EP3765829A1 - DIFFERENZDRUCKSENSOR ZUM BESTIMMEN EINER DIFFERENZDRUCKGRÖßE - Google Patents

DIFFERENZDRUCKSENSOR ZUM BESTIMMEN EINER DIFFERENZDRUCKGRÖßE

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Publication number
EP3765829A1
EP3765829A1 EP19705516.3A EP19705516A EP3765829A1 EP 3765829 A1 EP3765829 A1 EP 3765829A1 EP 19705516 A EP19705516 A EP 19705516A EP 3765829 A1 EP3765829 A1 EP 3765829A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pressure
differential pressure
piezoelectric layer
differential
diaphragm
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Withdrawn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
EP19705516.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Patrick Doria
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.)
Endress and Hauser SE and Co KG
Original Assignee
Endress and Hauser SE and Co KG
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 Endress and Hauser SE and Co KG filed Critical Endress and Hauser SE and Co KG
Publication of EP3765829A1 publication Critical patent/EP3765829A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L13/00—Devices or apparatus for measuring differences of two or more fluid pressure values
    • G01L13/02—Devices or apparatus for measuring differences of two or more fluid pressure values using elastically-deformable members or pistons as sensing elements
    • G01L13/025—Devices or apparatus for measuring differences of two or more fluid pressure values using elastically-deformable members or pistons as sensing elements using diaphragms
    • 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
    • G01L19/0007—Fluidic connecting means
    • G01L19/0046—Fluidic connecting means using isolation membranes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/008—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using piezoelectric devices

Definitions

  • Differential pressure sensor for determining a differential pressure magnitude
  • the invention relates to a differential pressure sensor for determining a differential pressure magnitude.
  • Differential pressure sensors are used to detect differential pressures and are used in industrial metrology. There they become, for example, the
  • Level measurement or used for flow measurement.
  • level measurement for example, the difference between a first pressure acting down in a container and a second pressure prevailing above the contents is measured. The difference is proportional to a level-dependent hydrostatic pressure in the tank and thus to the level.
  • flow measurement for example, a flow resistance is used in a line and by means of a
  • Differenz horrinsetz a difference of a prevailing before the resistance first high pressure side pressure and a prevailing behind the resistance second low pressure side pressure determined. This differential pressure is a measure of the flow through the pipe.
  • semiconductor differential pressure transducers e.g. Silicon chips with doped resistive elements, used as pressure-sensitive elements.
  • Corresponding differential pressure transducers typically have a measuring diaphragm, one side of which is subjected to a first pressure during measuring operation and the second side to a second pressure. The acting pressures cause a resulting deflection of the measuring diaphragm, which corresponds to the differential pressure to be measured.
  • Semiconductor pressure transducers are usually very sensitive and therefore are not directly exposed to a medium whose pressure is to be absorbed. Instead, be with one
  • hydraulic path is connected to a pressure chamber into which the
  • Differential pressure transducer is arranged such that a first side of the
  • Measuring diaphragm is supplied to the voltage applied to this separation membrane pressure.
  • Pressure receiving chamber supplied via the means of a second hydraulic path of the pressure applied to this separation membrane pressure of a second side of the measuring membrane becomes. Based on the two supplied pressures can thus determine the differential pressure transducer, the differential pressure transducer.
  • Differential pressure sensors designed so that they in addition to the differential pressure transducer for determining the differential pressure and an absolute pressure transducer for
  • a disadvantage of this variant is that the integration of two pressure transducers, the construction and connection technology is complicated and thus expensive. Also, in this variant, an increased amount of transfer fluid is needed because both pressure transducers the appropriate pressure must be supplied. An increased amount of transmission fluid in turn has the disadvantage that the
  • the differential pressure sensor according to claim 1 for determining a differential pressure variable comprises:
  • a differential pressure transducer with a measuring diaphragm and a circuit for converting a pressure-dependent deformation of the measuring diaphragm into the differential pressure variable
  • Transmission fluid filled pressure chamber is located, in which a filler body is arranged with a recess to cavities between walls of the
  • Differential pressure transducer is acted upon on a first measuring diaphragm side with the first pressure, wherein via the second hydraulic path a second diaphragm side measurement at the second opening is acted upon by the second pressure, so that the deformation of the diaphragm represents the differential pressure magnitude between the first pressure and the second pressure, wherein within the pressure chamber, a piezoelectric layer for determining a
  • Absolute pressure size of the first pressure is provided. According to the invention, it is therefore proposed that a piezoelectric layer is introduced within the pressure chamber so that the absolute pressure magnitude of the first pressure prevailing in the pressure chamber or the so-called static pressure of the medium can be determined.
  • the first pressure is understood to mean the pressure of the high-pressure side, the absolute pressure magnitude of which is accordingly also determined.
  • the invention is independent of whether the first pressure now represents the pressure of the high pressure side or the pressure of the low pressure side.
  • Piezoelectric layers have the advantage over the variant known from the prior art that they are easier to integrate and, since these materials can also be produced today by semiconductor processes, are at the same time also more favorable. Although it is not possible to achieve a precise measurement nowadays, as is possible, for example, with an absolute pressure transducer manufactured especially for this purpose, the precision already achieved today for determining the static pressure or the absolute pressure magnitude by means of the piezoelectric layer is sufficient. Differential pressure sensors according to the invention also offer the advantage that they manage with less transmission fluid, since no additional pressure transducer is needed. In addition, it is possible in the differential pressure sensors according to the invention to reduce the size in comparison to the known from the prior art two-chip variants.
