DE68925425T2

DE68925425T2 - Differenzdrucksensor mit membran mit freier randkonstruktion

Info

Publication number: DE68925425T2
Application number: DE68925425T
Authority: DE
Inventors: Thomas Knecht; Ahmed Naumaan; Stanley Rud
Original assignee: Rosemount Inc
Current assignee: Rosemount Inc
Priority date: 1988-10-20
Filing date: 1989-10-17
Publication date: 1996-05-15
Anticipated expiration: 2009-10-18
Also published as: WO1990004701A1; EP0439494A1; JP2743104B2; EP0439494B1; CA2001047A1; EP0439494A4; US4905575A; ATE132968T1; DE68925425D1; BR8907728A; JPH04502203A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Membrananordnung mit den Auswirkungen eines "freien Randes".
Die US-A-3,793,885 (Frick) offenbart eine Membrananordnung für einen Differenzdrucksensor, bei der die Membran unter Druck ausgelenkt wird. Die Mernbrananordnung weist eine Metallmembran mit einem äußeren Lagerungsring auf, der durch einen dünnen Steg mit einem mittleren Erfassungsabschnitt verbunden ist. Der mittlere Abschnitt funktioniert deshalb in seinen Druckauslenkungseigenschaften fast genauso wie eine echte "Freirand"-Membran. Die Randoberfläche des mittleren Abschnitts ist zylindrisch und bildet mit der Erfassungsoberfläche des mittleren Abschnitts einen rechten Winkel. Der Steg ist nur durch eine sehr kleine Leiste mit der Randoberfläche verbunden.
Die US-A-4,612,812 (Broden) offenbart eine Sensoranordnung, die eine Entwicklung der in der US-A-3,793,885 gezeigten Anordnung ist. Zwischen einer auslenkenden randgestützten Membran und einer angrenzenden Oberfläche eines Lagerungsgehäuses ist eine Anschlagabstützung vorgesehen. Der Anschlag befindet sich etwas einwärts vom abgestützten Rand der Membran. Der Anschlag wirkt, bevor der mittlere Erfassungsabschnitt der Membran unter Überdruck abgestützt wird, um maximale Beanspruchungen am äußeren Rand der Membran zu verringern, während unter Überdrücken eine zusätzliche Auslenkung des mittleren Abschnitts ermöglicht wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Differenzdruck-Sensorzelle vorgesehen, die ein Membranelement aus sprödem Material mit einer gewünschten Dicke und folgendes aufweist:
erste und zweite Trägerplatten, die zur Ausbildung umschlossener Kammern relativ zum Membranelement auf gegenüberliegenden Seiten des Membranelements gelagert sind, wobei die Trägerplatten um den Umfang des Membranelements geklebt sind, urn die Kammern auf gegenüberliegenden Seiten des Membranelements zu umschließen; und
wobei das Membranlement ein sprödes Material und einen mittleren Abschnitt und einen Rand aufweist, wobei der mittlere Abschnitt durch eine sich von einer Oberfläche des Membranelements einwärts erstreckende Nutenvorrichtung festgelegt ist, um eine Stegvorrichtung zwischen dem Rand und dem mittleren Abschnitt festzulegen, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Nutenvorrichtungen einen im allgemeinen sanft profilierten Querschnitt ohne scharfe Ecken aufweist.
Die vorliegende Erfindung weist eine Membrananordnung auf, die durch Ausbildung von Nuten in gegenüberliegenden Oberflächen der Membran geschaffene Auswirkungen eines "freien Randes" aufweist, um einen mittleren Auslenkabschnitt festzulegen und um den mittleren Auslenkabschnitt von einem Rand mit einem dünnwandigen Abschnitt oder Steg abzugrenzen. Der Rand ist auf einer Trägerplatte abgestützt und der mittlere Auslenkabschnitt wird relativ zur Trägerplatte ausgelenkt. Der mittlere Auslenkabschnitt weist vorzugsweise eine konkave Oberfläche auf, die flach wird, wenn der mittlere Abschnitt ausgelenkt wird, und die als eine mechanisch auf der Trägerplatte abgestützte Anschlagoberfläche verwendet wird, wenn der Differenzdruck eine ausgewählte Grenze erreicht.
