DE9209083U1

DE9209083U1 - Temperaturmeßgerät

Info

Publication number: DE9209083U1
Application number: DE9209083U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-07-20
Filing date: 1992-07-07
Publication date: 1992-09-24
Anticipated expiration: 2002-07-08

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Temperaturme3gerät, bei dem ein mit einem Gas unter hohem Druck gefülltes Kapillarrohr verwendet wird und die lineare Zunahme des Gasdrucks im Kapillarrohr mit der Temperatur als Druckänderung gemessen wird. Da ein verhältnismäßig kleines Gasvolumen verwendet wird, ergibt sich eine recht hohe Meßgenauigkeit über einen vergleichsweise großen Temperaturbereich. Bei einem aus "Chemische Rundschau", Nr. 44/1983, Seiten 2 bis 8 bekannten Temperaturmeßgerät dieser Art wird das eine Ende des Kapillarrohres mit einer manometrischen Meßfeder verbunden, die wiederum Änderungen des Drucks im Kapillarrohr in eine entsprechende Drehbewegung eines Zeigers umwandelt, der dann auf einer kreisrunden Skala die gemessene Temperatur anzeigt. Die Temperaturanzeige erfolgt also analog. Druckveränderungen werden mechanisch in eine Zeigerbewegung umgewandelt. Diese bekannte Temperatur- Meßvorrichtung hat zum einen den Nachteil, daß die gemessene Temperatur zwar angezeigt wird, jedoch kein Signal erhalten wird, das, wie es häufig erwünscht ist, direkt als Meßwert, zum Beispiel in einem Regelsystem, verwendbar ist. Außerdem weist die mechanische Anzeige nicht die für manche Messungen erforderliche Genauigkeit auf. Die mechanischen Übertragungselemente haben bei großen Temperatursprüngen eine gewisse Totzeit und unterliegen einem gewissen Verschleiß.

Neben dem Gasvolumen innerhalb des Meßfühlers stellt das Gasvolumen innerhalb des Kapillarrohres ein Totvolumen dar.

Dadurch ergibt sich, auch wenn dieses Totvolumen nur einen Bruchteil am Gesamtvolumen ausmacht, ein Meßfehler. Erfolgt die Druckmessung über die Auslenkung einer Membran, ändert sich dadurch außerdem das Gesamtvolumen und es entsteht ein Linearitätsfehler bei der Messung. In dem Gebrauchsmuster G 90 11 257.1 wird zur Überwindung der vorgenannten Nachteile vorgeschlagen, bei einem Temperaturmeßgerät der genannten Art, die Membran mit ihrem Membranträger zu einem einstückigen topfförmigen Meßelement zu vereinigen, auf

dessen Unterseite, die durch die Rückseite der Membran gebildet ist, eine Dehnungsmeßstreifen-Meßbrücke in Dünnfilmtechnik angeordnet ist. Bei diesem bekannten Temperaturmeßgerät ist jedoch ein konstruktiver Nachteil darin zu sehen, daß Gaskammer, metallischer Membranträger und topfförmiges Meßelement miteinander verschweißt werden müssen. Die Herstellung ist deshalb sehr aufwendig, da Verspannungen im Material, die durch den Schweißvorgang entstehen können, zu einer Verfälschung der Meßwerte führen. Außerdem ist auch bei diesem Temperaturmeßgerät noch eine relativ große Membran vorgesehen, deren Auslenkung wiederum einen Linearitätsfehler hervorruft. Schließlich wurde das Totvolumen zwar reduziert, jedoch ist durch die vorhandene Gaskammer im Bereich des Membranträgers immer noch ein Totvolumen vorhanden, daß die Meßgenauigkeit reduziert.

Da keine Kompensationselemente vorhanden sind, ist außerdem bei höheren Meßtemperaturen (z.B. oberhalb von 400⁰C.) mit einem Meßfehler pro Grad Umgebungstemperaturveränderung zu rechnen, der mehrfach so groß ist wie bei 0⁰C.-Meßtemperatür.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht folglich darin, ein Temperaturmeßgerät der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, das eine noch höhere Meßgenauigkeit aufweist und bei dem kein Linearitätsfehler auftritt.

