DK172354B1 - Differentialtrykføler og fremgangsmåde til fremstilling af en sådan - Google Patents

Description

DK 172354 B1

Opfindelsen angår en diffenrenstrykføler til registrering af differenstryk i en væske med en membran til afføling af trykket, og hvor membranen er fremstillet af et skørt halvledermateriale eller af et keramisk materiale, der 5 har en ydre kant og et udbøj el igt område indenfor kanten, og med et hus der indeslutter membranen, hvori der er en indgangsåbning for de 2 tryk, idet de udbøjelige områder har en overflade, som er konkav og som er i det væsentlige plan når membranen bliver påført en valgt maksimum 10 trykdifferens og hvor det udbøjelige område bliver understøttet med en understøtningsflade.

Opfindelsen angår desuden en fremgangsmåde til at fremstille en tryksensor.

Membraner udformet af skøre materialer såsom halvleder-15 membraner, går i stykker hvis de bliver overbelastede.

For at kunne tilvejebringe en føler som kan overstå meget høje overtryk, er det afgørende at membranerne bliver understøttet over hele dets areal ved dets maksimale overtryksniveau. Dette er i særdeleshed vigtigt for lavtryks-20 affølere hvor membranen skal vise en målelig udbøjning ved lave tryk, f.eks. 100 psi, men stadigvæk skal kunne modstå overtryk på flere hundrede psi. Membranen må understøttes fuldstændigt ved dens maksimale overtryksniveau ellers vil stressområder blive dannet som kan frem-25 bringe brud og relateres i upålidelig funktion af føleren.

US-A-4 572 000 viser en afføler af den i indledningen til krav 1 angivne type, for afføling af differentialtryk i en væske og for tilvejebringelse af et udgangssignal, der 30 er udtrykt for et tryk omfattende: membranorganer for afføling af trykket og hvor membranorganerne er fremstillet af et skørt halvledermateriale eller et keramisk materiale, der har en ydre kant, og har et udbøjeligt område, DK 172354 B1 2 der er tilknyttet kanten for udbøjning ved differential-tryk; et par indløbsorganer, har hver et hul som strækker sig fra et indløbsområde for fremførsel af et væsketryk fra hvert indløbsorgan til membranorganerne, idet føleren 5 er indrettet til at afføle differentialtrykket mellem trykkene der overføres fra hvert indløbsorgan; en i det væsentlige plan understøtningsflade, der støder op til det udbøjelige område, hvor det udbøjelige område har en overflade som er konkavt og som er i det væsentlige plan 10 når tilstrækkeligt overtryk tilføres, således at det udbøj elige område bliver understøttet af understøtningspladen når overtrykket bliver tilført; og affølingsorganer anbragt i føleren for afkøling af udbøjningen af det udbøj elige område og for tilvejebringelse af et udgangssig-15 nal, der er et udtryk for differentialtrykket.

Det ovenfor nævnte udbøjelige område er tilvejebragt med en relativ tynd membran med i det væsentlige ensartet tværsnit som har en flad overflade, når der ikke er tilført differentialtryk over selve membranen. For tilveje-20 bringelse af et membranarrangement i hvilket den tynde membran er understøttet ved maksimale overtryksniveauer, er der tilvejebragt to sådanne tynde membraner, hvor de to i det væsentlige flade overflader vender mod centret af understøtningspladen. Et kammer mellem hver membran og 25 den tilstødende flade overflade af understøtningsfladen er udfyldt med en i det væsentlige ikke sammentrykkelig væske, således at membranen er nødt til at bule udad væk fra den flade overflade af understøtningsfladen. De to kamre er forbundet således at når trykket bliver tilveje-30 bragt på en membran vil det få den til at bevæge sig mod understøtningsfladen, mens den anden membran vil bevæge sig bort fra understøtningsfladen. Når differentialtrykket over de to membraner af membranarrangementet når et maksimum differentialtrykniveau, vil membranen, der får 35 tilført det højeste tryk hvile sig mod den tilstødende 3 DK 172354 B1 flade overflade af understøtningsfladen og bliver helt understøttet af understøtningsfladen.

Sensitiviteten og nøjagtigheden af føleren ifølge US-A-4 572 000 bliver påvirket af et antal variable inklude-5 rende temperatureffekter, mængde af væske til at opnå den ønskede udbøjningskarakteristik af membranerne, mulighed for udløb af væske fra kamrene og små variationer i tykkelsen mellem de to membraner af membranarrangementet. Yderligere kræver kompleksiteten af membranarrangementet 10 en tilsvarende kompleksitet i fremgangsmåden ved fremstillingen af denne.

Det er derfor et formål med den foreliggende opfindelse at tilvejebringe en forbedret sensor og fremgangsmåde til at fremstille sensoren.

15 I overensstemmelse hermed er den foreliggende opfindelse karakteriseret ved at det udbøj elige område har et par overflader, som er konkave når differenstrykket er nul, og at hver af overfladerne af det udbøjelige område bliver plane, når membranen bliver påført en valgt trykdif-20 ferens, idet huset har to tilstødende overflader udvendigt for membranen, der er anbragt i en afstand fra det udbøjelige område, således at når membranen ved max differenstryk bliver plan, ligger den an mod den ene eller anden støtteflade.

25 Der bliver således tilvejebragt en sensor, der har en enkel aktiv membran som er kontrolleret således, at membranen bliver understøttet mellem flade understøtningsplader eller dele deraf og er udformet til at have konkave overflader, ved nul tryk differential, idet hver konkav over-30 flade vender mod en af deres understøtningsdele. Når trykket der bliver affølt forsøger at bevæge membranen mod en understøtningsplade, vil membranoverfladen, der vender mod understøtningen blive flad, og blive fuldt un- 4 DK 172354 B1 derstøttet mod understøtningen ved maksimale overtryksniveauer. Den fulde membranunderstøtning forhindrer overspændinger som kan ødelægge det skøre materiale som membranen er fremstillet af. Yderligere vil brugen af en en-5 kelt membran, i stedet for det komplicerede arrangement kendt fra den tidligere teknik, tilvejebringe en enkel konstruktion, hvor antallet af variable eller parametre som kan påvirke sensitiviteten og tolerancen af sensoren er reduceret. Det første aspekt af den foreliggende op-10 findelse tilvejebringer derfor en sensor som er i stand til at modstå høje overtryk, men som også er i stand til at føle relative små differentialtryk.

