DE60031066T2

DE60031066T2 - Halbleiter-Druckwandler

Info

Publication number: DE60031066T2
Application number: DE60031066T
Authority: DE
Inventors: Giosuè Iseni; Giovanbattista Preve; Sergio Doneda; Ernst Obermeier
Original assignee: Gefran SpA
Current assignee: Gefran SpA
Priority date: 1999-11-03
Filing date: 2000-11-02
Publication date: 2007-05-03
Anticipated expiration: 2020-11-03
Also published as: ITMI992294A0; US6450038B1; EP1098182B1; IT1313816B1; CN1295240A; KR20010051369A; DE60031066D1; JP2001174351A; ATE341753T1; EP1098182A3; ITMI992294A1; EP1098182A2; CN1148570C

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Präzisionsdrucksensor. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen Drucksensor, der den Druck in Extrudern für Kunststoffe, Kunststofffolien, Kunstfasern und dergleichen erfassen kann.
Es ist bekannt, dass Drucksensoren, die z. B. im Fall von Extrudern für Kunststoffe, Kunststofffolien, Kunstfasern und dergleichen verendet werden, ein stabförmiges Element umfassen, wobei an einem ersten Ende des Elements eine Membran vorgesehen ist, auf deren Oberfläche ein Dehnungsmesser angebracht ist. Das stabförmige Element ist mit einem Fluid gefüllt wie etwa Quecksilber oder Öl, wobei die Kompression des Fluids durch die Masse eines Kunststoffs, dessen Druck zu messen ist, den Dehnungsmesser mit einer Wirkung beaufschlagt, der dementsprechend ein elektrisches Signal erzeugt, das daraufhin durch ein mit dem Drucksensor verbundenes elektrisches System interpretiert wird.
Der Nachteil dieses Drucksensors ist, dass er schnell verschleißt, da der geschmolzene Kunststoff die Membran wegen ihrer begrenzten Dicke leicht beschädigt. Folglich ist es notwendig, den Drucksensor zu ersetzen; wobei dies meistens die Notwendigkeit des Entsorgens des Quecksilbers oder Öls mit erheblichen Kosten zur Folge hat, da z. B. Quecksilber hochbelastend ist und genaue Richtlinien hinsichtlicht seiner Entsorgung befolgt werden müssen.
Es sind ferner Drucksensoren bekannt, die durch ein stabförmiges Element gebildet sind, wovon ein Ende mit einem Element zur mechanischen Druckübertragung versehen ist, das auf einen Chip aus Halbleitermaterial wirkt, wobei auf einer Seite des Chips der Dehnungsmesser angebracht ist. Praktisch verhält sich der Halbleiterchip wie die Membrane des oben beschriebenen Sensors.
Das Vorhandensein eines Halbleiterchips ermöglicht es, das Problem des Fluids, Quecksilber oder Öl, zu lösen, das dementsprechend nicht länger erforderlich ist.
Der Halbleiterchip ist normalerweise in einem passend vorgesehenen Hohlraum untergebracht, der in einem z. B. aus Aluminium hergestellten Block ausgebildet ist, von dem sich Metallanschlüsse erstrecken, die geeignet sind, um das Signal, das von dem Dehnungsmesser stammt, zu dem elektrischen System für die Verarbeitung des Signals zu übertragen.
Diese Sensoren weisen einen Halbleiterchip auf, der beispielsweise durch Kleben starr mit dem Aluminiumblock gekoppelt ist.
Das mechanische Übertragungselement ist normalerweise in einer Abdeckung untergebracht, die an eine äußere metallische Einfassung gekoppelt sein soll, die im Inneren den Aluminiumblock mit dem entsprechenden Halbleiterchip, der starr damit gekoppelt ist, aufnimmt.
Der Vorteil dieser Lösung besteht darin, dass die Membran, die in diesem Fall durch den Chip aus Halbleitermaterial gebildet wird, praktisch keiner Abnutzung durch Reibung mit dem Kunststoff, dessen Druck zu messen ist, unterliegt.
Allerdings bringt es die Tatsache, dass der Halbleiterchip starr an den Aluminiumblock gekoppelt ist, der ihn stützt, mit sich, dass die als Folge einer Druckmessung erzeugten Signale wegen der Verformung, die den Aluminiumblock beeinflussen kann, der den Halbleiterchip unterbringt und stützt, ungenau sein können.
Folglich ist auch die oben erwähnte Lösung nicht frei von Nachteilen, wobei insbesondere die Messgenauigkeit, die eine grundlegende Anforderung ist, nicht vollkommen sichergestellt ist.
GB-A-2 211 659 offenbart einen Drucksensor gemäß dem oben offenbarten Stand der Technik.
US-5.691.479 offenbart einen Druckwandler mit einer scheibenförmigen Drucksensorkomponente.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Drucksensor insbesondere für einen Extruder für Kunststoffe und dergleichen zu schaffen, der eine hohe Messgenauigkeit aufweist, die über die Zeit konstant ist.