Wie es gezeigt ist, sind die die Stege ausbildenden Nuten peripherisch, d.h., sie verlaufen ungeachtet der äußeren Umfangsanordnung, die quadratisch, rechtwinklig oder kreisförmig sein kann, vollständig um den mittleren Abschnitt der Membran herum. Der Membranrand wird relativ zu den Schichten der Träger-Abstützplatte abgestützt, die vorzugsweise aus Glas hergestellt sind.
Wenn auf die Membran Druckdifferenzen aufgebracht werden, wird die Membran ausgelenkt und mit der freien Randkonstruktion ermöglicht der Steg, der den mittleren Membranabschnitt mit dem Rand verbindet, eine Bewegung oder Auslenkung des mittleren Membranabschnitts. Die Oberfläche oder der Oberflächenabschnitt des mittleren Membranabschnitts bewegen sich, um eine Ausrichtoberfläche oder einen Oberflächenabschnitt der Träger- Abstützplatte oder -schicht aus Glas mit etwa dem doppelten Nenn-Druck zu berühren. Ein zusätzlicher Überdruck bewirkt eine geringe zusätzliche Beanspruchung in der Membran. Vorzugsweise weisen die Membran und der Steg auch solche Abmessungen auf, daß, wenn auf eine Seite der Membran ein hoher Druck aufgebracht wird, um eine Auslenkung des mittleren Abschnitts zu bewirken, die Beanspruchungsstärken in der Trägerplatte, auf der die Membran aufgestützt ist, und im Steg der Membran im wesentlichen gleichzeitig ihre jeweilige Betriebs-Beanspruchungsstärke erreichen.
Für gleiche Auslenkungen unter denselben Druckdifferenzen können die mit der freien Randkonstruktion hergestellten Membranen aus dickeren Waf ern aus sprödem Material hergestellt werden als festgeklemmte Randmembranen mit gleichem Durchmesser. Die erhöhte Dicke macht ein Brechen der Wafer durch zufällige Stoßbelastungen (beim Gebrauch) während der Verarbeitung unwahrscheinlicher.
Bei Siliziumwafern können die Nuten, die zum Abtrennen des mittleren Abschnitts ausgebildet sind und die Eigenschaften der Freirandauslenkung schaffen, unter Verwendung von bekannten Ätzverfahren von beiden Seiten des Wafers gleichzeitig geätzt werden, und der Wafer kann auch vor dem Aufkleben auf den Träger-Abstützplatten oder -schichten auf beiden Seiten poliert werden, da er zur Handhabung robust genug ist.
Eine Dreischicht-"Sandwich"-Druckzelle wird ausgebildet, indem Trägerplatten oder Wafer (vorzugsweise aus Glas) auf gegenüberliegenden Seiten des Wafers, auf dem die Membranen ausgebildet werden (vorzugsweise aus Silizium oder einem anderen spröden Material) angeordnet und dann die Trägerplatten auf die gegenüberliegenden Seiten des Membran-Wafers geklebt werden. Einzelne Druck-Erfassungszellen werden dann aus der ausgebildeten Menge von Zellen herausgetrennt.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine Schnittansicht einer Erfassungszelle mit einer erfindungsgemäß hergestellten Membran;
Fig. 2 eine Draufsicht auf eine in der Erfassungszelle aus Fig. 1 verwendeten Membran;
Fig. 3 eine Schnittansicht einer abgeänderten Sensorzellenanordnung;
Fig. 4 und 4A schematische Darstellungen, die typische Abmessungen für eine Membran eines erfindungsgemäß hergestellten Drucksensors zeigen; und
Fig. 5 eine Querschnittsansicht einer Membran, die in einer abgeänderten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hergestellt ist.