Ifølge den foreliggende opfindelse tilvejebringes desuden en fremgangsmåde til fremstilling af en differenstrykfø-15 lercelle omfattende en membran der er fremstillet af et skørt halvledermateriale eller keramisk materiale og har en udbøjelig centerdel der er omgivet af en understøttende kantdel, og understøtningslag der er fastgjort til membranen ved en grasnseflade med kanten på membranen, og 20 hvor understøtningslaget har en stopflade for at forhindre for stor udbøjning af membranen, hvor fremgangsmåden inkluderer udformning af en konkavitet i en overflade af centerdelen af membranen der støder op til stopfladen således at stopfladen passer til udformningen af den til-25 stødende flade af centerdelen af membranen når den har maksimal udbøjning.

Denne fremgangsmåde er karakteristisk ved at konkaviteten bliver dannet med et tryk der påføres membranen for at udbøje denne i forhold til grænsefladen ved kanten til 30 dannelse af en udbuling i den tilstødende flade, fjernelse af materialet fra udbulingen i den tilstødende flade for at gøre den flad, og derefter fjernelse af trykket således at den tilstødende flade med det fjernede materiale bliver konkav.

5 DK 172354 B1

Fremgangsmåden ifølge den foreliggende opfindelse løser problemet med udformning af udhulningen i overfladen af membranen, der vender mod understøtning, således at den 5 får den rigtige udformning og ikke behøver udformning eller dannelse af en flade i understøtningsfladen. Membranen udsættes for et tryk i området fra det normalt tilførte funktionstryk hvorved en flad overflade på den konvekse side af membranen dannes, medens membranen er under 10 tryk. Trinnet med at udforme en flad overflade, f.eks. ved at polere udbulningen, er en relativ simpel proces, især sammenlignet med det meget mere vanskelige trin at udforme en konkav udskåret overflade med en nøjagtig kurveform. Yderligere vil udformningen af den flade overfla-15 de medens membranen er under tryk sikrer, at membranen vil udbøjes til frembringelse af sådan en overflade når tilstrækkelig tryk er tilvejebragt under driften af sensoren. Det er således kendt, at når trykket over membranen overstiger et vist trykniveau, vil membranen udbøjes 20 for frembringelse af den flade overflade som derefter er fuldt understøttes af den flade understøtningsoverflade.

En yderligere forøgelse af trykket på membranen påvirker ikke membranen fordi understøtningen allerede er til stede .

25 Understøtningsfladen er fortrinsvis udformet i glas og når kapacitive sensorer anvendes, vil glasunderstøtninger, der har metalkapacitetsflader blive aflejret der på.

Den konkave membranoverflade er fortrinsvis udformet i en serieproduktion, dvs. udformning af flere membraner på en 30 siliciumskive til hvilken understøtningsskiver er hæftet. Efter udformningen kan siliciumskiverne og understøtningsskiverne udskæres i individuelle celler.

6 DK 172354 B1

Membranoverfladen kan udformes ved udbøjning af membranen under tryk, og ved slipning eller polering af de modsatte sider medens at membranen er under tryk. Når trykket fjernes dannes hulheden med den nøjagtige form er udført 5 på overfladen som var slebet eller poleret. De modsatte sider af membranen kan herefter behandles på samme måde, til dannelse af en anden konkav overflade på membranen.

Membranerne i hver form anvendes til at afføle differen-tialtryk, og når trykket bliver tilført til en side af 10 membranen vil den bevæge sig mod en tilvejebragt understøtningsoverflade, og membranoverfladen vil være flad når den kontakter sådan en understøtningsflade, således at den bliver fuldt understøttet mod overtryk.

Følesensorerne bliver fastspændt i huse, der omfatter 15 massive strukturer af et materiale som passer til temperaturkoefficienterne og udvidelserne af trykfølesensorer-ne, således at cellerne holdes sammen og opretholder kompressionen på celleomkredsen. Fastspændingsstrukturen har også passager for at tillade tryk til arrangementet, og 20 ved behørig valg af forspændingsstruktur eller husudformning, kan der tilvejebringes mekanisk kompensation for afstandsændringer af membranerne, der sker under forskellige statiske trykforhold af det tryk som skal af føles. Kompensationsteknikken er brugbar for sensorer som er ka-25 pacitive sensorer. Det statiske tryk er middeltrykket mod de modstående sider af membranerne, og i de fleste tilfælde kan statiske tryk på flere hundrede eller tusinde punds per square inch findes i ledninger, som fører til differentialtrykføleren, mens det registrerede differen-30 tial kan være så lavt som 0,07 atmosfære. Følerne skal virke ved statiske rørtryk, som varierer fra lave til høje. En rigtig lokalisering af regionerne, hvor følercellerne er klemt sammen og styring af tætningsområdet, som påvirker følerens afbøjning, tillader, at man kan opnå 7 DK 172354 B1 kompensation for forskellige statiske ledningstryk ved at styre og ændre membranernes radiale spænding, som igen påvirker membranens stivhed og således dens afbøjningskarakteristik og over for et givet differentialtryk, som 5 virker på membranen. Når det statiske tryk vokser, ændres afstanden imellem membranoverfladerne, som udgør en følende kondensatorplade og den tilhørende understøtningsflade, som har den anden kondensatorplade på den, idet disse overflader har tilbøjelighed til at blive adskilt, 10 når det statiske tryk vokser. Ved at klemme cellen i dens hus, således at membranens radiale spænding aftager, på samme tid, er kompensation mulig.

Alle følerne kan fremstilles i portionsprocesser af hensyn til billiggørelse. Portionsprocesser betyder generelt 15 anvendelsen af en plade af halvleder, som har flere membraner udformet på halvlederen under fremstillingstrinnene og ved at klæbe pladen eller skiver af glas, som danner understøtningspladerne, og dernæst skære vaflen i individuelle følerceller, når behandlingen er afsluttet.

