DK174311B1 - Tryksensor - Google Patents

Description

i DK 174311 B1

Opfindelsen angår en tryksensor med et hus, en plade, der indeholder et membranområde, og en mellembærer, på hvilken pladen er monteret, og som er forbundet med huset ved hjælp af et elastisk klæbestof, som er anbragt i en fuge | 5 mellem hus og mellembærer, og som af en i midterområdet anbragt begrænsningsflade for fugen hindres i at bevæge sig ind i midterområdet og er i stand til at optage spændinger mellem hus og mellembærer.

10 En sådan tryksensor er fx kendt fra EP 0 317 664 Al.

Mellembæreren består herved af et glassubstrat, mens pladen kan være fremstillet af et halvledermateriale, såsom silicium. Mellembæreren har herved den opgave at isolere pladen fra huset. Huset består i reglen af et 15 metal, fx af stål. Mellem mellembæreren og huset anvendes endnu et bærelag, som skal have tilnærmelsesvis den samme temperaturudvidelseskoefficient som pladen for at reducere spændinger, der frembringes af en temperaturændring. Huset og bærelaget er samlet ved hjælp af et elastisk klæbelag.

20 Bærelaget, hvorpå mellembæreren og pladen med membranen er monteret, er spændt sammen med huset ved hjælp af en klemdel. Yderligere føres et trykledningsrør centralt gennem klæbelaget og bærelaget. Dette rør ender i en afstand fra mellembæreren.

25

En tidligere version af ovennævnte med lignende opbygning er beskrevet i EP 0 140 992 Al.

Problematisk ved sådanne tryksensorer er den kendsgerning, 30 at pladen og huset har meget forskellige temperaturudvidelseskoef ficienter. Når huset ved en temperaturforhøjelse udvides mere end pladen med membranen, kan dette føre til spændinger i membranen, hvorved måleresultaterne forfalskes. Man forsøger nu at reducere en del af de af de for-35 skellige temperaturudvidelseskoefficienter forårsagede i spændinger via henholdsvis mellembæreren og dens fastgø- 2 DK 174311 B1 relse. Herved er det ved lavere tryk tilstrækkeligt at anvende et elastisk klæbestof, som kan udligne mekaniske spændinger, altså tillader en vis relativ forskydning mellem mellembæreren og huset.

5 US 4 364 276 beskriver en differenstrykmåler til relativ høje systemtryk. Den siliciumplade, der tjener som egentlig sensor, er monteret på et glassubstrat, som er fastgjort på et bærelag af metal, fx en jern-nikkel-legering, 10 og hvor forbindelsen mellem de tre lag sker ved hjælp af en Bonding-teknik. Ved denne tryksensor skal metaldelen virke som understøtningslag for glassubstratet, således at sensoren også ved høje systemtryk altid kan afgive et nøjagtigt måleresultat uden at blive deformeret af de optræ-15 dende høje hydrostatiske tryk.

DE 39 37 522 Al beskriver en yderligere halvleder-tryksen-sor, som ligeledes kan anvendes til forholdsvis høje tryk. Hertil forbindes den membran bærende mellembærer med huset 20 under anvendelse af en elastomertætning. Ved en forøgelse af trykket på membranen forhøjes også trykket på elastomer tætn ingen, således at der ved et højere tryk opstår en forbedret tætning.

25 DE 31 37 219 Al beskriver en kapacitiv tryksensor med to halvskåle af glas, keramik eller lignende, hvor der på indersiden af de to halvskåle, der er fastgjort på hinanden omkring en glasring, er anbragt to elektroder, som danner en kondensator. Glasringen, som er anbragt i kant-30 området på halvskålene, tjener herved til fiksering af afstanden mellem halvskålene og dermed til sikring af en konstant afstand mellem elektroderne, også ved masseproduktion. Tætningsringen kan bestå af loddepasta, epoxyharpiks eller klæbesmeltefolie, der hærder hurtigt.