  • An advantageous embodiment of the differential pressure sensor according to the invention provides that the piezoelectric layer is at least partially applied to at least one wall of the pressure chamber and / or the filling body.
  • a further advantageous embodiment of the differential pressure sensor according to the invention provides that between the wall of the pressure chamber or the packing and the piezoelectric layer, a first electrically conductive layer for deriving a first electrical signal of a first side of the piezoelectric layer is applied, wherein the piezoelectric layer on the electrically conductive layer is applied and the electrically conductive layer is exposed at least in sections, so that over at least one contacting surface, the first electrical signal of the first side of the piezoelectric layer is derivable.
  • Differential pressure sensor provides that a second electrical layer for deriving a second electrical signal of a second side of the piezoelectric layer is applied to the piezoelectric layer, wherein the second electrical signal is derived via bonding wires which are fixed on the second electrical layer.
  • the filler has an electrically non-conductive material, in particular a glass, a plastic, a ceramic.
  • a further advantageous embodiment of the differential pressure sensor according to the invention provides that the piezoelectric layer substantially completely covers the wall of the pressure chamber or the filling body.
  • a further advantageous embodiment of the differential pressure sensor according to the invention provides an evaluation unit, which is supplied with the first and second electrical signal and which is adapted to determine the absolute pressure magnitude of the first pressure based on the first and second electrical signal.
  • Differential pressure sensor provides that in the case that the piezoelectric layer, the side wall of the pressure chamber is at least partially covered or applied to an insulating layer between the wall and the piezoelectric layer is provided.
  • FIG. 2 shows a first embodiment of a carrier body of a differential pressure sensor according to the invention
  • FIG. 3 shows a second embodiment of a carrier body of a differential pressure sensor according to the invention
  • 4 shows an exemplary partial layer structure of an inventive
  • Fig. 1 shows a section through a known from the prior art construction of a differential pressure sensor.
  • This comprises a pressure transmitter 30 with a constructed of several parts diaphragm seal body 31 a, 31 b, 31 c and a
  • Differential pressure transducer 20 and an absolute pressure transducer 70 which are both formed as a semiconductor pressure transducer.
  • the diaphragm seal body 31 comprises in the example shown in FIG.
  • Substantially massive block 31 a made of a metal, in particular of a steel or stainless steel, and a carrier body 31 b which serves as a carrier for the two pressure transducer 20, 70.
  • the massive block 31 a has on a side surface a first
  • T rennmembran 37 a on and on a side surface opposite the first side surface also a first separation membrane 37 b.
  • Separating diaphragms 37a and 37b respectively close a first pressure-receiving chamber 38a, 38b integrated externally in the solid block.
  • first pressure-receiving chamber 38a, 38b integrated externally in the solid block.
  • Both pressures p1 and p2 are shown by an arrow in FIG. 1 by way of example.
  • the two pressures p1 and p2 are each fed via a first or a second hydraulic path 34a, 34b to the two pressure transducers 20, 70.
  • the first hydraulic path 34a extends from a first opening 35a of the first pressure-receiving chamber 38a through the solid block 31a via a capillary tube system 31c to a second opening 36a in the first
  • the first hydraulic path 34a thus opens into a pressure chamber 32 integrated in the carrier body 31b, which feeds the first pressure p1 of a front side 21a to a measuring diaphragm 21 of the differential pressure transducer 20.
  • Both the pressure chamber 32 and the first hydraulic path 34 a are filled with a transfer liquid 39 to transfer the corresponding pressure.
  • the differential pressure sensor 1 also has a filling body 33 introduced into the pressure chamber 32. Through the filling body 33 cavities between walls of the pressure chamber and the pressure transducers 20, 70, which are each embedded in a recess of the filling body 33, filled.
  • the second hydraulic path 34b extends from the first opening 35b of the first pressure-receiving chamber 38b again through the solid block 31a via
  • Capillary tube system 31 c to a second opening 36 b in the carrier body 31 b.
  • the second opening 36b is provided in such a manner in the carrier body 31b that the second pressure p2 transmitted via the second hydraulic path 34b is fed to a rear side 21b of the measuring diaphragm 21 of the differential pressure transducer 20.
  • the second hydraulic path 34b is likewise filled with the transfer fluid 39.
  • the measuring diaphragm 21 undergoes a pressure-dependent deflection.
  • the pressure-dependent deflection can in turn be detected metrologically, for example by piezoresistive elements integrated in the measuring diaphragm 21, so that a differential pressure variable can be determined by a circuit 22 for converting the pressure-dependent deflection.
  • the piezoresistive elements and capacitive elements for metrological detection of the pressure-dependent deflection can be used.
  • the first pressure p1 is also guided to a front side 71 a of a measuring diaphragm 71 of the absolute pressure transducer, so that the
  • Measuring diaphragm 71 also experiences a dependent of the first pressure p1 deflection, which in turn can be detected by measurement to determine an absolute pressure measurement variable.
  • Pressure transducer 20, 70 an increased effort in terms of construction
  • both pressure transducers which are usually designed as a semiconductor pressure transducer, must be introduced into the packing. That they must be placed accordingly, aligned and then fixed, for example glued.
