EP1285247A1 - Gefrierresistenter drucksensor - Google Patents

Gefrierresistenter drucksensor

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Publication number
EP1285247A1
EP1285247A1 EP01940174A EP01940174A EP1285247A1 EP 1285247 A1 EP1285247 A1 EP 1285247A1 EP 01940174 A EP01940174 A EP 01940174A EP 01940174 A EP01940174 A EP 01940174A EP 1285247 A1 EP1285247 A1 EP 1285247A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pressure sensor
freeze
pressure measuring
sensor according
resistant pressure
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP01940174A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Heiko Scheurich
Winfried Kuhnt
Martin Mast
Berthold Rogge
Masoud Habibi
Hanspeter Mayer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1285247A1 publication Critical patent/EP1285247A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/04—Means for compensating for effects of changes of temperature, i.e. other than electric compensation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/06—Means for preventing overload or deleterious influence of the measured medium on the measuring device or vice versa
    • G01L19/0627—Protection against aggressive medium in general
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/14—Housings
    • G01L19/147—Details about the mounting of the sensor to support or covering means

Definitions

  • the present invention relates to a pressure sensor and in particular to a freeze-resistant pressure sensor.
  • Pressure is required as a measurement and control parameter in a large number of applications, ranging from medical technology to automotive technology.
  • the applications of pressure sensors are correspondingly diverse.
  • a freeze-resistant pressure sensor is shown in WO-98/31997.
  • a silicon chip is attached to a glass carrier.
  • the glass carrier has an opening to the silicon chip.
  • the glass support is attached to a tubular support so that a continuous line is formed.
  • the print medium is in contact with the silicon chip via the line.
  • a compressible insert is installed in the line.
  • a disadvantage of this pressure sensor is that, despite the compressible insert, it is possible for the pressure sensor to be damaged when the fluid freezes, since the compressible insert is only arranged in a section of the line and thus freezes fluid in the area of the pressure measuring chamber and after the compressible insert can, so that there is no sufficient expansion possibility for the freezing fluid in the pressure measurement space and the pressure sensor can be damaged.
  • a further disadvantage is that the method for introducing the compressible insert is complex. Furthermore, the compressible insert is exposed to high thermal stresses during the fastening process of the silicon chip to the glass carrier or the glass carrier to the tubular carrier, so that it has only a short lifespan or can be damaged during assembly.
  • a sensor for the absolute pressure in the intake manifold which has a housing and a cover.
  • the cover with the housing has several slots and is designed accordingly
  • the freeze-resistant pressure sensor according to the invention with the features of the main claim has the advantage that an elastically flexible compensation element in the Pressure measuring room is arranged. This ensures that if the fluid in the pressure measuring chamber freezes, it can expand due to the presence of the elastically flexible compensation element in the pressure measuring space without a pressure measuring cell of the pressure sensor being destroyed or damaged. With a normal pressurization, ie when the fluid in the pressure measuring chamber is not frozen, the elastically flexible compensation element has no function. The pressure spreads evenly to the pressure measuring cell. If so
  • the elastically flexible portion Preferably, the elastically flexible
  • the resilient element can be made of
  • the elastically resilient compensating element is preferably designed as an elastic plate.
  • the elastically flexible compensating element is elastically mounted.
  • the elastic mounting is formed by an elastically glued plate.
  • a solid plate is fastened inside the pressure sensor housing by means of an adhesive which also has elastic properties after hardening.
  • an adhesive which also has elastic properties after hardening.
  • the resilient compensating element is only a plate mounted on a spring.
  • the spring should only have a low spring force in order to enable sufficient expansion of the fluid when freezing in the pressure measuring room.
  • the elastically flexible compensating element is designed as an elastic housing wall. This can be achieved, for example, in that part of the housing wall has a smaller thickness than the rest of the housing wall. This means that a freeze-resistant pressure sensor can be manufactured particularly easily and at low cost.
  • the resilient compensating element is advantageously designed as an elastic plate integrated in the housing.
  • the size of the elastic plate can be dimensioned according to the volume increase to be provided.
  • the medium located in the pressure sensor housing is preferably water.
  • the pressure measuring cell can be designed, for example, using thick-film technology. Furthermore, it is also possible for the pressure measuring cell to be provided with a protective layer. According to the invention, it is also possible for the pressure sensor to be designed, for example, as an absolute pressure sensor or as a differential pressure sensor.
  • FIG. 1 shows a cross section through a first exemplary embodiment of a freezer-resistant pressure sensor
  • Figure 2 shows a cross section through a second embodiment of a freeze-resistant pressure sensor according to the invention.
  • FIGS. 1 and 2 The structure of the pressure sensors in FIGS. 1 and 2 is not drawn to scale in order to enable a better detection of the present invention.
  • the pressure sensor comprises a housing 9, a pressure measuring cell 2 and a carrier plate 3.
  • the measuring cell 2 is fastened on the carrier plate 3 and is arranged inside a pressure measuring chamber 10.
  • the carrier plate 3 is firmly connected to the housing 9.
  • the pressure sensor according to the first exemplary embodiment has a pressure port 4, which is connected to the pressure measuring chamber 10 and via which a Pressure medium such as urea can be fed into the pressure measuring chamber 10.
  • the resilient compensating element 1 is directly on the wall of the housing 9 e.g. attached by gluing.
  • the pressure measuring cell 2 is directly opposite the elastically flexible compensating element 1. This is a particularly advantageous arrangement of the pressure measuring cell 2 and the elastically flexible compensating element 1 to one another in order to prevent damage to the pressure measuring cell 2.
  • the carrier plate 3 is connected via an electrical connection 5 to a plug 6, via which the recorded values are then e.g. can be supplied to a control and / or evaluation unit.
  • the supply and the signal voltage are also via the electrical
  • Connection 5 passed from the carrier plate 3 to or from the connector 6.
  • FIG. 2 shows a second exemplary embodiment of a freeze-resistant pressure sensor according to the invention. The same parts are designated with the same reference numerals as in the first embodiment.
  • an elastically glued-in compensation element 7 is provided in the second exemplary embodiment as an elastically flexible compensation element.
  • the plate 7 is glued into an inner cavity of the housing 9 such that a further cavity 11 is formed in the housing 9 in addition to the pressure measuring chamber 10.
  • the plate 7 is glued into its entire circumference in the housing 9 by means of an adhesive which is elastic even after curing. This creates the cavity 11, which with a gas, e.g. Air is filled. By gluing, the cavity 11 is sealed above the pressure measuring space 10.
  • the elastically flexible compensation element in the second starting example consists of the plate 7 and the elastic bearing 8, which is provided by the adhesive.
  • a freeze-resistant pressure sensor which comprises a pressure sensor housing 9, which encloses a pressure measuring chamber 10, and a pressure measuring cell 2. Furthermore, an elastically flexible compensating element 1, 7, 8 is provided, which is arranged in the pressure measuring chamber 10.