Drucksensoren werden mit konkaven oder vertieften Oberflächenmembranen gebaut, die durch Druckbeaufschlagung einer Seite der Membran, um eine Auswölbung dieser zu bewirken, und dann Entfernung der Auswölbung durch Schleifen oder Läppen ausgebildet werden, wie es durch die Darstellung in der internationalen Patentveröffentlichung Nr. WO 88/00335 von Rosemount Inc. beispielhaft veranschaulicht ist. Wenn der Druck weggenommen wird, weist die Membran eine konkave Oberfläche auf, die als eine mechanisch auf einer Trägerplatte abgestützte Anschlagfläche verwendet werden kann, wenn die Membran einen gewünschten Betriebsdruck überschreitet. Vorzugsweise geraten die Anschlagflächen bei dem doppelten Nenn-Betriebsdruck in Anlage. Die Membranen der vorliegenden Beschreibung können mit konkaven oder vertieften Oberflächen hergestellt werden, die auf eine ähnliche Weise ausgebildet werden, aber eine Anordnung mit einem "freien Rand" aufweisen.
In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäß ausgebildete Druck-Erfassungszelle gezeigt, die im allgemeinen bei 35 angedeutet ist. Die Zelle 35 kann auch auf eine bekannte Weise in einem geeigneten äußeren Gehäuse oder einer Abstützung angeordnet sein. Die Zelle 35 kann auch unter Verwendung von Glaswafern und einem Wafer aus sprödem Material (vorzugsweise Silizium), der eine Größe für die Ausbildung mehrerer der einzelnen Zellen aufweist, in Serienfertigung hergestellt sein. Die Membranen für die einzelnen Zellen werden vor Ort auf dem Wafer ausgebildet. Die Membranen können zur Ausbildung von Ausnehmungen profiliert sein, wie es in der internationalen Patentveröffentlichung Nr. WO 88/00335 beschrieben ist. Die Siliziumwafer werden dann mit den Glaswafern verklebt und um den Rand jeder Membran abgedichtet oder verklebt. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung ist die Membran so hergestellt, daß sie ähnlich wie eine Membran mit freiem Rand wirkt. Die freie Randanordnung verringert Biegebeanspruchungen am Membranrand und ermöglicht höhere Überdrücke ohne ein Brechen der Membran.
Die Druck-Erfassungszelle 35 weist eine Membran 36 auf, die zwischen den Glas-Trägerplatten oder -schichten 37 bzw. 38 angeordnet ist. Die Trägerplatten werden (vorzugsweise durch eine anodische Verbindung) mit gegenüberliegenden Seiten eines Randabschnitts 40 der Membran 36 verklebt, wenn sie sich in einer Waferform befindet. Die Membran 36 weist einen mittleren aktiven oder auslenkenden Abschnitt 41 auf, der durch einen relativ dünnen Steg 42, der durch Umfangsnuten 43 und 44 ausgebildet ist, die sich von den gegenüberliegenden Seiten der Membran auf die mittlere Ebene der Membran einwärts erstrecken und den mittleren Abschnitt 41 umgeben, mit dem Randabschnitt verbunden ist.
Der mittlere Abschnitt 41 der Membran weist konkave vertiefte Oberflächen auf, die bei 45 bzw. 46 angedeutet sind und den Trägerplatten 37 und 38 gegenüberliegen. Diese vertieften Oberflächen 45 und 46 sind vorzugsweise so geformt, daß, wenn der mittlere Abschnitt 41 mit dem doppelten maximalen Nenn-Betriebsdifferenzdruck zwischen den gegenüberliegenden Einlaßöffnungen 47 bzw. 48 ausgelenkt wird, die Membranoberfläche die jeweiligen Glas-Trägerplatten im wesentlichen über die gesamte Oberfläche des mittleren Abschnitts der Membran gleichzeitig berührt. Die Öffnungen 47 und 48 leiten mit P1 und P2 bezeichnete Fluiddrücke. Die vertieften Oberflächen 45 und 46 können so ausgebildet sein, wie es in der internationalen Veröffentlichung Nr. WO 88/00335 mit Fig. 2 offenbart ist oder können zur Ausbildung des gewünschten Profils ortsfest geätzt sein. Wie es gezeigt ist, sind die Membranabstützung oder Anschlagoberflächen 37A und 37B auf den Trägerplatten durch sehr flache Ausnehmungen ausgebildet, die in die mittleren Abschnitte der Trägerplatten 37 und 38 geätzt sind. Die Ausnehmungen können eine Tiefe im Bereich von 10 % des mittleren Abschnitts der Membran aufweisen.