  • both pressure transducers when placing the pressure transducers to each other and possible distance requirements with regard to Ex-protective measures are observed. But not only the construction and connection technology suffers under such a structure, and the pressure chamber must be dimensioned correspondingly large that both
  • Fig. 2 shows a first embodiment of a carrier body 31 b of a
  • the differential pressure sensor does not have an absolute pressure transducer in the form of a semiconductor component. Rather, in the pressure chamber of the T räger stresses integrated packing has a piezoelectric layer 40 for determining the first pressure p1.
  • the piezoelectric layer 40 is applied essentially over the whole area on a side surface or wall of the filling body.
  • a first electrically conductive layer 50 is provided which has been applied to the side surface or wall of the filling body 33 before the application of the piezoelectric layer 40.
  • the first electrically conductive layer 50 has at least one sectionally defined projection as the contacting surface 51.
  • the supernatant may, as shown in FIG. 2, be designed in such a way that both layers are substantially circular, wherein the piezoelectric layer 40 has a smaller diameter than the first electrically conductive layer 50, so that an edge region as a projection and thus as Contact surface 51 arises.
  • the edge region is shown in FIG. 2 by way of example by the dashed circle.
  • the first electrically conductive layer 50 may have a further section-wise exposed projection, which is designed such that it does not protrude on all sides, as is the case with the circular projection, beyond the piezoelectric layer, but only in a locally limited area ,
  • bond wires for electrical contacting can be fixed to the contacting surface 51, so that the first electrical signal of a first side
  • a second electrical signal may be derived by:
  • the first and second electrical signal is an evaluation unit 70, in particular a correspondingly equipped microprocessor supplied, which is adapted to determine based on the first and second electrical signal, an absolute pressure variable of the first pressure p1 or a so-called static pressure pstat of the medium.
  • the evaluation unit 70 can be designed, for example, as part of the circuit 20 for converting the pressure-dependent deformation of the measuring diaphragm or separately therefrom.
  • Fig. 3 shows a second embodiment of a carrier body of a
  • the piezoelectric layer 40 is substantially not applied over the entire surface on a side surface or wall of the packing, but rather only partially or partially the side surface or wall of the packing covered.
  • Both Fig. 2 and Fig. 3 each show the covering of a wall of the filling body 33.
  • the piezoelectric layer 40 at least partially covers a side wall of the pressure chamber 32, which is not a wall of the filling body 33.
  • an insulating layer may be provided between the side wall and the piezoelectric layer.
  • the invention also does not exclude that the piezoelectric layer partially covers both a wall of the pressure chamber 32 and partially a wall of the filling body 33.
  • the piezoelectric layer partially covers both a wall of the pressure chamber 32 and partially a wall of the filling body 33.
  • Fig. 4 shows an exemplary partial layer structure of a differential pressure sensor according to the invention to illustrate a possibility of electrical
  • the layer structure shown in Fig. 4 comprises the first serving as a first electrode electrically conductive layer 50 which is disposed on the wall of the support body 31 b, the piezoelectric layer arranged thereon 40 and a second serving as a second electrode electrically conductive layer 53.
  • the first electrically conductive layer 50 has at least one sectionally defined projection serving as the contacting surface 51. The supernatant is, contrary to the example shown in FIG. 2, designed in such a way that the
  • Recess 54 so that the first electrically conductive layer 50 is at least partially exposed.
  • Other variants not shown in FIG. 4 for exposing the first electrically conductive layer in sections are, for example, holes which are located in the two layers 40, 53.

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Abstract

Differenzdrucksensor (1) zum Bestimmen einer Differenzdruckgröße, umfassend: -einen Differenzdruckmesswandler (20) mit einer Messmembran (21) und einer Schaltung (22) zum Wandeln einer druckabhängigen Verformung der Messmembran (21) in die Differenzdruckgröße, -einen Druckmittler (30) mit einem Druckmittlerkörper (31) in dem sich eine mit einer Übertragungsflüssigkeit (39) gefüllte Druckkammer (32) befindet, in der ein Füllkörper (33) mit einer Aussparung angeordnet ist, um Hohlräume zwischen Wänden der Druckkammer (32) und dem in der Aussparung angeordneten Differenzdruckmesswandler (20) auszufüllen, wobei der Differenzdruckmesswandler auf einer ersten Messmembranseite (21a) mit dem ersten Druck und eine zweite Messmembranseite (21b) mit dem zweite Druck (p2)beaufschlagt ist, so dass die Verformung der Messmembran die Differenzdruckgröße zwischen dem ersten Druck (p1) und dem zweiten Druck (p2) repräsentiert, wobei innerhalb der Druckkammer (32) eine piezoelektrische Schicht (40) zur Bestimmung einer Absolutdruckgröße des ersten Drucks (p1) vorgesehen ist.

Description

Differenzdrucksensor zum Bestimmen einer Differenzdruckgröße
Die Erfindung bezieht sich auf einen Differenzdrucksensor zum Bestimmen einer Differenzdruckgröße.
Differenzdrucksensoren dienen zur Erfassung von Differenzdrücken und werden in der industriellen Messtechnik eingesetzt. Dort werden sie beispielsweise zur
Füllstandsmessung oder zur Durchflussmessung verwendet. Bei der Füllstandsmessung wird beispielsweise die Differenz zwischen einem unten in einem Behälter wirkenden ersten Druck und einem oberhalb des Füllguts herrschenden zweiten Druck gemessen. Die Differenz ist proportional zu einem füllstands-abhängigen hydrostatischen Druck im Behälter und damit zum Füllstand. Bei der Durchflussmessung wird beispielsweise ein Strömungswiderstand in eine Leitung eingesetzt und mittels eines
Differenzdruckmessaufnehmers eine Differenz eines vor dem Widerstand herrschenden ersten hochdruckseitigen Druck und eines hinter dem Widerstand herrschenden zweiten niederdruckseitigen Druck ermittelt. Dieser Differenzdruck ist ein Maß für den Durchfluss durch die Leitung.