Landscapes

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen gefrierresistenten Drucksensor, welcher ein Drucksensorgehäuse (9), das einen Druckmessraum (10) umschliesst, und eine Druckmesszelle (2) umfasst. Weiter ist ein elastisch nachgiebiges Ausgleichselement (1) vorgesehen, welches im Druckmassraum (10) angeordnet ist.

Description

Gefrierresistenter Drucksensor
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drucksensor und insbesondere einen gefrierresistenten Drucksensor.
Der Druck wird als mess- und regeltechnische Größe in einer Vielzahl von Anwendungen benötigt, die von der Medizintechnik bis hin zur Kraftfahrzeugtechnik reichen. Entsprechend vielfältig sind die Anwendungen von Drucksensoren.
Die Entwicklung der Mikroelektronik und Mikromechanik seit den 70er Jahren hat es ermöglicht, Drucksensoren mit Hilfe der Siliziumtechnologie miniaturisiert, kostengünstig und in großen Mengen herzustellen. Derartige Drucksensoren sind jedoch nicht stabil gegenüber hohen Drücken, wie sie auftreten, wenn der Drucksensor einem Druckmedium ausgesetzt wird, welches sich beim Einfrieren volumenmäßig ausdehnt, wie z.B. Wasser.
Ein Beispiel eines gefrierresistenten Drucksensors zeigt die WO-98/31997. Bei dem dort offenbarten Drucksensor ist ein Silizium-Chip auf einem Glasträger befestigt. Der Glasträger weist eine Öffnung zum Silizium-Chip auf. Der Glasträger ist auf einem rohrförmigen Träger befestigt, sodass eine durchgängige Leitung gebildet wird. Das Druckmedium steht über die Leitung in Kontakt mit dem Silizium-Chip. In der Leitung ist ein kompressibler Einsatz eingebracht. Nachteilig bei diesem Drucksensor ist, dass es trotz des kompressiblen Einsatzes möglich ist, dass der Drucksensor beim Gefrieren des Fluids beschädigt wird, da der kompressible Einsatz nur in einem Teilstück der Leitung angeordnet ist und somit Fluid im Bereich des Druckmessraums und nach dem kompressiblen Einsatz gefrieren kann, sodass keine ausreichende Expansionsmöglichkeit für das gefrierende Fluid im Druckmessraum gegeben ist und der Drucksensor beschädigt werden kann. Weiterhin ist nachteilig, dass das Verfahren zum Einbringen des kompressiblen Einsatzes aufwendig ist. Weiter wird der kompressible Einsatz während des Befestigungsvorgangs des Silizium-Chips zum Glasträger beziehungsweise des Glasträgers zum rohrförmigen Träger hohen thermischen Beanspruchungen ausgesetzt, sodass er nur eine geringe Lebensdauer aufweist, bzw. bei der Montage beschädigt werden kann.
Weiter ist aus der WO-98/20248 ein Sensor für den absoluten Druck im Einlasskrümmer bekannt, welcher ein Gehäuse und einen Deckel aufweist. Dabei ist der Deckel mit dem Gehäuse über mehrere Schlitze und entsprechend ausgebildete
Vorsprünge verbunden, um ein Lösen des Deckels vom Gehäuse bzw. eine Zerstörung der Verbindung zwischen den beiden Elementen zu verhindern. Ein derartiger Aufbau ist jedoch nicht für einen gefrierresistenten Drucksensor geeignet.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße gefrierresistente Drucksensor mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass ein elastisch nachgiebiges Ausgleichselement im Druckmessraum angeordnet ist. Dadurch wird sichergestellt, dass bei einem Gefrieren des Fluids im Druckmessraύm sich dieses infolge des Vorhandenseins des elastisch nachgiebigen Ausgleichelements im Druckmessraum ausdehnen kann, ohne dass eine Druckmesszelle des Drucksensors zerstört bzw. beschädigt werden kann. Bei einer normalen Druckbeaufschlagung, d.h. wenn das Fluid im Druckmessraum nicht gefroren ist, hat das elastisch nachgiebige Ausgleichselement keine Funktion. Der Druck breitet sich gleichmäßig bis zur Druckmesszelle aus. Wenn nun das