Die Lösung dieser Aufgabe liefert ein Temperaturmeßgerät der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs. Erfindungsgemäß wird das Anzeigeende des mit dem Meßgas unter Hochdruck gefüllten Kapillarrohrs mit einem piezo-resistiven Drucksensor als Anzeigeelement verbunden, der ein dem in der Kapillare herrschenden Gasdruck und somit der gemessenen Temperatur proportionales elektrisches Signal erzeugt. Das elektrische Ausgangssignal ist dabei etwa 50 bis 100 mal größer als bei einer
Dehnungsmeßstreifen-Meßbrücke der obengenannten Art. Als

piezo-resistiver Drucksensor dient vorzugsweise ein Silizium-Drucksensor-Chip oder ein keramischer Drucksensor-Chip. Ein solcher Drucksensor-Chip weist zwar eine Art Membran auf, deren Durchbiegung zu Widerstandsänderungen nach dein piezo-resistiven Effekt führt. Die Durchbiegung dieser Membran ist jedoch sehr klein. Das mit dem Meßgas gefüllte Kapillarrohr kann direkt an der Membranrückseite des Drucksensor-Chips angelötet werden.

Die Drucksensor-Chips dieses Typs haben einen biegsamen Durchmesser von beispielsweise weniger als 1,5 mm und eine maximale Durchbiegung im Membranbereich von beispielsweise ca. 0,0015 mm. Verwendet man beispielsweise einen 35 mm langen Meßfühler, dessen Füllvolumen z.B. in der Größenordnuncj von 1,25 cm³ liegt, dann kann man bei Drucksensor-Chips der vorgenannten Dimensionierung ein Verhältnis Totvolumen : aktives Volumen von 0,0001 erreichen. Dieses Verhältnis ist um zwei Zehnerpotenzen oder mehr kleiner als bei bekannten Temperaturmeßgeräten der eingangs genannten Art.

Als Kapillarrohr kann ein Edelstahlrohr (bei Temperaturen über 600 ⁰C. ein Rohr aus einer hochwarmfesten Nickellegierung) mit einem lichten Querschnitt von z.B. ca.

0,1 mm und einer Wandstärke von ca. 2,5 mm verwendet werden, das mit einem nicht reaktiven Gas mit einem Druck deutlich über dem Umgebuncrsdruck gefüllt wird. Mit einem derartigen Temperaturmeßgerät kann ein praktisch lineares analoges Signal im Temperaturmeßbereich von - 250° C bis + 800° C erzielt werden.

Vorzugsweise wird erfindungsgemäß die minimale Auslenkung der Silizium-Membran durch eine Wheatstonesche Brückenschaltung kompensiert. Außerdem ist vorzugsweise vorgesehen, daß mittels eines in den Drucksensor-Chip integrierten Temperatursensors Temperaturänderungen am

Drucksensor erfaßt und vorzugsweise elektronisch kompensiert werden. Dadurch wird ein vollständig lineares Ausgangssignal erzielt. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Drucksensor-Chips mit piezo-resistiver Druckmessung besteht insbesondere darin, daß dieser einen integralen Aufbau aus mehreren Schichten aufweist und ein Verschweißen einzelner Elemente wie bei dem obengenannten Temperaturmeßgerät entfällt. Ein erfindungsgemäß verwendbarer Drucksensor-Chip kann beispielsweise aufgebaut sein aus einer als Membran fungierenden Silizium-Epitaxie-Schicht mit implantierten Widerstandsbahnen, auf die eine Siliziumoxid-Schicht folgt, auf der wiederum eine Siliziumnitrid-Schicht angeordnet ist, auf der dann wiederum eine Metallschicht, z.B. aus Aluminium angeordnet ist. Schließlich ist eine Deckschicht z.B. aus Plasmanitrid/Polysilizium vorgesehen. Der weitere erfindungsgemäße Vorteil besteht darin, daß Drucksensor-Chips dieser Art sehr klein dimensioniert sind und sich direkt problemlos mit der Kapillare mechanisch verbinden lassen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher beschrieben. Dabei zeigt 5

Fig. 1 eine Ansicht eines Temperaturme3geräts mit

Drucksensor-Chip und Meßfühler gemäß der

Erfindung.