In der Druckmesstechnik werden gerne so genannte Halbleiter- Differenzdruckmesswandler, z.B. Silizium-Chips mit eindotierten Widerstandselementen, als druckempfindliche Elemente eingesetzt. Entsprechende Differenzdruckmesswandler weisen typischer Weise eine Messmembran auf, deren eine Seite im Messbetrieb einem ersten Druck und deren zweite Seite einem zweiten Druck ausgesetzt wird. Die einwirkenden Drücke bewirken eine resultierende Auslenkung der Messmembran, die dem zu messenden Differenzdruck entspricht. Halbleiter-Druckmesswandler sind für gewöhnlich sehr empfindlich und werden deshalb nicht direkt einem Medium ausgesetzt, dessen Druck aufgenommen werden soll. Stattdessen werden mit einer
Übertragungsflüssigkeit gefüllte Druckmittler vorgeschaltet. Druckmittler weisen hierzu regelmäßig einen massiven, typischerweise mehrteiligen Druckmittlerkörper auf, auf dem außenseitlich zwei zueinander parallel und
gegenüberliegende Trennmembrane angeordnet sind. Dabei schließt eine der
Trennmembrane eine erste Druckempfangskammer ab, die über einen ersten
hydraulischen Pfad mit einer Druckkammer verbunden ist, in die der
Differenzdruckmesswandler derartig angeordnet ist, dass einer ersten Seite der
Messmembran der an dieser Trennmembran anliegende Druck zugeführt ist.
Entsprechend schließt die andere der Trennmembrane eine zweite
Druckempfangskammer ab, über die mittels eines zweiten hydraulischen Pfads der an dieser Trennmembran anliegende Druck einer zweiten Seite der Messmembran zugeführt wird. Anhand der beiden zugeführten Drücke kann somit der Differenzdruckmesswandler die Differenzdruckgröße bestimmen.
Immer häufiger ist es jedoch erwünscht, dass neben der Differenzdruckgröße auch ein sogenannter statischer Druck des Mediums ermittelt wird. Hierfür werden die
Differenzdrucksensoren so ausgestaltet, dass sie neben dem Differenzdruckmesswandler zum Bestimmen des Differenzdruckes auch einen Absolutdruckmesswandler zum
Bestimmen eines absoluten Drucks einer der beiden an der Trennmembran anliegenden Drücke aufweisen.
Nachteilig an dieser Variante ist, dass durch die Integration zweier Druckmesswandler die Aufbau- und Verbindungstechnik kompliziert und somit kostspielig wird. Ebenfalls wird bei dieser Variante eine erhöhte Menge an Übertragungsflüssigkeit benötigt, da beiden Druckmesswandler der entsprechende Druck zugeführt werden muss. Eine erhöhte Menge an Übertragungsflüssigkeit wiederum hat den Nachteil, dass die
Messperformance des Drucksensors, insbesondere hinsichtlich der
Differenzdruckbestimmung, beeinträchtigt wird.
Es ist somit eine Aufgabe der Erfindung, einen Differenzdrucksensor vorzuschlagen, der sowohl eine Differenzdruckgröße als auch eine Absolutdruckgröße ermitteln kann und der kostengünstig herstellbar ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Differenzdrucksensor gemäß Patentanspruch 1. Der erfindungsgemäße Differenzdrucksensor zum Bestimmen einer Differenzdruckgröße umfasst:
einen Differenzdruckmesswandler mit einer Messmembran und einer Schaltung zum Wandeln einer druckabhängigen Verformung der Messmembran in die Differenzdruckgröße,
- einen Druckmittler mit einem Druckmittlerkörper in dem sich eine mit einer
Übertragungsflüssigkeit gefüllte Druckkammer befindet, in der ein Füllkörper mit einer Aussparung angeordnet ist, um Hohlräume zwischen Wänden der
Druckkammer und dem in der Aussparung angeordneten
Differenzdruckmesswandler auszufüllen, wobei sich ein erster und ein zweiter hydraulischer Pfad jeweils zwischen einer ersten Öffnung und einer zweiten
Öffnung durch den Druckmittlerkörper erstrecken, wobei die ersten Öffnungen jeweils mit einer ersten Trennmembran verschlossen sind, die mit einem ersten Druck bzw. einem zweiten Druck beaufschlagbar sind, um den ersten Druck in den ersten hydraulischen Pfad und den zweiten Druck in den zweiten
hydraulischen Pfad einzuleiten, wobei der erste hydraulische Pfad an der zweiten Öffnung in der Druckkammer mündet, so dass die Messmembran des
Differenzdruckmesswandlers auf einer ersten Messmembranseite mit dem ersten Druck beaufschlagt ist, wobei über den zweiten hydraulische Pfad eine zweite Messmembranseite an der zweiten Öffnung mit dem zweite Druck beaufschlagt ist, so dass die Verformung der Messmembran die Differenzdruckgröße zwischen dem ersten Druck und dem zweiten Druck repräsentiert, wobei innerhalb der Druckkammer eine piezoelektrische Schicht zur Bestimmung einer
Absolutdruckgröße des ersten Drucks vorgesehen ist. Erfindungsgemäß wird also vorgeschlagen, dass eine piezoelektrische Schicht innerhalb der Druckkammer eingebracht wird, so dass sich die Absolutdruckgröße des in der Druckkammer herrschenden ersten Drucks bzw. der sogenannte statische Druck des Mediums bestimmen lässt. Für gewöhnlich wird unter dem ersten Druck der Druck der Hochdruckseite verstanden, dessen Absolutdruckgröße dementsprechend auch bestimmt wird. Die Erfindung ist jedoch losgelöst davon, ob der erste Druck nun den Druck der Hochdruckseite repräsentiert oder den Druck der Niederdruckseite.