Druckmedium einfriert, kann sich kein bzw. höchstens ein sehr geringer Überdruck einstellen, da das elastisch nachgiebige Element der Völumenausdehnung nachgibt und somit eine Volumenausdehnung des Druckmediums aufnimmt . Daher kann eine Beschädigung der Druckmesszelle bzw. des Gehäuses des Drucksensors verhindert werden.
Vorzugsweise weist das elastisch nachgiebige
Ausgleichselement selbst elastische Eigenschaften auf. Dabei kann beispielsweise das elastisch nachgiebige Element aus
Gummi oder einem Schaumstoff hergestellt sein, oder als eine elastisch verformbare Membrandose ausgeführt sein.
Vorzugsweise ist das elastisch nachgiebige Ausgleichselement als elastische Platte ausgeführt.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist das elastisch nachgiebige Ausgleichselement elastisch gelagert. Dabei ist es beispielsweise möglich, dass die elastische Lagerung durch eine elastisch eingeklebte Platte gebildet wird. Hierbei wird beispielsweise eine feste Platte im Inneren des Drucksensorgehäuses mittels eines Klebstoffes befestigt, welcher auch nach dem Aushärten elastische Eigenschaften aufweist. Um hierbei eine ausreichende Nachgiebigkeit der elastisch eingeklebten Platte sicherzustellen, sollte noch zusätzlich zwischen der elastisch eingeklebten Platte und der Gehäusewand ein mit einem Gas gefüllter Hohlraum vorhanden sein, welcher zur Aufnahme der Volumenvergrößerung geeigent ist .
Vorzugsweise ist das elastisch nachgiebige Ausgleichselement nur eine über eine Feder gelagerte Platte . Hierbei sollte die Feder nur eine geringe Federkraft besitzen, um eine ausreichende Expansion des Fluids beim Gefrieren im Druckmessraum zu ermöglichen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist das elastisch nachgiebige Ausgleichselement als eine elastische Gehäusewand ausgeführt. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass ein Teil der Gehäusewand eine geringere Dicke als der Rest der Gehäusewand aufweist. Somit lässt sich ein gefrierresistenter Drucksensor besonders einfach und mit geringen Kosten herstellen.
Vorteilhaft ist das elastisch nachgiebige Ausgleichselement als eine im Gehäuse integrierte elastische Platte ausgeführt. Die Größe der elastischen Platte kann dabei entsprechend der bereitzustellenden Volumenvergrößerung dimensioniert werden. Vorzugsweise ist das im Drucksensorgehäuse befindliche Medium Wasser.
Um einen zusätzlichen Schutz der Druckmesszelle zu gewährleisten, kann die Druckmesszelle z.B. in Dickschicht- technik ausgeführt sein. Weiterhin ist es auch möglich, dass die Druckmesszelle mit einer Schutzschicht versehen ist. Erfindungsgemäß ist es weiterhin möglich, dass der Drucksensor z.B. als Absolutdrucksensor oder auch als Differenzdrucksensor ausgeführt ist .
Zeichnung
In der Zeichung sind zwei Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert .
Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen gefrierresistenten Drucksensors und
Figur 2 zeigt einen Querschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen gefrierresistenten Drucksensors.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Der Aufbau der Drucksensoren in den Figuren 1 und 2 ist nicht maßstäblich gezeichnet, um ein besseres Erfassen der vorliegenden Erfindung zu ermöglichen.
In Figur 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen gefrierresistenten Drucksensors gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Der Drucksensor umfasst ein Gehäuse 9, eine Druckmesszelle 2 und eine Trägerplatte 3. Die Messzelle 2 ist auf der Trägerplatte 3 befestigt und ist im Inneren eines Druckmessraums 10 angeordnet. Hierbei ist die Trägerplatte 3 fest mit dem Gehäuse 9 verbunden. Weiter weist der Drucksensor gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel einen Druckstutzen 4 auf, welcher mit dem Druckmessraum 10 in Verbindung steht und über den ein Druckmedium wie z.B. Harnstoff in den Druckmessraum 10 zugeführt werden kann.