20 Opfindelsen skal i det følgende nærmere beskrives med henvisning til tegningen, hvorpå: fig. 1 er et skematisk perspektivisk billede af en følercelle ifølge opfindelsen, og som viser en understøtningsstruktur for følercellen i position, 25 fig. 2 er et skematisk billede, som viser elementet i fig. 1 klemt i et hus og skematisk viser isolatormembraner til at overføre tryk til følercellen, fig. 3 er et snitbillede gennem en typisk membran og understøtningsplade, som viser et begyndende fremstillings-30 trin i en portionsproces, men kun viser en celle, 8 DK 172354 B1 fig. 4 er et snitbillede, i det væsentlige ligesom fig.

3, idet figuren viser et yderligere fremstillingstrin, fig. 5 viser en færdig individuel følersektion eller følerhalvdel med en membranoverflade udformet ifølge opfin-5 delsen, fig. 6 er et yderligere billede af en samling af en tryk-følercelle, som er fremstillet ved at udnytte to af de i fig. 5 viste følerdele, fig. 7 er et tværsnitsbillede af en membran og understøt-10 ningsplade, som danner en halvdel af en følercelle, som er fremstillet ifølge en anden udførelsesform for opfindelsen, fig. 8 er et tværsnitsbillede, som viser to af membranerne og understøtningspladesystemerne i fig. 7 samlet i en 15 trykfølende celle, fig. 9 er et tværsnitsbillede af en typisk portionsproces til at fremstille følerceller ifølge opfindelsen ved en modificeret fremgangsmåde, fig. 10 er et snitbillede, som viser elementet i fig. 9 20 ved et yderligere trin til fremstilling af trykfølende celler, fig. 11 er et snitbillede, som viser et trin med montering af en delvis formet membran på en understøtningsplade, 25 fig. 12 er et yderligere trin ved fremstillingen ved formning af en membran ifølge en anden udførelsesform ifølge opfindelsen, fig. 13 viser en vaffel med membraner udformet efter udførelsen af trinnet i fig. 12, 9 DK 172354 B1 fig. 14 er et snitbillede af en portion af færdige følerceller efter klæbning af en anden understøtningsplade på plads i overensstemmelse med en ændret udførelsesform ifølge opfindelsen, 5 fig. 15 er et snitbillede gennem et følersystem, som viser et foretrukket klemarrangement for følercellerne deri til et ydre hus, og fig. 16 er et brudstykke i snit af et ændret klemarrangement ved et hus.

10 Fig. 1 viser en enkelt membrandifferentialtrykfølercelle 10, som er anbragt imellen en første hus-understøt-ningscylinderdel 11 og en anden husunderstøtningscylinderdel 12. Hver cylinder er fremstillet af glas, f.eks. Pyrex, eller et andet egnet materiale, og har en åbning 15 eller kanal, som strækker sig igennem langs midteraksen for at give adgang til cellen for to tryk, som er vist som PI med en pil 14 og P2 med en pil 15. Følercellen 10 er klemt imellem cylindrene 11 og 12, som det generelt er vist i fig. 2. Klemningen kan have hætter eller rammer 20 20 og 21, som er holdt sammen med bolte 22 for at klemme cylindrene 11 og 12 imod følercellen 10. I fig. 2 ses desuden skematisk en første og en anden isolator 24 og 30, som anvendes til på kendt måde at overføre tryk til følercellen 10 gennem kanalerne i de respektive cylindre 11 25 og 12, uden at udsætte følercellemembranen for trykmediet, som registreres.

Trykisolation er en velkendt teknik, og som vist indeholder isolatoren 24 en isolationsmembran 25, som indeslut-ter et hulrum 26, som indeholder et usammentrykkeligt 30 fluidum, f.eks. en siliconeolie, som overfører tryk gennem rør 27 til kanalen i midten af cylinderen 11 og således til den ene side af membranen i cellen 10 som vist. Isolationsmembranen 25 er udsat for det direkte tryk PI, 10 DK 172354 B1 som ligeledes er angivet med pilen 14 i fig. 2. Isolatoren 30 har som vist en isolationsmembran 21, og denne isolationsmembran er monteret på en egnet understøtning eller blok 32 til at danne et kammer 33, som er fyldt med 5 et usammentrykkeligt fluidum, som fylder et rør 34, som fører til en central langsgående åbning i cylinderen 12, som er klemt imod den modsat cylinderen 11 vendende side af følercellen 10. Trykket P2, som er vist med pilen 15, virker desuden på membranen 31. Differentialtrykket imel-10 lem trykkene PI og P2 vil blive registreret af følercellen 10.

En fremgangsmåde til at fremstille en følercelle med en enkelt afbøjende trykfølende membran, som udnytter skøre materialer, såsom silicium eller andre halvledere for 15 membranen, er vist i fig. 3-6. Den færdige trykføler 10 er vist i fig. 6 i overdrevet detalje. Det bør bemærkes, at tegningsfigurerne ikke er målestokstro eller proportionale, som de ville være i et faktisk element. Tykkelsen af lagene og dybden af hulrummene og fordybningerne er 20 stærkt overdrevet af tydelighedsgrunde.

Cellen 10 er fremstillet ved portionsproces. En vaffel af silicium, som generelt er vist ved 40, behandles for at opnå et antal membraner, men kun en sådan membran er vist i detaljer.

25 Vaflen 40 ætses til dannelse af fordybninger 42 i ønskede placeringer, som vist, og fordybningerne danner tyndere afbøjende membraner 43 understøttet af kanter 44, som er udskåret af vaflen, når portionsprocessen er færdig, og de individuelle celler 10 er udskilt. Den individuelle 30 celles periferi er for den ene halvdel vist med optrykket linie i fig. 3.

Vaflen 40 anbringes på oversiden af en glasskive 45, som kan være fremstillet af borsilicatglas, f.eks. Pyrex.