Wenn die Membran 36 Differenzdruck ausgesetzt wird, gibt es eine Kombination von Bewegungen, die während der Auslenkung auftreten. Der Steg 42 ist vorzugsweise so dick und so schmal wie möglich hergestellt, um hohen Überdrücken standzuhalten, aber dünn genug, um Beanspruchungen zu verringern, die bei Membranen mit festgeklemmtem Rand ein Versagen durch Überdruck verursachen. Der mittlere Abschnitt 41 der Membran neigt dazu, ausgelenkt oder gebogen zu werden, um abhängig von der Richtung, in der die Membran ausgelenkt wird, ein Abflachen der jeweiligen vertieften Oberfläche zu verursachen. Es gibt gleichzeitig, wenn die Oberfläche 45 oder 46 des jeweiligen mittleren Abschnitts beginnt flach zu werden, auch eine kolbenähnliche Bewegung des mittleren Abschnitts auf die jeweilige Oberfläche 37A oder 38A. Wenn der mittlere Abschnitt 41 der Membran weniger als dem doppelten des maximalen Nenn-Differenzdrucks ausgesetzt ist, berührt, je nach der Auslenkrichtung, die Oberfläche 45 oder 46 die jeweilige Oberfläche der angrenzenden Trägerplatte und setzt sich auf dieser als einem positiven Anschlag, während sie einem Überdruck ausgesetzt ist.
Wie es gezeigt ist, weisen die Nuten 43 und 44 im allgemeinen flache oder sehr sanft profilierte Grundoberflächen 43A und 44A mit gerundeten Ecken auf, die eine Belastung ohne unzulässige Konzentration verteilen. Die Nuten 43A und 44A können in beide Seiten des Wafers, der zur Serienfertigung der Membranen verwendet wird, vor dem Heraustrennen der einzelnen Erfassungszellen, gleichzeitig auf gewünschte Tiefen eingeätzt werden. Die anderen Bereiche der Membran können während dieses Ätzverfahrens natürlich auf bekannte Weise abgedeckt werden. Die mittleren Membranabschnitte sind im allgemeinen kreisförmig, wie es in Fig. 2 gezeigt ist.
In Fig. 3 ist eine Membran 53 vorzugsweise aus Silizium oder einem ähnlich hervorragend federnden Material, wie z.B. einem einzelnen Germanium-, Saphir- oder Quarzkristall. Die Membran 53 ist mit einem mittleren aktiven Abschnitt 53A versehen, der durch Nuten 53C und 53D ausgebildet ist, um einen Steg 53E zu schaffen, der relativ zu einem Rand 53B eine freie Randkonstruktion ergibt. Der mittlere Abschnitt 53A weist Erfassungsoberflächen auf, die mit den Abstützoberflächen des Rands 53B im wesentlichen koplanar sind. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung sind die Trägerplatten 54 mit dem Rand 53B der Membran 53 verklebt. Die Trägerplatten weisen gestufte Ausnehmungen 54A auf, um für die ausgelenkte Membran Überdruck-Anschlagflächen zu schaffen. Wie es gezeigt ist, sind die Ausnehmungen gestuft und weisen eine Vielzahl von Schulteroberflächen 54B auf, die so aufgebaut sind, daß sie Ecken aufweisen, die mit dem ausgelenkten mittleren Abschnitt der Membran auf mehreren Berührungslinien in Anlage geraten, wenn die Membran ihre maximale gewünschte Auslenkung erreicht, wie es mit gestrichelten Linien dargestellt ist. Die Ecken der Schultern stoppen den mittleren Abschnitt 53A der Membran mechanisch von einer weiteren Auslenkung, um zusätzliche Belastungen unter hohen Überdrücken zu minimieren. Die gestufte Anordnung ist so gebaut, daß sie eine Membranbelastung vermindert, wenn diese einem Überdruck ausgesetzt ist. Wie es ersichtlich ist, sind die seitlichen Breiten der Schultern unterschiedlich, so daß die Ecken entlang der ausgelenkten Form oder Linie der Membran liegen. Für den Betrieb wird eine sanft profilierte Ausnehmung in den Trägerplatten zum Abstützen der gesamten gegenüberliegenden Oberfläche des ausgelenkten mittleren Abschnitts unter Überdruck bevorzugt. Die Anschlagoberflächen 54B vermindern den Belastungsgrad der Stege, wenn der mittlere Abschnitt 53A solche Oberflächen berührt, und vermindern auch den Grad der weiteren Belastung des mittleren Membranabschnitts. Eine sanft profilierte vertiefte Anschlagoberfläche in der Trägerplatte schafft selbst unter hohen Überdrücken mit geringer zusätzlicher Membranbelastung eine Abstützung.