Weiter ist im Druckmessraum 10 ein z.B. aus Gummi oder einem Schaumstoff hergestelltes elastisch nachgiebiges Ausgleichselement 1 angeordnet. Wie in Figur 1 gezeigt, ist das elastisch nachgiebige Ausgleichselement 1 direkt an der Wand des Gehäuses 9 z.B. mittels Kleben befestigt. Hierbei liegt die Druckmesszelle 2 dem elastisch nachgiebigen Ausgleichselement 1 direkt gegenüber. Dies ist eine besonders vorteilhafte Anordnung der Druckmesszelle 2 und des elastisch nachgiebigen Ausgleichselements 1 zueinander, um Beschädigungen der Druckmesszelle 2 zu verhindern.
Um die von der Druckmesszelle 2 aufgenommene Drücke weiter zu verarbeiten, ist die Trägerplatte 3 über eine elektrische Verbindung 5 mit einem Stecker 6 verbunden, über den dann die aufgenommenen Werte z.B. einer Steuer- und/oder Auswerteeinheit zugeführt werden können. Auch werden die Versorgung- und die SignalSpannung über die elektrische
Verbindung 5 von der Trägerplatte 3 zum bzw. vom Stecker 6 geleitet .
Wenn nun das im Druckmessraum 10 vorhandene Druckmedium einfriert, gibt das elastisch nachgiebige Ausgleichselement 1 nach und wird zusammengedrückt . Dadurch vergrößert sich das Volumen des Druckmessraums 10, sodass die Ausdehnung des Druckmediums infolge des Gefrierens kompensiert werden kann. Daher wird die Druckmesszelle 2 beim Gefrieren des Druckmediums im Druckmessraum 10 nicht beschädigt. Hierbei kann auch ein sehr geringer Überdruck im Druckmessraum 10 während des Gefrierens auftreten, ohne das die Druckmesszelle 2 beschädigt wird. In Figur 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen gefrierresistenten Drucksensors dargestellt. Gleiche Teile sind mit dem gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet .
Im Gegensatz zu dem gefrierresistenten Drucksensor des ersten Ausführungsbeispiels ist beim zweiten Aus- führungsbeispiel als elastisch nachgiebiges Ausgleichs- element eine elastisch eingeklebte Platte 7 vorgesehen. Die Platte 7 ist derart in einem inneren Hohlraum des Gehäuses 9 eingeklebt, dass im Gehäuse 9 neben dem Druckmessraum 10 noch ein weiterer Hohlraum 11 entsteht . Hierbei wird die Platte 7 mittels eines auch nach dem Aushärten elastischen Klebers an ihrem gesamten Umfang in das Gehäuse 9 eingeklebt. Dadurch entsteht der Hohlraum 11, welcher mit einem Gas, z.B. Luft gefüllt ist. Durch das Einkleben ist der Hohlraum 11 gegebenüber dem Druckmessraum 10 abgedichtet .
Somit besteht das elastisch nachgiebige Ausgleichselement beim zweiten Ausgangsbeispiel aus der Platte 7 sowie der elastischen Lagerung 8, welche durch den Klebstoff bereitgestellt wird.
Wenn nun ein im Druckmessraum 10 vorhandenes Druckmedium gefriert, wird die elastisch eingeklebte Platte 7 infolge ihrer elastischen Lagerung etwas in den Hohlraum 11 hineinbewegt, wodurch sich das Volumen des Hohlraums 11 verkleinert . Da im Hohlraum 11 ein gasförmiges Medium vorhanden ist, ist diese Volumenverkleinerung ohne weiteres möglich. Dadurch kann die beim Gefrieren des Druckmediums im Druckmessraum 10 auftretende Volumenvergrößerung ausgeglichen werden. Somit wird die im Druckmessraum 10 angeordnete Druckmesszelle 2 nicht beschädigt . Zusammenfassend wurde insoweit ein gefrierresistenter Drucksensor beschrieben, welcher ein Drucksensorgehäuse 9, das einen Druckmessraum 10 umschließt, und eine Druckmess- zelle 2 umfasst. Weiter ist ein elastisch nachgiebiges Ausgleichselement 1, 7, 8 vorgesehen, welches im Druckmessraum 10 angeordnet ist.
Die vorhergehende Beschreibung der Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihre Äquivalente zu verlassen.