Piezoelektrische Schichten haben gegenüber der aus dem Stand der Technik bekannten Variante den Vorteil, dass sie einfacher zu integrieren sind und, da diese Materialien heutzutage auch durch Halbleiterprozesse hergestellt werden können, gleichzeitig auch noch günstiger sind. Zwar ist heutzutage eine präzise Messung, wie es beispielsweise mit einem extra für diesen Zweck hergestellten Absolutdruckmesswandler möglich ist, noch nicht erzielbar, trotzdem reicht die bereits heute erreichte Präzision zur Bestimmung des statischen Drucks bzw. der Absolutdruckgröße mittels der piezoelektrische Schicht aus. Erfindungsgemäße Differenzdrucksensoren bieten ferner den Vorteil, dass sie mit weniger Übertragungsflüssigkeit auskommen, da kein zusätzlicher Druckmesswandler benötigt wird. Darüber hinaus ist bei den erfindungsgemäßen Differenzdrucksensoren möglich, die Baugröße im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten zwei Chip Varianten zu verringern.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Differenzdrucksensors sieht vor, dass die piezoelektrische Schicht zumindest teilweise auf zumindest einer Wand der Druckkammer und/oder des Füllkörpers aufgebracht ist. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Differenzdrucksensors sieht vor, dass zwischen die Wand der Druckkammer oder des Füllkörpers und der piezoelektrischen Schicht eine erste elektrisch leitfähige Schicht zum Ableiten eines ersten elektrischen Signals einer ersten Seite der piezoelektrischen Schicht aufgebracht ist, wobei die piezoelektrische Schicht auf die elektrisch leitfähige Schicht aufgebracht ist und die elektrisch leitfähige Schicht zumindest abschnittsweise freigelegt ist, so dass über zumindest eine Kontaktierungsfläche das erste elektrische Signal der ersten Seite der piezoelektrischen Schicht ableitbar ist.
Wiederum eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Differenzdrucksensors sieht vor, dass eine zweite elektrische Schicht zum Ableiten eines zweiten elektrischen Signals einer zweiten Seite der piezoelektrischen Schicht auf die piezoelektrische Schicht aufgebracht ist, wobei das zweite elektrische Signal über Bonddrähte, die auf der zweiten elektrischen Schicht fixiert sind, abgeleitet ist. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Differenzdrucksensors sieht vor, dass der Füllkörper ein elektrisch nicht leitfähiges Material, insbesondere ein Glas, ein Kunststoff, eine Keramik, aufweist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Differenzdrucksensors sieht vor, dass die piezoelektrische Schicht die Wand der Druckkammer oder des Füllkörpers im Wesentlichen vollständig bedeckt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Differenzdrucksensors sieht eine Auswerteeinheit vor, der das erste und zweite elektrische Signal zugeführt ist und die dazu eingerichtet ist, anhand des ersten und zweiten elektrischen Signals die Absolutdruckgröße des ersten Drucks zu bestimmen.
Wiederum eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Differenzdrucksensors sieht vor, dass in dem Fall, dass die piezoelektrische Schicht die Seitenwand der Druckkammer zumindest teilweise bedeckt bzw. auf diese aufgebracht ist, eine Isolationsschicht zwischen der Wand und der piezoelektrischen Schicht vorgesehen ist.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 : einen Schnitt durch einen aus dem Stand der Technik bekannten Aufbau eines Differenzdrucksensors,
Fig. 2: eine erstes Ausführungsbeispiel eines Trägerkörpers eines erfindungsgemäßen Differenzdrucksensors,
Fig. 3: eine zweites Ausführungsbeispiel eines Trägerkörpers eines erfindungsgemäßen Differenzdrucksensors, und Fig. 4 einen exemplarischen teilweisen Schichtaufbau eines erfindungsgemäßen
Differenzdrucksensors.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen aus dem Stand der Technik bekannten Aufbau eines Differenzdrucksensors. Dieser umfasst einen Druckmittler 30 mit einem aus mehreren Teilen aufgebauten Druckmittlerkörper 31 a, 31 b, 31 c und einen
Differenzdruckmesswandler 20 sowie einen Absolutdruckmesswandler 70, die beide als Halbleiterdruckmesswandler ausgebildet sind. Der Druckmittlerkörper 31 umfasst in dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel einen im
Wesentlichen massiven Block 31 a aus einem Metall, insbesondere aus einem Stahl oder Edelstahl, und einen Trägerkörper 31 b der als Träger für die beiden Druckmeswandler 20, 70 dient. Der massive Block 31 a weist auf einer Seitenfläche eine erste
T rennmembran 37a auf und auf einer der ersten Seitenfläche gegenüberliegenden Seitenfläche ebenfalls eine erste Trennmembran 37b auf. Die beiden ersten
Trennmembrane 37a und 37b schließen jeweils eine außenseitlich in den massiven Block integrierte erste Druckempfangskammer 38a, 38b ab. Im eigentlichen Messbetrieb wirkt auf die von dem massiven Block 31 a abgewandte Seite der ersten Trennmembran 37a ein erster Druck p1 bzw. auf die von dem massiven Block 31 a abgewandte Seite der anderen ersten Trennmembran 37b ein zweiter Druck p2. Beide Drücke p1 und p2 sind in Fig. 1 exemplarisch durch einen Pfeil dargestellt. Die beiden Drücke p1 und p2 werden jeweils über einen ersten bzw. einen zweiten hydraulischen Pfad 34a, 34b zu den beiden Druckmesswandler 20, 70 geführt. Hierzu erstreckt sich der erste hydraulische Pfad 34a von einer ersten Öffnung 35a der ersten Druckempfangskammer 38a durch den massiven Block 31 a über ein Kapillarrohrsystem 31 c zu einer zweiten Öffnung 36a in dem
Trägerkörper 31 b. Über die zweite Öffnung 36a mündet der erste hydraulische Pfad 34a somit in einer in dem Trägerkörper 31 b integrierten Druckkammer 32, die den ersten Druck p1 einer Vorderseite 21 a einer Messmembran 21 des Differenzdruckmesswandlers 20 zuführt. Sowohl die Druckkammer 32 als auch der erste hydraulische Pfad 34a sind zum Übertragen des entsprechenden Drucks mit einer Übertragungsflüssigkeit 39 gefüllt.
