt.
Die beiden Klemmringe 10 und 11 sind vorteilhaft aus einem Kunststoff.
Vorteilhafterweise sind die beiden Klemmringe 10 und 11 am Träger 1 je durch eine mit Ultraschall-Schweißen hergestellte Schweißverbindung befestigt.
Bei Bedarf sind die beiden Klemmringe 10 und 11 am Träger 1 nicht durch Ultraschall-Schweißung, sondern in einer anderen bekannten Verbindungsart, beispielsweise durch Preß- Passungen befestigt.
Mit Vorteil ist der erste Dichtungsring 14 in einer Nut des Trägers 1 zwischen dem Träger 1 und der ersten Schutzmembran 8 angeordnet, welche somit zwischen dem ersten Klemmring 10 und dem ersten Dichtungsring 14 dicht eingeklemmt ist, während der zweite Dichtungsring 15 in einer weiteren Nut des Trägers 1 zwischen dem Träger 1 und der zweiten Schutzmembran 9 angeordnet ist, welche also zwischen dem zweiten Klemmring 11 und dem zweiten Dichtungsring 15 dicht eingeklemmt ist.
In der in der Fig. 1 und 3 dargestellten Ausführungsvariante der beiden Klemmverbindungen 10, 14 bzw. 11, 15 ist die erste Schutzmembran 8 auf dem Träger 1 angeordnet und der erste Dichtungsring 14 liegt zwischen der ersten Schutzmembran 8 und dem ersten Klemmring 10 und in gleicher Weise liegt auch die zweite Schutzmembran 9 auf dem Träger 1 und der zweite Dichtungsring 14 ist zwischen der zweiten Schutzmembran 9 und dem zweiten Klemmring 11 angeordnet.
In einer weiteren, nicht gezeichneten Ausführungsvariante der beiden Klemmverbindungen ist die Schutzmembran 8 bzw. 9 zwischen zwei Dichtungsringen plaziert, welche zwischen dem Träger 1 und dem Klemmring 10 bzw. 11 eingeklemmt sind.
Durch die zwischen dem Träger 1 und dem Klemmring 10 bzw. 11 mit Hilfe mindestens des Dichtungsringes 14 bzw. 15 eingeklemmte Schutzmembran 8 bzw. 9 ist der im korrosiven Druckmedium wirkende Druck P₁ bzw. P₂ auf die Druckmittlerkammer 3 bzw. 5 übertragbar, wobei der Innenraum der Druckmittlerkammer 3 bzw. 5 vor einer durch das Druckmedium verursachten Korrosionswirkung sicher geschützt ist.
Der Träger 1, die beiden Schutzmembranen 8 und 9 sowie die beiden Klemmringe 10 und 11 bilden eine korrosionsbeständige Kapsel, in welcher die zu messende Differenz der beiden Drücke P₁ und P₂ über die beiden Trennmembranen 8 und 9 und das Druckmittlermedium auf den durch die Kapsel geschützten Drucksensor 12 und damit auf dessen Meßmembran übertragen wird.
In vorteilhafter Weise ist die Kapsel für ein breites Einsatz­ gebiet montagegerecht ausgestaltbar, indem die Form des Trägers 1 dem Einbauort angepaßt gestaltet wird. Bei Bedarf weist der Träger nicht gezeichnete, auf den Einbauort abgestimmte Nuten, Absätze oder Flansche auf. Die Kapsel ist damit am Einbauort vorteilhaft zwischen weiteren Dichtungsringen 16 und 17 auf einfache Art befestigbar.
Sofern das bevorzugte Druckmittlermedium dünnflüssig ist, verfügt die Kapsel mit Vorteil über eine verschließbare Einrichtung zum Einfüllen des Druckmittlermediums. Die Einrichtung weist vorteilhaft einen Einfüllkanal 18 und einen mit dem Einfüllkanal 18 verbundenen Verbindungskanal 19 auf, wobei der offene Verbindungskanal 19 die beiden Druckmittlerkammern 3 und 5 vom Einfüllkanal 18 aus erschließt und zugleich die beiden Druckmittlerkammern 3 und 5 verbindet. In einer vorteilhaften Ausführung der Einrichtung bei einem scheibenförmigen Träger 1 ist der Verbindungskanal 19 eine parallel zur Zentrumsachse 7 verlaufendes Loch, welches von der ersten Druckmittlerkammer 3 in die zweite Druckmittlerkammer 5 führt, während der Einfüllkanal 18 senkrecht zum Verbindungskanal 19 verläuft und den Träger 1 vollständig durchdringt.