11 DK 172354 B1

Glaspladen 45 har et antal kanaler eller åbninger 46 i position, så de er ud for fordybningerne 42 på vaflen 40. Glasskiverne 45 er metalliseret på kendt måde til at danne tynde metallag inden for periferien af fordybningerne 5 42. Metallagene danner kondensatorplader 47 til kapacitiv føling af membranudbøjning. Åbningerne 46 har metallag 4 6A, som går igennem til et metallag 48 på den modsatte side af glasskiven, som kan benyttes til at fastgøre elektriske ledninger til kondensatorpladerne 47, når de 10 individuelle følerceller er blevet fremstillet. Metallaget 46A i åbningerne fører elektriske signaler for kondensatorpladerne 47 til de respektive lag 48, som kan benyttes til at fastgøre egnede tilledninger, som f.eks. vist ved 49. Membransystemerne er således ud for et stift 15 basisunderstøttelseslag 50, som er dannet på skiven 45, som er fremstillet af glas.

Vaflen og glasskiven er klæbet sammen, idet der anvendes anodisk klæbning eller anden klæbeteknik, således at der er en binding under kanterne 44 af membranerne og glas-20 skiven til at lukke fordybningen eller hulrummet 42 og tilvejebringe en åbning dertil alene gennem åbningen 46.

I fig. 4 ses et yderligere trin ved fremgangsmåden til fremstilling af følerceller, hvor trykket tilføres som vist med pilen 51 til hver af åbningerne 46 (flere åbnin-25 ger i glasskiven vil blive sat under tryk straks), og på denne måde buler den oprindelige membransektion eller tøndesektion 43 ud, dvs. ud for fordybningen 42. Membranen antager den med den krumme linie 43A viste udbøjede form, og den punkterede linie 43B, som formes, når mem-30 branen bukkes udad. Trykket opretholdes for at holde membranen 43 bukket, i dens udbøjede form forårsaget af trykket, som tilføres. Dernæst bliver den ydre, konvekse del, som er vist med den punkterede linie 43B, slebet 12 DK 172354 B1 bort, således at der dannes en plan overflade 43C tværs over hele vaflen, mens membranerne forbliver under tryk.

Når trykket repræsenteret af pilen 51 frigøres, afslappes udbøj ningsmembranen 43 og antager den i fig. 5 viste 5 form, hvor overfladen 43C så danner en konkav overflade. Overfladen 43A genantager sin oprindelige i det væsentlige plane form. Eftersom vaffelmaterialet, som vist med de punkterede linier 43B er blevet fjernet, er den konvekse form af overfladen 43C i midterdelene af udbøjningsmem-10 branen spejlbilledet af den udadbukkede konfiguration af membranen, da den var under tryk.

Et antal cellehalvdele vist ved 10A bliver således udformet på en enkelt vaffel og klæbet glasskive. En anden identisk fremstillet vaffel og glasskive er ligeledes 15 fremstillet. For at afslutte behandlingen af følercellen, bliver de to vafler med identiske cellehalvdele 10A og 10B anbragt sammen som vist i fig. 6 med overfladerne 43C for hver cellehalvdel 10A og 10B vendende mod hinanden.

Et lag glasfrit eller andet egnet bindingsmateriale vist 20 ved 56 er anbragt imellem de mod hinanden vendende overflader af vaflerne, som bærer følercellerne 10A og 10B.

Overfladerne 43C bliver ført tilbage til deres plane konfiguration som vist i fig. 4 ved at tilføre lige store tryk gennem de respektive åbninger 46 på glasskiverne, 25 som danner basis for de to cellehalvdele. Som vist i fig.

6 holdes overfladerne 43C plan og parallelle med glas-fritmaterialet 56 imellem overfladerne. De to vafler 40 kan holdes sammen i en passende opspændingsanordning (ikke vist) til at klemme vaflerne på plads med en kraft, 30 som er repræsenteret ved F, mens der er glasfritmateriale mellem tilstødende overflader. Der bliver ført tryk til membranen med et egnet hus, som ligger over åbningerne 46, og ens, styrede tryk fra kilderne 57 og 58 tilføres 13 DK 172354 B1 til at afbøje membrandelene, således at de mod hinanden vendende udvendige overflader 43C er plane på alle membranerne på en vaffel, før bindingen finder sted. Glas-frittet anvendes til at klæbe de mod hinanden vendende 5 overflader sammen, idet overfladerne 43C forbliver plane.

Det er således vigtigt at styre trykket fra kilderne 57 og 58 (som kan være en kilde, om ønsket), mens klæbningen finder sted.

Efter at bindingsmaterialet er hærdet, vil trykket fra 10 kilderne 57 og 58 imod membranerne 43 bliver ophævet. Bindingsmaterialet 56 holder vaflernes membraner 43 til form for hver celle, en enkelt, enhedsmembran angivet ved 63, som har overflader 43A med en konkav form, som vender imod de respektive plane understøtningslag 50. Den konka-15 ve form svarer til den udbøjede form af membranen 63. Trykket, som blev anvendt til at bøje membransektionerne 43, mens bindingen finder sted, er valgt for at tage den kendsgerning i betragtning, at den enkelte membran 63 har den dobbelte tykkelse, når den er samlet. Membranens kon-20 kave del er omgivet af en flad fordybning ved kanterne eller hulrummet 42, ved midterdelene af membranen.

Vaflerne og glasskiverne bliver opskåret til at danne individuelle følerceller 10. Membranafstanden fra understøtningsbasis eller pladedelen 50 er vist overdrevet i 25 følercellen i fig. 6, men når trykket på den ene af følercellens sider er overordentligt højt, vil den modstående overflade 43A bevæge sig mod den tilhørende understøtningsbasis for at hvile imod denne understøtningsbasis 50 og den derpå udformede kondensatorplade 47. Mem-30 branen 63 er således understøttet imod den plane overflade af understøtningsbasis, og overfladen 43A er plan, når membranen er udsat for det takserede overtryk. Spændingen i membranen overstiger ikke den tilladelige spænding, og 14 DK 172354 B1 membranen 63 vil være fuldt understøttet over hele sin overflade.