Um das Volumen der Übertragungsflüssigkeit 39 in der Druckkammer 32 möglichst gering zu halten, weist der Differenzdrucksensor 1 ferner einen in die Druckkammer 32 eingebrachten Füllkörper 33 auf. Durch den Füllkörper 33 werden Hohlräume zwischen Wänden der Druckkammer und den Druckmesswandlern 20, 70, die jeweils in eine Aussparung des Füllkörpers 33 eingelassen sind, ausgefüllt.
Der zweite hydraulische Pfad 34b erstreckt sich von der ersten Öffnung 35b der ersten Druckempfangskammer 38b wiederum durch den massiven Block 31 a über ein
Kapillarrohrsystem 31 c zu einer zweiten Öffnung 36b in dem Trägerkörper 31 b. Die zweite Öffnung 36b ist dabei derartig in dem Trägerkörper 31 b vorgesehen, dass der über den zweiten hydraulischen Pfad 34b übertragene zweite Druck p2 einer Rückseite 21 b der Messmembran 21 des Differenzdruckmesswandlers 20 zugeführt ist. Hierzu ist der zweite hydraulische Pfad 34b ebenfalls mit der Übertragungsflüssigkeit 39 gefüllt.
Durch den an der Vorderseite 21 a der Messmembran 21 anliegenden ersten Druck p1 und den an der Rückseite 21 b der Messmembran 21 anliegenden zweiten Druck p2 erfährt die Messmembran 21 eine druckabhängige Auslenkung. Die druckabhängige Auslenkung kann wiederum beispielsweise durch in der Messmembran 21 integrierte piezoresistive Elemente messtechnisch erfasst werden, so dass eine Differenzdruckgröße durch eine Schaltung 22 zum Wandeln der druckabhängigen Auslenkung bestimmbar ist. Alternativ können statt der piezoresistiven Elemente auch kapazitive Elemente zum messtechnischen Erfassen der druckabhängigen Auslenkung eingesetzt werden. Über die Druckkammer 32 wird ferner der erste Druck p1 auch an eine Vorderseite 71 a einer Messmembran 71 des Absolutdruckmesswandlers geführt, so dass die
Messmembran 71 ebenfalls eine vom ersten Druck p1 abhängige Auslenkung erfährt, welche wiederum messtechnisch erfasst werden kann, um eine Absolutdruckmessgröße zu bestimmen.
Der in Fig. 1 dargestellte Aufbau lässt erahnen, dass zur Integration zweier
Druckmesswandler 20, 70 ein erhöhter Aufwand hinsichtlich der Aufbau- und
Verbindungstechnik notwendig ist. So müssen beide Druckmesswandler, die für gewöhnlich als Halbleiterdruckmesswandler ausgebildet sind, in den Füllkörper eingebracht werden. D.h. sie müssen entsprechend platziert, ausgerichtet und anschließend fixiert, beispielsweise geklebt, werden. Insbesondere sind beim Platzieren der Druckmesswandler zueinander auch mögliche Abstandsvorgaben hinsichtlich Ex- Schutzmaßnahmen zu beachten. Aber nicht nur die Aufbau- und Verbindungstechnik leidet unter einem derartigen Aufbau, auch die Druckkammer muss entsprechend groß dimensioniert sein, dass beide
Druckmesswandler darin Platz finden. Dies bedingt, dass ein relativ großes Volumen mit der Übertragungsflüssigkeit gefüllt werden muss, was wiederum dazu führt, dass der Differenzdrucksensor, insbesondere der Differenzdruckmesswandler, aus
messtechnischer Sicht Leistungseinbußen erleidet.