Claims

Ansprüche
1. Gefrierresistenter Drucksensor umfassend:
- ein Drucksensorgehäuse (9) , welches einen
Druckmessraum (10) umschließt,
eine Druckmesszelle (2) und
- ein elastisch nachgiebiges Ausgleichselement (1; 7,
8) welches im Druckmessraum (10) angeordnet ist.
2. Gefrierresistenter Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elastisch nachgiebige Ausgleichselement (1) selbst elastische Eigenschaften auf eist .
3. Gefrierrestistenter Drucksensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das elastisch nachgiebige Ausgleichs- element aus Gummi, Schaumstoff oder einer elastisch verformbaren Membrandose ausgeführt ist.
4. Gefrierrestistenter Drucksensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das elastisch nachgiebige Ausgleichs- element (1) als elastische Platte ausgeführt ist.
5. Gefrierresistenter Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elastisch nachgiebige Ausgleichs- element elastisch gelagert ist.
6. Gefrierresistenter Drucksensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das elastisch nachgiebige Ausgleichselement als elastisch eingeklebte Platte (7) ausgebildet ist.
7. Gefrierresistenter Drucksensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das elastisch nachgiebige Ausgleichselement als eine über eine Feder gelagerte Platte ausgeführt ist .
8. Gefrierresistenter Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elastisch nachgiebige Ausgleichs- element als eine elastische Gehäusewand ausgebildet ist.
9. Gefrierrestistenter Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elastisch nachgiebige Ausgleichselement als eine im Gehäuse integrierte elastische Platte ausgebildet ist .
10. Gefrierresistenter Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckmesszelle (2) in Dickschichttechnik ausgeführt ist oder dass die Druckmesszelle (2) eine Schutzschicht aufweist.
EP01940174A 2000-05-13 2001-04-19 Gefrierresistenter drucksensor Withdrawn EP1285247A1 (de)

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