Innerhalb dieses Ziels besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Schaffung eines Drucksensors, der äußerst widerstandsfähig ist.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen Drucksensor zu schaffen, insbesondere für Extruder für Kunststoffe und dergleichen, bei dem die durch Wärmeausdehnungen, Verformungen und dergleichen verursachte Änderung des Messsignals auf den niedrigsten möglichen Pegel reduziert ist.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Drucksensor zu schaffen, insbesondere für Extruder für Kunststoffe und dergleichen, der äußerst zuverlässig ist und relativ leicht und zu konkurrenzfähigen Kosten herzustellen ist.
Dieses Ziel und diese Aufgaben werden durch einen Drucksensor erreicht bzw. gelöst, wie er in Anspruch 1 definiert ist.
Weitere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser deutlich anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung einer bevorzugten jedoch nicht ausschließlichen Ausführungsform des Drucksensors gemäß der Erfindung, die lediglich durch ein nicht einschränkendes Beispiel in der beigefügten Zeichnung veranschaulicht ist, in der die einzige Figur eine Querschnittsansicht des Endabschnitts eines gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführten Drucksensors ist.
Wie in der oben erwähnten Figur gezeigt ist, umfasst der erfindungsgemäße Sensor, dessen Endabschnitt gemäß der vorliegenden Erfindung allgemein durch das Bezugszeichen 1 angegeben ist, eine äußere Einfassung 2, die geeignet ist, um ein Stützelement 3 aufzunehmen, das eine Aufnahme 4 zum Aufnehmen eines Halbleiterchips aufweist, wie im Folgenden beschrieben wird.
Das Stützelement 3 ist vorzugsweise durch einen Aluminiumblock vorgesehen, von dem Metallleiter 4 ausgehen, die das mit dem Halbleiterchip erzeugte Signal zu dem elektrischen System übertragen sollen, das mit dem Sensor gemäß der Erfindung verbunden ist.
Das Bezugszeichen 5 kennzeichnet einen Halbleiterchip, der in der Aufnahme 4 untergebracht sein soll, die in dem Unterstützungselement 3 ausgebildet ist.
Ein Abdeckelement 6 ist über der äußeren Einfassung 2 vorgesehen, um die äußere Einfassung 2 wie einen Deckel zu verschließen. Das Abdeckelement 6 ist mit einem Sattel 7 versehen, der ein mechanisches Übertragungselement 8 aufnimmt, das dazu bestimmt ist, Druck auf den Halbleiterchip 5 aufzubringen, wenn ein Fluss aus Kunststoff die obere Oberfläche des Abdeckelements 6 trifft. Ein Dehnungsmesser 9 ist auf der Seite des Halbleiterchips aufgebracht, die der Seite gegenüberliegt, auf der das mechanische Übertragungselement wirkt.
Die Besonderheit der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass der Halbleiterchip 5 so untergebracht ist, dass er in der Aufnahme 4 des Stützelements 3 flottiert, d. h., er ist nicht starr an das Stützelement 3 gekoppelt, wie es in herkömmlichen Drucksensoren geschieht.
Dies macht den Halbleiterchip 5 von irgendwelchen Ausdehnungen und Verformungen unabhängig, denen das Stützelement 3 unterliegen kann, um dadurch ein Druckmesssignal zu erhalten, das absolut genau und vor allem über die Zeit konstant ist. Günstigerweise weist das Abdeckelement 6 eine Dicke auf, die eine Beschädigung daran vermeidet.
Zudem ist in dem Drucksensor gemäß der Erfindung der Halbleiterchip vorzugsweise aus Siliciumkarbid oder aus so genanntem SOI (Silicium auf Isolator) oder z. B. SOS (Silicium auf Saphir) hergestellt.
Zweckmäßigerweise kann das mechanische Übertragungselement 8 auch so untergebracht sein, dass es in dem Abdeckelement 6 flottiert, um ferner die Änderungen weiter zu minimieren, denen das durch den Drucksensor erfasste Drucksignal unterliegen kann.
Das mechanische Übertragungselement 8 ist ferner in dem Sattel 7 des Abdeckelements 6 untergebracht, um es vorzuspannen und dadurch immer einen Kontakt mit dem Halbleiterchip 5 herzustellen, so dass es immer mit dem Halbleiterchip 5 in Kontakt steht.
In der Praxis ist beobachtet worden, dass der Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung das vorgesehene Ziel vollständig erreicht, da er ermöglicht, eine sehr viel genauere Druckmessung zu erzielen, als sie mit herkömmlichen Vorrichtungen erhaltbar ist. Zudem macht die große Dicke des Abdeckelements den Drucksensor im Wesentlichen unempfindlich gegen eine Beschädigung durch die Wirkung des Kunststoffs darauf, die, wenn eine herkömmliche dünne Membran verwendet wird, eine Beschädigung der Membran durch Reibung verursacht. Die Vorrichtung kann außerdem bei chemischen Prozessen und dergleichen verwendet werden.