Fig. 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Trägerkörpers 31 b eines
erfindungsgemäßen Differenzdrucksensors. Im Gegensatz zu dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel weist der Differenzdrucksensor keinen Absolutdruckmesswandler in Form eines Halbleiterbauelements auf. Vielmehr weist der in der Druckkammer des T rägerkörpers integrierte Füllkörper eine piezoelektrische Schicht 40 zum Bestimmen des ersten Drucks p1 auf. Die piezoelektrische Schicht 40 ist in dem in Fig. 2 dargestellten Beispiel im Wesentlich vollflächig auf einer Seitenfläche bzw. Wand des Füllkörpers aufgebracht. Zur elektrischen Kontaktierung der piezoelektrischen Schicht 40 ist eine erste elektrisch leitfähige Schicht 50 vorgesehen, die vor dem Aufbringen der piezoelektrischen Schicht 40 auf die Seitenfläche bzw. Wand des Füllkörpers 33 aufgebracht wurde. Um ein erstes elektrisches Signal von der piezoelektrischen Schicht 40 abgreifen zu können, weist die erste elektrische leitfähige Schicht 50 zumindest einen abschnittsweise definierten Überstand als Kontaktierungsfläche 51 auf. Der Überstand kann, wie in Fig. 2 dargestellt, derartig ausgeführt sein, dass beide Schichten im Wesentlich kreisrund ausgeführt sind, wobei die piezoelektrische Schicht 40 einen kleineren Durchmesser als die erste elektrisch leitfähige Schicht 50 aufweist, so dass ein Randbereich als Überstand und somit als Kontaktierungsfläche 51 entsteht. Der Randbereich ist in Fig. 2 exemplarisch durch den gestrichelten Kreis dargestellt. Ergänzend oder alternativ kann die erste elektrisch leitfähige Schicht 50 einen weiteren abschnittsweise freigelegten Überstand aufweisen, der derartig ausgeführt ist, dass dieser nicht allseitig, wie dies bei dem kreisrunden Überstand der Fall ist, über die piezoelektrische Schicht hinausragt, sondern lediglich in einem lokal begrenzten Bereich.
Auf die Kontaktierungsfläche 51 können beispielsweise Bonddrähte zur elektrischen Kontaktierung fixiert sein, so dass das erste elektrische Signal einer ersten Seite
(Rückseite) der piezoelektrischen Schicht 40 abgegriffen werden kann. Ein zweites elektrisches Signal kann beispielsweise derartig abgeleitet werden, indem
Bonddrähte an eine zweite als Elektrode dienende elektrisch leitfähige Schicht 53, die auf einer zweiten Seite (Vorderseite) der piezoelektrischen Schicht 40 angeordnet ist, angebracht werden.
Das erste und zweite elektrische Signal ist einer Auswerteeinheit 70, insbesondere einem entsprechend eingerichteten Mikroprozessor, zugeführt, die dazu eingerichtet ist, anhand des ersten und zweiten elektrischen Signals eine Absolutdruckgröße des ersten Drucks p1 bzw. einen sogenannten statischen Druck pstat des Mediums zu bestimmen. Die Auswerteeinheit 70 kann beispielsweise als Teil der Schaltung 20 zum Wandeln der druckabhängigen Verformung der Messmembran oder separat davon ausgebildet sein.
Fig. 3 zeigt eine zweites Ausführungsbeispiel eines Trägerkörpers eines
erfindungsgemäßen Differenzdrucksensors, bei dem, im Gegensatz zu dem in Fig. 2 dargestellten Beispiel, die piezoelektrische Schicht 40 im Wesentlich nicht vollflächig auf einer Seitenfläche bzw. Wand des Füllkörpers aufgebracht ist, sondern vielmehr nur abschnittsweise bzw. teilweise die Seitenfläche bzw. Wand des Füllkörpers bedeckt. Sowohl Fig. 2 als auch Fig. 3 zeigen jeweils die Bedeckung einer Wand des Füllkörpers 33. Denkbar ist aber auch, dass die piezoelektrische Schicht 40 zumindest teilweise eine Seitenwand der Druckkammer 32, welche keine Wand des Füllkörpers 33 darstellt, bedeckt. In dem Fall, dass die piezoelektrische Schicht die Seitenwand der Druckkammer bedeckt, kann eine Isolationsschicht zwischen der Seitenwand und der piezoelektrischen Schicht vorgesehen sein. Ferner schließt die Erfindung ebenfalls nicht aus, dass die piezoelektrische Schicht sowohl teilweise eine Wand der Druckkammer 32 als auch teilweise eine Wand des Füllkörpers 33 bedeckt. Hinsichtlich der weiteren Ausgestaltung des zweiten Ausführungsbeispiels, insbesondere der Möglichkeiten zur elektrischen Kontaktierung der piezoelektrischen Schicht 40, sei auf das erste Ausführungsbeispiel verwiesen.
Fig. 4 zeigt einen exemplarischen teilweisen Schichtaufbau eines erfindungsgemäßen Differenzdrucksensors zur Verdeutlichung einer Möglichkeit der elektrischen
Kontaktierung der piezoelektrischen Schicht 40. Der in Fig. 4 dargestellte Schichtaufbau umfasst die erste als erste Elektrode dienende elektrisch leitfähige Schicht 50, die auf der Wand des Trägerkörpers 31 b angeordnet ist, die darauf angeordnete piezoelektrische Schicht 40 und eine zweite als zweite Elektrode dienende elektrisch leitfähige Schicht 53. Um das erste elektrische Signal von der piezoelektrischen Schicht 40 abgreifen zu können, weist die erste elektrische leitfähige Schicht 50 zumindest einen abschnittsweise definierten als Kontaktierungsfläche 51 dienenden Überstand auf. Der Überstand ist, entgegen dem in Fig. 2 dargestellten Beispiel, derartig ausgeführt, dass die
piezoelektrische und die zweite elektrisch leitfähige Schicht eine entsprechende
Ausnehmung 54 aufweisen, so dass die erste elektrisch leitfähige Schicht 50 zumindest abschnittsweise freigelegt ist. Andere in Fig. 4 nicht dargestellte Varianten zum abschnittsweisen freilegen der ersten elektrisch leitfähigen Schicht sind beispielsweise Löcher die sich in den beiden Schichten 40, 53 befinden.