Membranformerne og afbøjningerne i fig. 3-6 er stærkt overdrevet af illustrative grunde, men membranerne er ud-5 formet som angivet, således at de har konkave overflader vendende imod de to understøtningsbaser 50 for membranen, som er identiske med membranens udbøjede form ved et ønsket tryk, således at overfladen 43C, som vender imod den respektive understøtningsbasis 50, vil være hovedsageligt 10 parallel mod og hvile plan imod nævnte understøtningsbasis, når den berører nævnte understøtningsbasis som følge af, at et tryk tilføres til den modsatte overflade af membranen 63. Membranerne berører understøtningsbasis for at forhindre for stor spænding i membranen 63 under over-15 tryk.

Trykkene repræsenteret med pil 51 og kilder 57 og 58 er valgt således, at det er tryk, som vil forme membranen 63 for lidt mere end det maksimalt anvendelige trykområde for følermembranen 63. Så vil de konkave former af over-20 fladerne 43C være passende, således at membranen 63 virker over det ønskede trykområde, men bliver i det væsent lige plan og berører den respektive understøtningsbasisdel 50, før den bliver overspændt. Igen er afstanden mellem membranoverfladen og understøtningsbasis vist over-25 drevet på tegningen. Kondensatorpladerne 47 og midterdelen af membranen er tilstrækkelig elektrisk ledende til at opnå kapacitiv føling.

I fig. 7 og 8 er vist en modificeret følercelle. En halvcelle er vist i fig. 7, og halvcellerne er udformede ved 30 en portionsproces, som udnytter en siliciumvaffel 40 og en glasskive 45 som beskrevet i forbindelse med fig. 3. Halvcellen omfatter en understøtningsplade eller basis 75 fremstillet af et egnet glas, og følemembransamlingen 76 15 DK 172354 B1 er fremstillet af vaflen 40. Membransamlingen 76 indeholder en bøjelig, trykfølende membrandel 77 fremstillet ved at udforme en fordybning 78 ved anvendelse af kendt teknik, f.eks. ætsning. En rundtgående kant 79 er udformet 5 til at understøtte udbøjningsmembranen ved dens kant. Understøtningsbasen 75 har en derpå aflej ret kondensatorplade 82, og en kanal 83 er åben til hulrummet 78 under afbøjningsmembranen 77. Kanalen 83 er dækket af metal, og et metallag 84 er udformet på de modsat kondensatorpladen 10 82 vendende side af glasskiven 75.

I denne udførelsesform for opfindelsen er glasunderstøtningspladen eller basen 75 og siliciummembranen 76 klæbet sammen ved kanten 79, og før udskilning af de individuelle halvcelledele, som er vist i fig. 7, bliver silicium-15 vaflen slebet for at fjerne materiale vist med den punkterede linie 85 i fig. 7, således at membrandelen 77 reduceres til den ønskede tykkelse.

De to siliciumvafler og glasskivesystemerne, som hver har et antal halvceller udformet som vist i fig. 7 anbringes 20 i overliggende indgreb med et lag bindingsmateriale imellem dem. Individuelle, identiske halvceller er så positioneret i indgreb som vist ved 87A og 87B i fig. 8. Vaflerne og glasskiverne holdes i en passende opspændingsanordning og halvcellerne 87A og 87B bringes under tryk fra 25 kilder vist ved henholdsvis 89 og 90 gennem åbningerne 83 i halvcellerne for at få afbøjningsmembrandelene 77 til at bøje ud under tryk og sammenpresse bindingslaget 91, som i den viste form er et eftergiveligt eller flydende materiale, f.eks. en smeltet glasfrit, eller et eftergi-30 veligt materiale, som vil hærde og blive stift efter hærdning. Opspændingsanordningen, som tilfører holdekraften F, er egnet til at klemme vaflerne og glasskivesystemerne sammen med bindingsmaterialet 91 imellem de to cel- 16 DK 172354 B1 lehalvdele 87A og 87B. Trykkene fra kilderne 89 og 90 (som antages at være ens) opretholdes ved ønsket niveau.

Eftersom hver afbøjningsmembrandel 77 er uafhængig af den anden, tilstødende afbøjningsmembrandel 77, bøjer mem-5 brandelene imod hinanden. Materialet 91 flyder for at tilpasse den bøjning, og bringes så til at hærde for at klæbe membransystemerne 76 sammen med afbøjningsmembrandelene 77 holdt i deres bøjede form som vist i fig. 8 for at danne en enkelt følemembran 93.

10 Overflader 77C, som vender mod overfladen af de respektive understøtningsbaser 75, har en konkav form, dvs. den udbøjede membranform, når den er under et valgt tryk for at opnå den ønskede form. Når trykkene på cellehalvdelene i brug er uens, hvis f.eks. trykket fra kilden 90, som 15 virker på cellehalvdelen 87B nedsættes, og trykket 89 bliver forøget ud over det ønskede tryk, ville differen-tialtrykket have et niveau, således at membransystemet 93 bøjer, og overfladen 97C af cellehalvdelen 87B vil blive afbøjet til hvile mod overfladen af understøtningsbasis 20 75 for cellehalvdelen 87B. Overfladen 77C vil blive un derstøttet mod den tilstødende overflade af understøtningsbasis 75 og være i det væsentlige plan, når den hviler mod understøtningsbasen. Følemembranen 93 vil således være helt understøttet over sin fulde overflade under 25 tryk, når membranoverfladerne er formet som vist.

Membransamlingen 93 er udformet af to membrandele 77, som er klæbet sammen, således at den forøgede stivhed af samlingen tages i betragtning, når der vælges trykkene 89 og 90 til at bøje membrandelene 77 før sammenklæbningen af 30 dem.

Det bør bemærkes, at selvom det registrerede differenti-altryk på membranerne kan være i et relativt lavt område, kan det samlede statiske rørtryk, som tilføres gennem 17 DK 172354 B1 isolationsmembranerne som angivet ved PI og P2 i fig. 1 og 2 være temmeligt højt, og faktisk i brugsområdet på flere tusinde pund pr. square inch.