Claims

Ein Drucksensor (1), insbesondere zur Verwendung in Extrudern für Plastikmaterialien, chemischen Verfahren und dergleichen, umfassend eine äussere Einfassung (2), ein Abdeckelement (6), das die äussere Einfassung abdeckt, einen Halbleiterchip (5), der auf einer seiner Seiten mit einem Dehnungsmesser (9) ausgestattet ist, ein Stützelement (3) zur Aufnahme des Halbleiterchips (5), ein mechanisches Übertragungselement (8), das in dem Abdeckelement (6) untergebracht ist, wobei das mechanische Übertragungselement (8) in Richtung zum Halbleiterchip (5) weist und mit dem Chip in Kontakt steht, worin der Halbleiterchip (5) so untergebracht ist, um in dem Stützelement (3) zu flotieren.
Der Drucksensor gemäss Anspruch 1, worin das mechanische Übertragungselement (8), das in dem Abdeckelement (6) untergebracht ist, derart untergebracht ist, um in einem Sattel (7) zu flotieren, der in dem Abdeckelement (6) gebildet ist.
Der Drucksensor gemäss Anspruch 1, worin das Stützelement (3) aus Aluminium hergestellt ist und die Leiter (4) aus dem Stützelement (3) hinausragen und geeignet sind, um ein vom Dehnungsmesser (9) erkanntes Drucksignal zu übertragen, der auf einer Seite des Halbleiterchips (5) angebracht ist, die auf einer entgegengesetzten Seite liegt, auf der das mechanische Übertragungselement (8) wirkt.
Der Drucksensor gemäss Anspruch 3, worin das mechanische Übertragungselement (8) in dem Abdeckelement (6) untergebracht ist, um es gegen die Fläche des Halbleiterchips vorzuspannen, auf welcher das mechanische Übertragungselement (8) wirkt.
Die Vorrichtung gemäss Anspruch 1, worin der Halbleiterchip aus Siliciumcarbid hergestellt ist.
Die Vorrichtung gemäss Anspruch 1, worin der Halbleiterchip aus SOI hergestellt ist.
Die Vorrichtung gemäss Anspruch 1, worin der Halbleiterchip aus SOS hergestellt ist.