JP 62203381 A beskriver en halvleder-tryksensor, hvor en 35 DK 174311 B1 3 sensorenhed omfattende en trykfølsom membran, et støtteelement og et keramiksubstrat er monteret ved hjælp af lim i en reces udformet i et sensorhus. Sensorhus, støtteelement og substrat viser en central åbning, som gør det 5 muligt at lede atmosfæretryk til bagsiden af membranen. I bunden af sensorhusets reces er vist anordninger i form af omløbende fordybninger, som er beregnet til optagelse af overskydende lim under montage af sensorenheden i sensorhuset. Herved sikres, at de centrale åbninger ikke bloke-10 res af limen under montageprocessen.

Formålet med opfindelsen er at angive en tryksensor, som er muligst enkelt opbygget, og som kan anvendes ved store statiske og pulserende trykbelastninger.

15

Ved en tryksensor som beskrevet i indledningen løses denne opgave ved, at begrænsningsfladen er del af et anslag, der optager kræfter frembragt af trykket, og som, før mellembæreren og huset ligger an mod hinanden, begrænser deres 20 bevægelse imod hinanden og dermed sikrer et forudbestemt minimumsvolumen for fugen.

Herved forhindres, at klæbestoffet ved store trykbelastninger presses ud mellem huset og bæreren. Dette ville fø-25 re til en formindskelse eller endog til et tab af den ved hjælp af klæbestoffet frembragte fastholdelseskraft mellem hus og mellembærer. Ved at klæbestoffets bevægelse er begrænset på tværs af trykretningen i mindst en retning ind i mellemområdet, tillades principielt ganske vist en 30 undvigelse af klæbestoffet ved en trykforøgelse, men en fuldstændig fjernelse af klæbestoffet fra mellemrummet mellem hus og mellembærer forhindres dog. Ved lave tryk er klæbestoffet, som i tilstrækkelig grad skal være elastisk, imidlertid i stand til at optage spændingerne mellem 35 mellembæreren og huset, således at der ikke optræder nogen spændinger af pladen, og hermed kan spændinger af membra- 4 DK 174311 B1 nen undgås. Da der i mellerabærerens midterområde er dannet et anslag, der, før me11embæreren og huset ligger an mod hinanden, begrænser deres bevægelse imod hinanden, er der i alle tilfælde et rum rundt om midterområdet, hvor klæbe-5 stoffet kan forblive. De kræfter, der forårsages af de hydrostatiske tryk på pladen og membranen, kan altså optages, uden at klæbestoffet presses fuldstændig ud af fugen. Herved opstår en slags selvspærrende virkning.

10 Begrænsningsfladen kan dannes på forskellige måder. For det første kan fugens begrænsningsflade være dannet af en omløbende flade med et fremspring, som rager frem fra huset i retning mod mellembæreren. Fremspringet kan også være dannet på mellembæreren og rage frem i retning mod hu-15 set. Endelig kan der til frembringelse af begrænsningsfladen også anvendes en mellemplade, som er anbragt mellem hus og mellembærer, og hvis omkredsflade tjener som begrænsningsflade. I alle tre tilfælde opnås, at før mellembærer og hus ville ligge fast på hinanden, der ville føre 20 til en fortrængning af klæbestoffet, oprettes en mekanisk spærring, som sikrer, at fugen beholder et forudbestemt mindste volumen.

Endvidere er det af stor fordel, at begrænsningsfladen 25 omgiver et klæbestoffrit område, gennem hvilket en modtrykskanal i huset er ført. Ved udformningen af tryksensoren som differenstryksensor kan tryk fra begge sider herved føres til membranen. Det har herved vist sig som særlig fordelagtigt, at der ved hjælp af begrænsningsfladen 30 forhindres, at klæbestoffet ved fremstillingen når ind i modtrykskanalen og lukker eller indsnævrer denne.

På foretrukken måde har de mod henholdsvis huset og mellembæreren anliggende friktionsflader en forøget glathed.