Som vist i fig. 8 har cellesamlingen 87, som har en en-5 kelt (men sammensat) membran, tilledninger vist ved 94 og 95, som kommer fra de respektive kondensatorplader 82 og udbøjningsmembrandelene 77.' Afbøjningsmembranen er tilstrækkelig ledende eller i det mindste har den ledende dele, som er tilstrækkelig til at opnå kapacitiv regi-10 strering af afbøjningen. Pladerne og membrandelen vil danne kapacitive signaler, som angiver afstanden mellem pladerne 82 og den tilstødende membranoverflade. Et egnet kendt kredsløb kan benyttes. Når membrandelene 72 af de to cellehalvdele er adskilt af et isolerende klæbelag, 15 kan lederne 95 anvendes til at angive kapaciteten individuelt i de respektive cellehalvdele i forhold til kondensatorpladen 82, som ligger under den pågældende membran-del 77.

Igen danner membrandelene form som en enkel membransam-20 ling 93 til at registrere differentialtryk, som virker på de modstående overflader. Overfladerne, som vender mod understøtningsbaserne 75, er således formet, at overfladerne passer til den udbøjede form af følemembransamlingen 93 ved et ønsket tryk. Når membranen 93 er understøt-25 tet under overtryk, vil overfladen, som er understøttet imod sin respektive understøtningsbasis 75, ligge plan imod understøtningsbasens 75 plane overflade.

En modificeret følercelle, som vist ved 10, er angivet i forbindelse med fig. 9-14. I denne udførelsesform ifølge 30 opfindelsen anvendes portionsprocessen igen, men fremstillingstrinnene er noget forskellige.

Med henvisning til fig. 9 fremstilles en siliciumvaffel 100 ved at udforme fordybninger eller hulrum 101 ved øn- 18 DK 172354 B1 skede steder for at opnå en tyndere membransektion 102 ud for disse fordybninger. Fordybningerne danner desuden kantdele 103, som omgiver hvert af membransektionerne. Kantdelene 103 bliver delt, når de individuelle følercel-5 lehalvdele udskæres af vaffelen som vist generelt med punkterede linier 104. Opdelt langs linierne 104 fremstilles membransamlinger 105 med en kant, som understøtter afbøjningsmembrandelene 102 ved deres kanter. Membrandelene kan være hovedsagelig kvadratiske eller runde 10 set oppefra. Siliciumvaffelen 100 har flere af membran-sektionerne 102 udformet derpå, og den bliver så monteret på en metalværktøjsplade angivet ved 110, som har et antal temmelig store åbninger 111 deri. Hver åbning 111 er anbragt ud for en af de respektive hulrum 101, som er ud-15 formet under membransektionerne 102 på siliciumvaffelen.

Et vokslag anbringes mellem overfladen af siliciummet og metallet for at opnå en tætning. En manifold, som er vist skematisk ved 116, anbringes så over overfladen 115 af metalværktøjspladen og tætnes med en tætning 116A til at 20 opnå tryk fra en kilde 116B i hver af hulrummene 101 gennem åbningerne 111 for derved at bøje membransektionerne udad som vist med punkterede linier ved 102B i fig. 9. Metalværktøjspladen og vaffelen holdes sammen med manifolden, idet der anvendes passende opspændingsanordning.

25 Den udvendige overflade af siliciumvaffelen 100 slibes så plan, mens trykket opretholdes i hulrummene 101. Tykkelsen af siliciumvaffelen, som er angivet ved pilen 117, er omkring 0,32 mm. Når trykket fra kilden 116B ophæves, vil membrandelene 102 antage den i fig. 10 viste konfigurati-30 on, men en øverste overflade, som har konkave overfladedele 102A, idet hver danner en tyndere membransektion. Overfladen 102D slibes for at reducere dybden af hulrummene 102A og også til at opnå en slibet overflade, hvortil plads kan klæbes anoidalt. Den konkave form passer så 35 i det væsentlige med den afbøjede form af membranen ved trykket, som tilvejebringes under slibningen. Trykområdet 19 DK 172354 B1 fra trykkildens 116B vil generelt være i området 3,6 atmosfære for en 0,7 atmosfæres differential trykføler.

Efter slibning og polering af overfladen 102D har siliciumvaffelen 100 en dimension ved 118 på omkring 0,29 mm.

5 Vaffelen fjernes fra metalvaerktøjspladen 110, og den tidligere polerede overflade 102D af vaffelen 100 bliver anodisk klæbet til en Pyrex-skive, som danner individuelle følerunderstøtningsbaser, når lagene bliver opskåret i individuelle følerceller som vist med punkterede linier 10 104 i fig. 11. Hver af følercellerne er angivet ved 121.

De konkave overflader 102A ligger over åbninger 122, som er fremstillet i glaspladen 120. Åbningerne 122 er omgivet af flade fordybninger 122A på overfladen af glasskiven, som vender mod siliciumvaffelen. Fordybningen sik-15 rer, at vaffelen ikke er klæbet til glasskiven i området, hvor membranen er fremstillet. Imidlertid holder anodisk klæbning overfladen 102D af kantsektionerne 103 klæbet til glasskiven 120, således at hulrummene angivet ved 124 under hvert af overfladerne 102A danner et tryktæt hul-2 0 rum.

I næste trin blev fordybningerne 104, som oprindeligt blev udformet i vaffelen 100, fjernet ved overslibning af delen af kantdelene 103 imellem hulrummene 101. Samlingen af vaffelen 100 og glasskiven 120 er vist i fig. 12 med 25 en plan ydre overflade 126 på siliciumvaffelen 100, og derfor med siliciumvaffelen væsentligt reduceret i tykkelse, vist f.eks. med dimensionen 125, i området 0,135 mm i samlet tykkelse, med en minimal tykkelse i membrandelene 102 over hulrummene 124 på omkring 0,122 mm.