In der Fig. 2 ist mit 20 ein Verschlußbolzen bezeichnet, mit dem die Einrichtung zum Einfüllen des Druckmittlermediums dicht verschließbar ist, wobei mit dem einzigen Verschlußbolzen 20 in vorteilhafter Weise der Verbindungskanal 19 zwischen den beiden Druckmittlerkammern 3 und 5 und zugleich in einem Schritt verschließbar ist, ohne daß in den beiden Druckmittlerkammern 3 und 5 ein Druck aufgeprägt wird.
Gemäß der Fig. 3 ist der Einfüllkanal 18 im Bereich des Verbindungskanals 19 vorteilhafterweise so verengt, daß der Verschlußbolzen 20 derart in den Einfüllkanal 18 gepreßt werden kann, daß der Verschlußbolzen 20 den Verbindungskanal 19 unterbricht und zugleich auch den Einfüllkanal 18 abschließt und damit die Kapsel dicht verschließt.
Wenn der Drucksensor 12 zur Messung des absoluten Druckes im korrosiven Druckmedium verwendet wird, ist die beschriebene Kapsel selbstverständlich in einfacher Weise anpaßbar, indem am Träger 12 nur eine einzige Schutzmembran 8 oder 9 in der beschriebenen Art befestigt wird und die Kapsel nur eine einzige mit dem Druckmittlermedium gefüllte Druckmittlerkammer 3 oder 5 aufweist.
Sofern das einzusetzende Druckmittlermedium dünnflüssig ist, weist ein vorteilhaftes Verfahren zum Einfüllen des Druckmittlermediums in die Druckmittlerkammern 3 und 5 folgende Verfahrensschritte auf:
Einen ersten Schritt, in welchem die beiden Druckmittlerkammern 3 und 5 der Kapsel über den Einfüllkanal 18 und den Verbindungskanal 19 evakuiert werden.
Einen zweiten Schritt, in welchem durch das im ersten Schritt in den beiden Druckmittlerkammern 3 und 5 erzeugte Vakuum das Druckmittlermedium über den Einfüllkanal 18 und den Verbindungskanal 19 in die beiden Druckmittlerkammern 3 und 5 gedrückt wird.
Einen dritten Schritt, in welchem der Verbindungskanal 19 verschlossen wird, so daß die beiden Druckmittlerkammern 3 und 5 verschlossen sind.
In diesem Verfahren werden beide Druckmittlerkammern 3 und 5 wegen des Vakuum gleichzeitig mit dem Druckmittlermedium gefüllt. Zudem sind die beiden Druckmittlerkammern 3 und 5 in vorteilhafter Art über den Verbindungskanal 19 für einen allfälligen Ausgleich so lange miteinander verbunden, bis der Verschlußbolzen 20 eingepreßt ist, wodurch Asymmetrien infolge des Einfüllens verhindert werden. Durch das Einpressen des Verschlußbolzens 20 wird der Druckmittlerkammer 3 bzw. 5 beim Verschließen kein unerwünschter zusätzlicher Druck aufgeprägt.
Ein zweites vorteilhaftes Verfahren, welches insbesondere dann erfolgreich zum Einfüllen des Druckmittlermediums einsetzbar ist, wenn das Druckmittlermedium zähflüssig, also beispielsweise ein Gel ist, weist folgende Verfahrensschritte auf:
Einem ersten Schritt, in welchem in die Vertiefung 2 bzw. 4 des Trägers 1 das Druckmittlermedium in Form eines Meniskus 21 (Fig. 4) aufgetragen wird.
Einem zweiten Schritt, in welchem die Schutzmembran 8 bzw. 9 durch einen Stempel 22 auf den Meniskus 21 gedrückt wird, wobei überflüssiges Druckmittlermedium vom Zentrum der Schutzmembran 8 bzw. 9 aus radial über den Rand des Trägers 1 verdrängt wird.
Einen dritten Schritt, in welchem die Schutzmembran 8 bzw. 9 durch eine Haltevorrichtung 23 auf den Träger 1 gedrückt und im wesentlichen durch Adhäsionskräfte an das Druckmittlermedium geklebt wird, wobei bei Bedarf noch geeignete Maßnahmen zur Aushärtung des Druckmittlermediums getroffen werden.
Einen vierten Schritt, in welchem der Klemmring 10 (Fig. 1) bzw. 11 am Träger 1 mit Vorteil durch Ultraschall-Schweißen befestigt wird.
Die vier Schritte sind für beide Seiten der Kapsel beziehungsweise für beide Druckmittlerkammern 3 und 5 auszuführen, wobei die beiden Druckmittlerkammern 3 und 5 zeitlich nebeneinander oder nacheinander angelegt werden können.
Bei Bedarf wird zwischen dem ersten und dem zweiten Schritt das aufgebrachte Druckmittlermedium beispielsweise durch ein Vakuum entgast.