35 Dette forringer friktionen mellem mellembærer og hus, således at der ved forskellige udvidelser af hus og mellem- 5 DK 174311 B1 bærer på grund af temperatursvingninger er givet en relativ fri bevægelighed de to dele imellem.

Fugen har på fordelagtig måde en tykkelse i området på få 5 hundrededele millimeter. En tykkelse i dette område er nok til at anbringe tilstrækkelig klæbestof, således at der på den ene side er sikret en pålidelig fastgørelse af mellem-bærer og hus mod hinanden, på den anden side er laget ved lave tryk imidlertid elastisk nok til at udligne mekaniske 10 spændinger mellem mellembæreren og huset.

Opfindelsen beskrives nedenstående ved hjælp af foretrukne udførelseseksempler i forbindelse med tegningen, der viser i 15 fig. 1 et tværsnit gennem en tryksensor fig. 2 et delsnit A-A i fig. 1, 20 fig. 3 et snit B-B i fig. 2 fig. 4 en anden udførelsesform ifølge fig. 3 og fig. 5 en yderligere varieret udførelsesform.

25

En tryksensor 1 har en plade 2 med en membran 3, som er forbundet med en mellembærer 4. Mellembæreren 4 er igen ved hjælp af et elastisk klæbestof 5 forbundet med et hus 6.

30

Huset 6 består af metal. Mellembæreren 4 er dannet af et glassubstrat. Pladen 2 med membran 3 består af silicium. I membranen 3 er der på kendt og ikke vist måde indbygget modstande eller andre elektriske byggeelementer, fx ved 35 dotering. Disse byggeelementers elektriske egenskaber ændres ved en mekanisk belastning eller bøjning af membranen 6 DK 174311 B1 3. Størrelsen af ændringen af disse byggeelementers elektriske egenskaber er et mål for det tryk, som membranen 3 er udsat for.

5 Fra de ikke viste elektriske byggeelementer går elektriske ledninger 7 gennem en tilslutning 8 til en ikke nærmere vist måleindretning.

Mellembæreren 4 med pladen 2 er anbragt i et i huset 6 an-10 bragt trykrum 9, som er lukket af en hjælpemembran 10 og fyldt med et trykmedium 11, fx silikoneolie. Tryk, der virker på hjælpemembranen 10, forplanter sig over trykmediet 11 til pladens 2 membran 3 og fører dér til en udbøj -ning og dermed til en ændring af de elektriske byggeele-15 menters elektriske egenskaber, der er et mål for det virkende tryk. Hjælpemembranen 10 på sin side kan påvirkes med tryk udefra gennem en åbning 13 i huset 6.

Til anvendelse af tryksensoren 1 som differenstrykmåler er 20 en modtrykskanal 12 anbragt, som er ført gennem huset 6 og mellerabæreren 4. Gennem modtrykskanalen 12 kan tryk nå til den anden side af membranen 3. Udbøjningen af membranen 3 kan da ske i afhængighed af trykdifferensen mellem de to tryk på begge sider af membranen 3.

25

Mellem huset 6 og mellembæreren 4 er en mellemplade 14 anbragt, som fx har en tykkelse på 0,04 mm, en udvendig diameter på 2 mm og en boring på 1 mm diameter og kan være fremstillet af stål. Mellempladen 14 har en udvendig om-30 kreds 15, som tjener som begrænsningsflade for klæbestoffet 5. Samtidig tjener mellempladen 14 som anslag ved en bevægelse af hus 6 og mellembærer mod hinanden. Også ved høje tryk forbliver en klæbestof-fuge 16 mellem huset 6 og mellembæreren 4, fra hvilken klæbestoffet 5 ikke kan pres-35 ses eller klemmes ud. Bevægelsen af hus 6 og mellembærer 4 mod hinanden begrænses af mellempladen 14. Samtidig for- 7 DK 174311 B1 hindrer mellempladen 14 med sin udvendige omkreds 15, at der selv ved høje tryk ikke kan trænge klæbestof frem til mellembærerens 4 midterste område. Også når klæbestof ved høje tryk presses udad, forbliver der stadigvæk en til-5 strækkelig mængde i fugen 16 til at opretholde klæbekraften mellem huset 6 og mellembæreren 4. Som klæbestof kan der fx anvendes en silikonelim, fx silikonekautsjuk.