30 Den klæbede samling af siliciumvaffelen 100 og Pyrex eller glasskiven 120 vil så yderligere blive behandlet ved at tilføre et tryk til hver af åbningerne 121 (ved anvendelsen af en manifold, f.eks. en manifold 116), hvilket 20 DK 172354 B1 bevirker, at de tynde membrandele 102 bøjer udad som vist med punkterede linier ved 102E i fig. 12. Overfladen 126 bliver slebet plan, mens trykket opretholdes i hulrummene 124. Dette tryk er mindre end det anvendte tryk i det 5 første trin, fordi membrandelene er tyndere efter at være blevet slebet til den ønskede tykkelse, før der sættes tryk til åbningerne 122 i glasskiven 120. Når trykket derefter fjernes fra åbningerne 122 og hulrummene 124, vil afbøjningsmembransektionerne 102 vende tilbage til 10 deres oprindelige position. Dette vil efterlade konkave overflader 102C på den bort fra overfladerne 102A vendende side af membransektionen 102. Overfladerne 102C passer desuden i det væsentlige til den afbøjede membranform, når afbøjningsmembranen udsættes for tryk. Som vist på 15 fig. 13 vil overfladen 126 blive poleret til tykkelsen på omkring 0,114 mm som vist med dimension 128. Aluminiumoxid kan benyttes som et slibemiddel.

Således har afbøjningsmembrandelene 102 krumme overflader på de modstående sider, som danner en midtersektion med 20 nedsat tykkelse.

I det sidste trin til fremstilling af følerceller i denne udformning for portionsproces, bliver den anden glasskive 130 anodisk klæbet til vaffelens 100 overflade 126. Denne anden glasskive har ligeledes åbninger 132, som fører til 25 hver af overfladerne 102C, og når skiven 130 er klæbet på plads, ses det, at der er et hulrum 134 udformet på den bort fra hulrummene 124 vendende side af siliciumvaffelen. Disse er flade fordybninger 132A, som omgiver åbninger 132 for at sikre, at overfladen 102C ikke klæber til 30 glasskiven 130.

Følercellerne bliver så opskåret langs de punkterede linier 135 til dannelse af individuelle glasbaser 131 og 121 med en membransamling 105 indeklemt derimellem. Mern- 21 DK 172354 B1 bransamlingerne 105 har afbøjningsdele 102 understøttet ved kantdele 103.

Trykket, som anvendes til at slibe de buede overflader, skal styres således, at den buede overflade ikke kun er 5 presset plan. Slibekraften styres i forhold til trykket, som virker på membranen, således at den resulterende kraft er rigtig. Hvis trykmediet, som virker på membranen, er væske, og er indesluttet (tætnet) ved det rette tryk, så er overvejelsen vedrørende slibekraften ikke 10 længere nødvendig, fordi væsken ikke vil lade membranen glatte ud.

De individuelle følerceller 136 bliver, når de skæres ud langs linierne 135, dannet til kvadratiske sektioner, og følercellerne er ligesom cellerne 10. Cellerne 136 kan 15 være indeklemt imellem understøtnings- eller huscylindre 11 og 12 som vist i fig. 1 til at registrere differenti-altryk.

Her er de formede membranoverflader 102A og 102C desuden således, at de har hovedsagelig konkav form for en afbøj-20 ningsmembran, som vender mod de respektive understøtningsbaser 121 eller 131, således at overfladen 102A, når differentialtrykket tilføres, f.eks. i hulrummet 134, og det opnår et maksimalt ønsket overtryk, vil være i det væsentlige plan, når den hviler mod den tilstødende over-25 flade af dens respektive understøtningsbasis 121.

Den modsatte virkning finder sted, hvis trykket i kammeret 124 er større end det maksimalt tilladelige overtryk end det i kammeret 134, fordi overfladen 102C så vil hvile plan imod understøtningsblokken 131. Registrering af 30 membranafbøjning kan vælges som ønsket. Som vist har overflade 102A straingage-modstande 137 dopet derpå for at registrere en sådan afbøjning. Begge overflader 102A og 102C kan have sådanne straingage-modstande, eller 22 DK 172354 B1 pladsunderstøtningsbaserne kan have aflej rede kondensatorplader derpå for kapacitiv føling, om ønsket.

Fig. 15 viser en foretrukket udførelsesform for klemning af hver af de individuelle følerceller, som vist ved 10.

5 Andre følerceller vist i tidligere figurer er separat nummereret, men celle 10 skal generisk repræsentere formerne for angivne følerceller. Følercellerne bliver fastgjort imellem cylindrene 11 og 12 på en måde, som opretholder integriteten og stivheder for følercellerne ved at 10 tilvejebringe passende understøtning, og som det skal forklares, kan monteringen udføres for at opnå kompensation for spændingsforskelle på følercellens membran under forskellige statiske rørtrykstilstande.

Medens de fysiske forhold for følercellerne i fig. 15 og 15 16 f.eks. ikke er fuldt specifikt i de øvrige figurer, er de ikke-målestokstro tegninger illustrative og til forklarende formål. Det er klart, at størrelsen (arealet) af følercellen 10 er omtrent 1,3 cm2 (11,5 x 11,5 mm), og den samlede længde af følersamlingen i fig. 15 kan være 20 omtrent 25 mm, selv om figurerne af illustrative grunde har skematisk målestok.

I en første form for hus er følercellen 10 vist anbragt imellem cylindre eller blokke 11 og 12 som vist i fig. 1.

Den skematiske angivelse i fig. 2 er tilsvarende. Ind-25 gangstrykrør 27 og 34 fører gennem endehætter henholdsvis 150 og 152, og rørene 27 og 34 er tæt fastgjort i åbninger eller trykkanaler i Pyrex eller glasmonteringscylindrene 11 og 12. Trykket føres helt igennem Pyrex-cylinderen. Passende tætningsdele for indgangstrykrør kan 30 benyttes som vist ved 151 og 153.

Tryk, som skal registreres, bliver således ført til modstående sider af følercellen 10 gennem blokkene 11 og 12 og gennem de tilvejebragte åbninger i følercellen, f.eks.

23 DK 172354 B1 åbningerne 46 i følerunderstøtningsbaserne 50 i den første udførelsesform for opfindelsen.

I denne udførelsesform ifølge opfindelsen klemmer monteringscylindrene 11 og 12 følercellen 10 omkring dens pe-5 riferi/ idet de udnytter tætnings- og kraftoverførende understøtningsringe 155,155 på modstående side af cellen, som tilvejebringer en klemkraft Fc. Tætningerne 155 danner små, meget tynde kamre 156 og 157 imellem cellens 10 ydre overflader og de respektive ender af monteringscy-10 lindrene 11 og 12. Trykket i rørene henholdsvis 27 og 34, vil være til stede i kamrene 156 og 157 på modstående sider af følercellen, og således trykkene, som virker på cellens glasunderstøtningsbaser 50 (eller glasunderstøtningsbasen for den anden form for celler vist som væg) .