Die Ausbildung der Ausnehmungen in den Trägerplatten oder in der Membran, einschließlich einer sanft profilierten Ausnehmung oder der gestuften Ausnehmung, kann durch Ultraschallschleifen, Formpressen, Funkenerosion (EDM) oder Formen mittels Belichtungsverfahren und Ätzen (in einem Schritt oder in einer Reihe von Schritten) ausgeführt werden. Formen mittels Belichtungsverfahren und Ätzen können nach dem Schleifen oder nach der Ausbildung der allgemeinen gewünschten Form durch andere Schritte als ein Fertigbearbeitungsschritt eingesetzt werden. Zur Herstellung der Profile können gewünschtenfalls andere akzeptable Arten der Mikro-Materialbearbeitung, je nach der für den Sensor verwendeten Materialart, verwendet werden. Ein Querschnitt der Membran 36 ist in Fig. 4 und 4A gezeigt. Die dort dargestellte Membran weist Abmessungen auf, die mit Buchstaben wiedergegeben und bezeichnet sind. Zu den Abmessungen gehören die Außenabmessung (G); die Dicke des Umfangsrands (A); die Außenabmessung der Nuten (B); die Nutenbreite (W); die Breite des relativ flachen Grundoberflächenabschnitts (C); der Radius der Ecke der Nutenbasis (R); die Dicke des Stegs 42 (D); sowie die Tiefe (F) der Ausnehmung in den Oberflächen des mittleren Auslenkungsabschnitts, gemessen von der angrenzenden Ebene einer Oberfläche des Rands der Membran; und die Entfernung von der Ebene des Membranrands zu den Kanten 51 oder 52 (E). Die Entfernung (E) ist um den Umfang des mittleren Abschnitts dieselbe, da die Membran symmetrisch ist. Ebenso ist die gesamte Nutenbreite (W) die Summe der Grundoberflächenbreite (C) plus zwei der Radien (R). Unter Bezugnahme auf diese Bezeichnungen der Abmessungen betragen bevorzugte Abmessungen für einen Differenzdruck-Sensor, bei dem eine Siliziummembran verwendet wird, die für 41 x 10³ Pa (6 psi) Differenz ausgelegt ist, das folgende:
A = 0,19 mm (0,0074 Zoll)
B = 6,60 mm (0,260 Zoll)
W = 0,348 mm (0,0137 Zoll)
C = 0,23 mm (0,009 Zoll)
R = 0,058 mm (0,0023 Zoll)
D = 0,071 mm (0,0028 Zoll)
E = 0,0013 mm (0,00005 Zoll)
F = 0,013 mm (0,0005 Zoll)
G = 11,43 mm (0,450 Zoll)
Die Stegdicke (D) wird im Verhältnis zur Breite (W) ausgewählt, so daß unter einem ausgewählten Überdruckwert die Beanspruchungstärke im Steg eine gewünschte Stärke nicht übersteigt.
Die Abmessung (C) wird wunschgemäß minimiert, aber sie weist aufgrund der Notwendigkeit, zum Ätzen der Nut in der Maske eine Öffnung haben zu müssen, einen begrenzten Wert auf.
Für unterschiedliche Druckbereiche werden signifikant unterschiedliche Abmessungen verwendet, und für Membranen mit unterschiedlichen Durchmessern ändern sich die Abmessungen. Die obigen Abmessungen sind lediglich zur Darstellung gedacht.