Fig. 4 viser en anden udførelsesform, ved hvilken samme 10 dele er forsynet med samme henvisningsbetegnelser som i fig. 1-3 og tilsvarende dele med 100 forhøjede henvisningsbetegnelser. Mellempladen 14 er her blevet erstattet af et i huset 106 udformet fremspring 17, som rager frem i retning mod mellembæreren 4. Fremspringet 17 danner på den 15 ene side anslaget for bevægelsen af mellembærer 4 og hus 106 mod hinanden, det begrænser på den anden side ligeledes fugen 16, således at klæbestoffet ganske vist kan trykkes udad ud af fugen 16, men kan ikke trænge frem til et midterste område i mellembæreren 4. Når klæbestoffet 5 20 påføres huset 106, forhindrer fremspringet 17 samtidig en fremtrængning af klæbestoffet i modtrykskanalen 12.

I fig. 5, i hvilken samme dele er forsynet med de samme henvisningsbetegnelser som i fig. 1 og tilsvarende dele 25 med 200 forhøjede henvisningsbetegnelser, er mellempladen 14 blevet erstattet af et fremspring 18, som er udformet på mellembæreren 204 og rager frem i retning mod huset 6.

Dette fremspring 18 har i princippet den samme opgave som fremspringet 17 i fig. 4 eller mellempladen 14 i fig. 1-3.

30

Claims (7)

1. Tryksensor (i) med et hus (6, 106), en plade (2), der 5 indeholder et membranområde (3), og en mellexnbærer (4, 204), på hvilken pladen (2) er monteret, og som er forbundet med huset (6, 106) ved hjælp af et elastisk klæbestof (5), som er anbragt i en fuge (16) mellem hus (6, 106) og mellembærer (4, 204), og som af en i 10 midterområdet anbragt begrænsningsflade (15) for fugen (16) hindres i at bevæge sig ind i midterområdet og er i stand til at optage spændinger mellem hus og mellembærer, kendete g- net ved, at begrænsningsfladen (15) er del af et anslag (14, 17, 18), der op- 15 tager kræfter frembragt af trykket, og som, før mel lembæreren (4, 204) og huset (6, 106) ligger an mod hinanden, begrænser deres bevægelse imod hinanden og dermed sikrer et forudbestemt minimumsvolumen for fugen (16) . 20

2. Tryksensor ifølge krav 1, kendetegnet ved, at fugens (16) begrænsningsflade (15) er dannet af en omløbende flade på et fremspring (17), som rager frem fra huset (106) i retning mod mellembæreren (4). 25

3. Tryksensor ifølge krav 1, kendetegnet ved, at fugens (16) begrænsningsflade (15) er dannet af en omløbende flade med et fremspring (18), som rager frem fra mellembæreren (204) i retning mod huset 30 (6).

4. Tryksensor ifølge krav l, kendetegnet ved, at fugens (16) begrænsningsflade (15) er dannet af omkredsfladen af en mellemplade (14), som er an- 35 bragt mellem hus (6) og mellembærer (4). * 9 DK 174311 B1

5. Tryksensor ifølge et af kravene 1-4, kendetegnet v e d, at begrænsningsfladen (15) omgiver et klæbestoffrit område, gennem hvilket en modtrykskanal (12) i huset (6) er ført. 5

6. Tryksensor ifølge et af kravene 1-5, kendetegnet v e d, at de mod henholdsvis huset (6, 106) og mellembaereren (4, 204) anliggende friktionsflader har en forøget glathed, som reducerer friktionen mellem 10 mellembæreren (4, 204) og huset (6,106).

7. Tryksensor ifølge et af kravene 1-6, kendetegnet v e d, at fugen (16) har en tykkelse i området på få hundrededele millimeter.