Das erfindungsgemäße Temperaturmeßgerät weist an einem Ende einen Meßfühler 4 auf, der ein definiertes Volumen eines nicht reaktiven ungiftigen Gases unter einem Druck deutlich oberhalb des Umgebungsdrucks, z.B. mehr als 5 bar enthält.

Das Füllvolumen kann beispielsweise in der Größenordnung von etwa 1,25 cm³ liegen. An den Meßfühler schließt sich das eine Ende eines Kapillarrohrs 5 aus hochwarmfesten Edelstahl an, das verglichen mit dem Meßfühler einen möglichst geringen Innendurchmesser aufweist, um das Totvolumen so klein wie möglich zu halten und eine Wandstärke von ca. 2,5 mm, um Kriechen unter extremen Temperatur- und Druckbedingungen zu verhindern. Das dem Meßfühler 4 zugewandte Ende des Kapillarrohrs 5 ist von einer Schutzfeder 6 umgeben. Das andere Ende des Kapillarrohrs ist direkt an das Mittelröhrchen 3 des Drucksensor-Chips angelötet. Der Drucksensor-Chip ist in der Zeichnung schematisch vereinfacht dargestellt. Dieser Drucksensor-Chip weist vorzugsweise ein Gehäuse 7 zur Druckkompensation auf sowie Kontaktstifte 2 für den elektrischen Anschluß und einen Temperaturfühler für die Temperaturkompensation (nicht dargestellt). Innerhalb des Gehäuses ist der piezo-resistive Drucksensor-Chip aus mehreren Schichten aufgebaut, deren genaue chemische Struktur hier nicht näher erläutert werden soll. Den Kern bildet eine Silizium-Epitaxie-Schicht mit implantierten Widerstandbahnen, die als Membran 1 fungiert, über die Öffnung 8 zum Mittelröhrchen 3 hin, das mit dem Kapillarrohr 5 verbunden ist, wird die Membran 1 mit dem im Kapillarrohr herrschenden Gasdruck beaufschlagt.

Claims

-1- Schutzansprüche

1. Temperaturmeßgerät mit einem Meßfühler, der ein definiertes Volumen eines Meßgases unter hohem Druck enthält, und mit einem mit diesem Meßfühler verbundenen Kapillarrohr, bei dem die vom Meßfühler gemessene Temperaturänderung eine proportionale Druckänderung des Meßgases bewirkt und diese Druckänderung mittels eines am anderen Ende des Kapillarrohrs angeordneten Drucksensors gemessen wird, der ein der Druckänderung proportionales elektrisches Signal erzeugt,
dadurch gekennzeichnet, daß ein piezo-resistiver Drucksensor verwendet wird.

2. Temperaturmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der piezo-resistive Drucksensor ein Silizium-Drucksensor-Chip oder ein keramischer Drucksensor-Chip ist.

3. Temperaturmeßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kapillarrohr (5) an seinem Anzeigeende an der Membranrückseite des Drucksensor-Chips angelötet ist.

4. Temperaturmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Auslenkung der Membran (1) des Drucksensor-Chips verursachte Volumenänderung des Meßgases durch eine Wheatstonesche Brückenschaltung ausgewertet und kompensiert wird.

5. Temperaturmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein im Drucksensor-Chip integrierter Temperatursensor vorgesehen ist, der Temperaturänderungen am Drucksensor erfaßt, wobei diese vorzugsweise elektronisch kompensiert werden, um ein lineares Ausgangssignal zu erzeugen.