15 Afstanden imellem understøtningsbaserne 50 og den respektive monteringsblok er lille nok, således at glasbaserne, når de udsættes for for stort differentialtryk, vil blive understøttet på enden af den tilstødende monteringscylinder 11 eller 12 for at undgå beskadigelse under høje 20 overtryk.

Understøtnings- eller huscylindrene 11 og 12 (af Pyrex-glas) har samme termiske udvidelseskoefficient som glasunderstøtningsbaserne 50, og dette medvirker til at opretholde stabilitet under forskellige temperaturtilstan-25 de.

Endehætten 50 virker imod basis af cylinderen 11 gennem en Belleville-fjeder 160 af egnet fjederværdi. Endehætten 152 kan virke gennem en egnet pakning 152 til at holde monteringscylindrene og cellen 10 i position. Klemmen 30 indstilles ved et niveau, som holder følercellen under tryk i anvendelse.

Trækbolte 163 er tilvejebragt til at holde endehætterne 150 og 152 sammen og frembringe den nødvendige klemme- 24 DK 172354 B1 kraft. En halvlederchip 164 kan være monteret på en af glasmonteringscylindrene og kan omfatte et kapacitivt følerkredsløb koblet til føleren med ledninger 165.

En modificeret form for følersamlingen er vist i fig. 16, 5 og i dette tilfælde anvendes endehætter 150A og 152A, og de holdes sammen med en muffe 170, som er svejst på plads til endehætterne med en tætsvejsning 171 ved hver ende. Muffen 170 er bragt under spænding med en forbelastning før svejsning og holdes under spænding, når den svejses 10 på stedet for at klemme endehætterne imod monteringscylindrene 11 og 12 under tryk, når trækbelastningsmuffen 170 frigøres efter svejsning. Kompression er monteret på følercellen under brug. En hermetisk tætning er dannet af svejsningerne 171 omkring periferien af endehætterne 150A 15 og 152A.

Glascylindrene 11 og 12 bærer som vist i fig. 16 glasunderstøtningsbaserne 50 for cellen 10 over deres hele overflade med en glasfrit 173 anbragt imod understøtningsbaserne 50 for at tilvejebringe klemmekraften fra 20 spænding i røret 170 (eller andre klemdele) over hele de blottede modstående overflader af følercellen 10. Ligeledes kan slaglodningen vist ved 174 anvendes over hele overfladen på glascylinderen 12 for at holde denne på plads.

25 Røret 170 kan have en egnet elektrisk gennemføring 175 til at føre elektriske signaler fra en halvlederchip 176, som er fastgjort til en af glasmonteringscylindrene, som, igen kan have kapacitivt følekredsløb derpå. Chipene er koblet til ledningerne 177 fra følercellen 110. Lednin-30 gerne på følercellen er forbundet til kredsløbet på chippen 176 på konventionel måde.

Claims (4)

25 DK 172354 B1

1. Diffenrenstrykføler til registrering af differenstryk i en væske med en membran (63,93,105) til afføling af trykket, og hvor membranen er fremstillet af et skørt halvledermateriale eller af et keramisk materiale, der har en ydre kant (44,79,103) og et udbøjeligt område 10 (43,77,102) indenfor kanten, og med et hus der indeslut- ter membranen, hvori der er en indgangsåbning for de 2 tryk, idet de udbøj elige områder har en overflade (43A,77C,102A,102), som er konkav og som er i det væsentlige plan når membranen bliver påført en valgt maksimum 15 trykdifferens og hvor det udbøjelige område bliver understøttet med en understøtningsflade, kendetegnet ved, at det udbøjelige område har et par overflader (43A,77C,102A,102C), som er konkave når diffe renstrykket er nul, og at hver af overfladerne af det ud-20 bøjelige område bliver plane, når membranen bliver påført en valgt trykdifferens, idet huset har to tilstødende overflader udvendigt for membranen, der er anbragt i en afstand fra det udbøjelige område, således at når membranen ved max differenstryk bliver plan, ligger den an mod 25 den ene eller anden støtteflade.

2. Trykføler ifølge krav 1, kendetegnet ved, at membranen er dannet af 2 halvdele, hver med konkav form som er klæbet sammen.

3. Fremgangsmåde til fremstilling af en differenstrykfø-30 lercelle (10) omfattende en membran (105) der er fremstillet af et skørt halvledermateriale eller keramisk materiale og har en udbøjelig centerdel (102) der er omgivet af en understøttende kantdel (103), og understøtningslag (120,130) der er fastgjort til membranen (105) 35 ved en grænseflade med kanten (103) på membranen, og hvor understøtningslaget (120,130) har en stopflade for at 26 DK 172354 B1 forhindre for stor udbøjning af membranen, hvor fremgangsmåden inkluderer udformning af en konkavitet i en overflade (102A,102C) af centerdelen (102) af membranen (105) der støder op til stopfladen således at stopfladen 5 passer til udformningen af den tilstødende flade (102A,102C) af centerdelen (102) af membranen når den har maksimal udbøjning, kendetegnet ved, at konkaviteten bliver dannet med et tryk (p) der påføres membranen for at udbøje denne (102) i forhold til græn-10 sefladen ved kanten (103) til dannelse af en udbuling i den tilstødende flade, fjernelse af materialet fra udbulingen i den tilstødende flade for at gøre den flad, og derefter fjernelse af trykket således at den tilstødende flade med det fjernede materiale bliver konkav.

4. Fremgangsmåde ifølge krav 3, kendetegnet ved, at trykket (p) der tilføres til modsatte sider under udformningen af de konkave flader (102A, 102C) er valgt således at det er en kendt funktion af det største tryk under brug, hvorved i brug de konkave flader vil blive i 20 det væsentlige flade, når belastningen på de modsatte sider af membrandelene fra de konkave overflader når en ønsket overtrykstilstand.