Das zweite Verfahren hat gegenüber dem ersten Verfahren den Vorteil, daß das Druckmittlermedium äußert zähflüssig sein kann, wodurch die Anforderungen an die Dichtigkeit der ersten und der zweiten Klemmverbindung gering werden.
Auch die Herstellung von Absolutdrucksensoren läßt sich durch die beiden Verfahren einfach bewerkstelligen, indem nur in einer der beiden Vertiefungen 2 oder 4 das Druckmittlermedium aufgebracht und auch nur eine Schutzmembran 8 oder 9 an den Träger 1 geklemmt wird.
Es versteht sich von selbst, daß der Einfüllkanal 18, der Verbindungskanal 19 und auch der Verschlußbolzen 20 entfallen, wenn bei der Herstellung der Kapsel das zweite Verfahren angewendet wird.
Die Kapsel mit den korrosionsbeständigen Schutzmembranen 8 und 9, welche mit Hilfe der durch Ultraschall angeschweißten Klemmringe 10 und 11 an den Träger 1 geklemmt sind, schützt den Drucksensor 12, der beispielsweise ein käuflicher Drucksensor mit Halbleiter-Meßmembran ist, vor korrosiven Druckmedien, beispielsweise vor Heizungswasser.
Bei der Anwendung der beiden Verfahren können äußerst dünne und weiche Schutzmembranen 8 und 9 verwendet werden, wodurch diese und/oder auch allfällige Restgase in den beiden Druckmittlerkammern 3 und 5 die Eigenschaften des Drucksensors 12 kaum verschlechtern.
Die funktionsgerecht einbaubare Kapsel kann durch Anwendung eines der beiden vorgestellten Verfahren kostengünstig in der erforderlichen Qualität hergestellt werden, da der Herstellungsprozeß technisch einfach zu beherrschen ist.

Claims (4)

1. Kapsel für einen Drucksensor (12) zum Schutz vor einem korrosiven Druckmedium, mit mindestens einer Schutzmembran (8; 9) an einem Träger (1), in dem mindestens eine mit einer Schutzmembran (8; 9) abgeschlossene und mit einem Druckmittlermedium gefüllte Druckmittlerkammer (3; 5) ausgebildet ist, wobei der Drucksensor (12) auf dem Träger (1) angeordnet und vom Druckmittlermedium mindestens teilweise umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (1) aus einem Kunststoff ist, daß die Schutzmembran (8; 9) durch eine Klemmverbindung (10, 14; 11, 15) am Träger (1) befestigt ist und daß die Klemmverbindung (10, 14; 11, 15) mit Hilfe mindestens eines Dichtungsringes (14; 15) durch den Träger (1) einerseits und einen am Träger (1) durch Ultraschall-Schweißung befestigten Klemmring (10; 11) aus Kunststoff anderseits verursacht ist.
2. Kapsel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (1) zum Einfüllen des Druckmittlermediums in die Druckmittlerkammer (3; 5) einen außerhalb des Trägers (1) zugänglichen Einfüllkanal (18) und einen mit dem Einfüllkanal (18) verbundenen Verbindungskanal (19) zur Druckmittlerkammer (3; 5) aufweist, wobei der Einfüllkanal (18) und der Verbindungskanal (19) derart ausgebildet sind, daß nach dem Einfüllen des Druckmittlermediums der Verbindungskanal (19) und zugleich auch die Druckmittlerkammer (3; 5) mit einem einzigen Verschlußbolzen (20) verschließbar ist, ohne daß beim Verschließen in der Druckmittlerkammer (3; 5) ein unerwünschter Druck aufgeprägt wird.
3. Verfahren zur Einkapselung eines eine Meßmembran aufweisenden Drucksensors (12), dadurch gekennzeichnet, daß der Drucksensor (12) auf einem Träger (1) aus Kunststoff befestigt wird, wobei der Träger (1) mindestens eine Vertiefung (2; 4) aufweist und der Drucksensor (12) in der Vertiefung (2; 4) angeordnet und befestigt wird, daß in die Vertiefung (2; 4) das Druckmittlermedium in Form eines Meniskus (21) über dem Drucksensor (12) aufgetragen wird, daß eine Schutzmembran (8; 9) auf dem Meniskus (21) gedrückt wird, wobei überflüssiges Druckmittlermedium vom Zentrum der Schutzmembran (8; 9) aus radial über den Rand des Trägers (1) verdrängt wird, daß die Schutzmembran (8; 9) auf den Träger (1) gedrückt wird und daß am Träger (1) ein Klemmring (10; 11) befestigt wird, mit dessen Hilfe die Schutzmembran (8; 9) am Träger (1) dicht festgemacht wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Klemmring (10; 11) aus Kunststoff ist durch Ultraschall- Schweißen am Träger (1) befestigt wird.
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