Fig. 5 zeigt eine andere Anordnung für eine Membran, die die Eigenschaften eines freien Randes aufweist, und diese kann auf ihren mittleren Abschnitten gekrümmte, vertiefte Oberflächen aufweisen oder mit Trägerplatten, die Ausnehmungen aufweisen, zusammenpassen, um einen Oberflächen-Oberflächen-Kontakt zum Schutz vor Überdruck zu schaffen.
In Fig. 5 ist eine weitere abgeänderte Ausführungsform der Anordnung mit der Siliziummembran 90 mit freiem Rand dargestellt. Die Membran 90 weist einen mittleren Auslenkabschnitt 91 und einen Rand 92 zur Abstützung des mittleren Abschnitts auf. Der Rand 92 ist, wie es gewünscht ist, an einem oder mehreren Trägerplatten angebracht. Eine erste Nut 93 ist in einer ersten Oberfläche 94 der Membran und eine Nut 95 ist in einer zweiten Oberfläche 96 der Membran ausgebildet. Die Nuten 93 und 95 sind seitlich versetzt und im allgemeinen elliptisch geformt. Die Grundoberflächen der Nuten überlappen sich in Richtung der Dicke der Membran, um einen Umfangssteg oder -wandabschnitt 97 zu bilden, der den mittleren Abschnitt 91 mit dem Rand 92 verbindet und den mittleren Abschnitt teilweise wie eine Membran mit freiem Rand auslenkt.
Durch die durch die Nuten 93 und 95 ausgebildete freie Randkonstruktion kann für die Serienfertigung ein dickerer Membranwafer verwendet werden, und eine einheitliche Überdruckabstützung ist nicht so kritisch. Die Oberflächen auf gegenüberliegenden Seiten des mittleren Abschnitts der Membran sind zur Anlage gegen flache Oberflächen von Glas-Trägerplatten, die die Membran zwischen sich anordnen, wenn die Membran in eine Erfassungszelle eingebaut ist, wie es gezeigt ist, leicht vertieft (konkav).
Jede der Ausführungsformen der Erfindung hat den Vorteil, daß sie eine Membran aus steifem spröden Material und einen guten Überdruckschutz aufweist, insbesondere, wenn sie in Verbindung mit einer Ausführungsform mit freiem Rand verwendet wird.
Es ist festzustellen, daß, wenn eine Ausführungsform mit flacher Memran und freiem Rand verwendet wird, wie sie zum Beispiel in Fig. 5 gezeigt ist, eine konkave Ausnehmung in der Glas-Trägerplatte zur Schaffung eines Überdruckanschlags verwendet werden könnte, und diese könnte sanft profiliert oder gestuft (oder aufeinandergeschichtet wie eine flache Hochzeitstorte) sein, so daß der mittlere Abschnitt der Membran nur an gewünschten Stellen anstatt über seine gesamte Oberfläche abgestützt wird.
Bei Verwendung der in der vorliegenden Erfindung gezeigten freien Randkonstruktion für die Membranen wird die Beanspruchungstärke in den Stegen oder dünnen Wänden der Membran mit freiem Rand niedrig gehalten, und bei einem Nenn-Differenzdruck von 41 x 10³ Pa (6 psi) kann die Stegbeanspruchung im Bereich von 31 x 10&sup6; Pa (4.600 psi) gehalten werden. Bei einem Differenzdruck von 28 x 10&sup6; Pa (4.000 psi), was 666 mal der Skalenendwert-Nenndruck ist, betragen die Stegbeanspruchungen für das Beispiel aus Fig. 4 31 x 10&sup7; Pa (46.000 psi), nur 75 % der Bruchbeanspruchung von Silizium, die etwa 41 x 10&sup7; Pa (60.000 psi) beträgt. Die gezeigte Anordnung schafft über einen angemessenen Bereich von Überdrücken einen Überdruckschutz.
Wie geschildert wurde, kommt bei einem auf einer Seite der Membran aufgebrachten Druck (einem Differenzdruck) ein Teil der Auslenkung der hier gezeigten abgeänderten Ausführungsform der Membran mit freiem Rand vom mittleren Abschnitt und ein Teil kommt von der Kolbenwirkung, die auftritt, wenn im Stegoder dünnwandigen Abschnitt eine Biegung auftritt. Diese Anordnung weist somit bei der Verarbeitungsfolge einer dreischichtigen Zelle, wie sie z.B. in Fig. 1 und 3 gezeigt ist, mehrere Vorteile auf, nämlich, daß die Nuten unter Einsatz von isotropischem Ätzen oder anisotropischem Ätzen oder einer Kombination der beiden Ätzarten in beide Seiten zugleich geätzt werden können. Ein Siliziumwafer, aus dem die Membranen ausgebildet werden, kann vor dem Kleben auf beiden Seiten druckpoliert werden, da er zur Handhabung robust genug ist. Die in Fig. 5 offenbarte Membran mit einem dicken mittleren Abschnitt könnte auch durch Verminderung von Fehlern in der Meßbereichs- Druckleitung eine Verbesserung bieten.
Die hier offenbarten Stege vermindern den Anteil der Biegebeanspruchung der Membran, der in die Glas-Trägerplatte übertragen wird, wenn sich die Membran bewegt. Wenn die Stege zu dick sind, versagt das Glas durch die Biegebeanspruchung der Membran, bevor der Steg-Beanspruchungswert nahe der Bruchbeanspruchung für das Membranmaterial ist, und, wenn die Stege zu dünn sind, werden die Stege überbeansprucht und versagen, lange bevor das Glas seinen Bruchbeanspruchungswert erreicht. Die Konstruktion wird so optimiert, daß bei maximalem Nenn-Überdruck die Stegabmessungen so ausgewählt werden, daß die maximale Betriebs-Beanspruchungsstärke in den Stegen erreicht wird, kurz bevor die Beanspruchung in der Glas-Trägerplatte, die den Membranrand abstützt, der maximale Betriebs-Beanspruchungswert für das Glas erreicht.
Die Stege sind durch Ätzen der Nuten ausgebildet, um glatte und saubere Oberflächen auf diesen zu schaffen, so daß die Stege relativ hoch beansprucht werden können, ohne Risse zu bilden. Die Stege sind nicht geläppt. Läppen kann leichte Kratzer verursachen, die die Membran schwächen können. Da die Membranen aus spröden Materialien, wie z.B. Halbleitern oder Glas (wenn eine geeignete Erfassung verwendet wird), hergestellt sind, ist die Ausschaltung von Kratzern in hoch beanspruchten Oberflächen sehr wünschenswert. Im Zustand des Überdrucks sind die Stege nicht abgestützt und sie sind der am höchsten beanspruchte Bereich der Membran.
Die Membranen in Fig. 2 und 5 können jede Umfangsform aufweisen. Der Querschnitt der Nuten kann gesteuert werden. Zum Beispiel ist in Fig. 5 die Öffnung in der Maske, die zum Ätzen der Nuten verwendet wird, klein gehalten, und das Ätzen wird hinsichtlich der Zeit gesteuert, um dem Teil kreisförmige oder elliptische Nuten zu ermöglichen.
Die Erfassung der Auslenkung der Membranen kann auf eine herkömmliche Weise erfolgen, aber eine Metallisierung der Glasschichten zur Ausbildung von Kapazitätsplatten und die Verwendung einer Halbleitermembran, wie z.B. Silizium als eine aktive Platte, ermöglicht eine Kapazitätserfassung der Auslenkung. Auch Dehnungsmesser können leicht verwendet werden.
Die Zeichnungen sind zu Darstellungszwecken verzerrt dargestellt. Die Ausnehmungen sind im Verhältnis zur Breite der Membran sehr flach.

Claims

1. Differenzdruck-Sensorzelle, die ein Membranelement (36) aus sprödem Material mit einer gewünschten Dicke aufweist:

erste (37) und zweite (38) Trägerplatten, die zur Ausbildung umschlossener Kammern relativ zum Membranelement (36) auf gegenüberliegenden Seiten des Membranelements (36) gelagert sind, wobei die Trägerplatten (37, 38) um den Umfang des Membranelements (36) geklebt sind, um die Kammern auf gegenüberliegenden Seiten des Membranelements zu umschließen; und

wobei das Membranlement ein sprödes Material und einen mittleren Abschnitt (41) und einen Rand (40) aufweist, wobei der mittlere Abschnitt durch eine sich von einer Oberfläche des Membranelements einwärts erstreckende Nutenvorrichtung (43, 44) festgelegt ist, um eine Stegvorrichtung (42) zwischen dem Rand und dem mittleren Abschnitt festzulegen, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Nutenvorrichtungen (43, 44) einen im allgemeinen sanft profilierten Querschnitt ohne scharfe Ecken aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Abschnitt eine an einer Ruheposition des Membranelements konkave Oberfläche aufweist, wobei die konkave Oberfläche im wesentlichen flach wird, wenn die Membran unter einem überdruck ausgelenkt wird, und die mit einer im wesentlichen flachen Ausrichtoberfläche der zugeordneten Trägerplatte in Anlage gerät und von dieser gestoppt wird, wenn die Membran einem derartigen Überdruck ausgesetzt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Trägerplatten eine der Membran gegenüberliegende im wesentlichen flache Oberfläche aufweist, und daß die der flachen Oberfläche gegenüberliegende Oberfläche des mittleren Membranabschnitts eine im allgemeinen konkave Form aufweist, wodurch sich die Membran, wenn auf eine gegenüberliegende Seite der Membran zur Auslenkung des mittleren Abschnitts gegen die flache Oberfläche größerer Druck aufgebracht wird, in der Stegvorrichtung biegt, um primär die Membran auszulenken, die so aufgebaut ist, daß bei einem Nenn- Differenzdruck die konkav geformte Oberfläche des mittleren Abschnitts der Membran flach wird und in im wesentlichen über den mittleren Membranabschnitt vollständiger Überdruckabstützung mit der flachen Oberfläche der Trägerplatte in Anlage gerät.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Nutenvorrichtung von gegenüberliegenden Seiten der Membran einwärts erstreckt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Nutenvorrichtung eine Stegvorrichtung freiläßt, die in Richtung der Membranauslenkung eine einer Abmessung D entsprechende Dicke aufweist, die relativ zu einer Breite (W) zwischen dem Rand und dem mittleren Abschnitt ausgewählt ist, so daß der Überdruck, bei dem der Steg bricht, maximiert wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Trägerplatten, das Membranelement und die Stegvorrichtung Abmessungen aufweisen, die so ausgewählt sind- daß die Bruchbeanspruchungsstärke des Membranelements bei maximalem Nenn-Überdruck im selben Bereich liegt wie die Bruchbeanspruchungsstärke der Trägerplatte bei derartigem Überdruck.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stegvorrichtung so gebaut ist, daß sie nachgiebig ist, wenn sie Kräften ausgesetzt wird, die zur Ebene des Randes im allgemeinen parallel sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Nutenvorrichtung eine erste Nut, die sich von einer ersten Seite des Membranelements einwärts erstreckt und relativ zu einer Mittelachse des Membranelements an einer ersten seitlichen Stelle angeordnet ist, und eine zweite Nut, die die sich von einer gegenüberliegenden Seite des Membranelements einwärts erstreckt, aufweist, wobei die zweite Nut an einer zweiten von der ersten seitlichen Stelle verschiedenen seitlichen Stelle auf dem Membranelement angeordnet ist, um sich voneinander unterscheidende Umfangsabmessungen festzulegen, wobei die erste und die zweite Nut innere Enden aufweisen, die sich in Richtung der Dicke des Membranelements überlappen, und die sich überlappenden Abschnitte der Nuten die Stegvorrichtung festlegen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Nut im Querschnitt im allgemeinen elliptisch sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Trägerplatten einen dem mittleren Abschnitt der Membran gegenüberliegenden mittleren Abschnitt aufweist, wobei einer der mittleren Abschnitte eine dem anderen mittleren Abschnitt gegenüberliegende gestufte Oberfläche aufweist, um an voneinander beabstandeten Abschnitten auf dem mittleren Abschnitt der Membran Überdruckanschläge zu schaffen, wenn übermäßiger Druck auf die Membran wirkt.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Nutenvorrichtung durch isotropisches Ätzen ausgebildet ist.