Bezugszeichenliste
1 Differenzdrucksensor
20 Differenzdruckmesswandler
21 Messmembran
21 a Erste Seite der Messmembran
21 b Zweite Seite der Messmembran
22 Schaltung zum Wandeln der druckabhängigen Verformung der
Messmembran
30 Druckmittler
31 Druckmittlerkörper
31 a Massiver Block des Druckmittlerkörpers
31 b T rägerkörper
31 c Kapillarrohrsystem
32 Druckkammer
33 Füllkörper
34a Erster hydraulischer Pfad
34b Zweiter hydraulischer Pfad
35a, 35b Erste Öffnung
36a, 36b Zweite Öffnung
37a, 37b Erste Trennmembran
38a, 38b Erste Druckempfangskammer
39 Druckübertragungsflüssigkeit
40 Piezoelektrische Schicht
40a Erste Seite der piezoelektrischen Schicht
40b Zweite Seite der piezoelektrischen Schicht
50 Erste elektrisch leitfähige Schicht
51 Kontaktierungsfläche
52 Bonddrähte zur elektrischen Kontaktierung
53 Zweite elektrisch leitfähige Schicht
60 Auswerteeinheit
70 Absolutdruckmesswandler
71 Messmembran
71 a Erste Seite der Messmembran
p1 Erster Druck
p2 Zweiter Druck

Claims

Patentansprüche
1. Differenzdrucksensor (1 ) zum Bestimmen einer Differenzdruckgröße, umfassend: einen Differenzdruckmesswandler (20) mit einer Messmembran (21 ) und einer Schaltung (22) zum Wandeln einer druckabhängigen Verformung der
Messmembran (21 ) in die Differenzdruckgröße,
einen Druckmittler (30) mit einem Druckmittlerkörper (31 ) in dem sich eine mit einer Übertragungsflüssigkeit (39) gefüllte Druckkammer (32) befindet, in der ein Füllkörper (33) mit einer Aussparung angeordnet ist, um Hohlräume zwischen Wänden der Druckkammer (32) und dem in der Aussparung angeordneten
Differenzdruckmesswandler (20) auszufüllen, wobei sich ein erster und ein zweiter hydraulischer Pfad (34a, 34b) jeweils zwischen einer ersten Öffnung (35a, 35b) und einer zweiten Öffnung (36a, 36b) durch den Druckmittlerkörper (31 ) erstrecken, wobei die ersten Öffnungen (35a, 35b) jeweils mit einer ersten Trennmembran (37a, 37b) verschlossen sind, die mit einem ersten Druck (p1 ) bzw. einem zweiten Druck (p2) beaufschlagbar sind, um den ersten Druck (p1 ) in den ersten hydraulischen Pfad (34a) und den zweiten Druck (p2) in den zweiten hydraulischen Pfad (34b) einzuleiten, wobei der erste hydraulische Pfad (34a) an der zweiten Öffnung (36a) in der Druckkammer (32) mündet, so dass die
Messmembran (21 ) des Differenzdruckmesswandlers auf einer ersten
Messmembranseite (21 a) mit dem ersten Druck beaufschlagt ist, wobei über den zweiten hydraulische Pfad (34b) eine zweite Messmembranseite (21 b) an der zweiten Öffnung (36b) mit dem zweite Druck (p2) beaufschlagt ist, so dass die Verformung der Messmembran die Differenzdruckgröße zwischen dem ersten Druck (p1 ) und dem zweiten Druck (p2) repräsentiert, wobei innerhalb der
Druckkammer (32) eine piezoelektrische Schicht (40) zur Bestimmung einer Absolutdruckgröße des ersten Drucks (p1 ) vorgesehen ist.
2. Differenzdrucksensor nach Anspruch 1 , wobei die piezoelektrische Schicht (40) zumindest teilweise auf zumindest einer Wand der Druckkammer (32) und/oder des
Füllkörpers (33) aufgebracht ist.
3. Differenzdrucksensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei zwischen die Wand der Druckkammer (32) oder des Füllkörpers (33) und der piezoelektrischen Schicht (40) eine erste elektrisch leitfähige Schicht (50) zum Ableiten eines ersten elektrischen Signals einer ersten Seite der piezoelektrischen Schicht (40a) aufgebracht ist, wobei die piezoelektrische Schicht (40) auf die elektrisch leitfähige Schicht (50) aufgebracht ist und die erste elektrisch leitfähige Schicht (50) zumindest abschnittsweise freigelegt ist, so dass über zumindest eine Kontaktierungsfläche (51 ) das erste elektrische Signal der ersten Seite der piezoelektrischen Schicht (40a) ableitbar ist.
4. Differenzdrucksensor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine zweite elektrische Schicht (53) zum Ableiten eines zweiten elektrischen Signals einer zweiten Seite der piezoelektrischen Schicht (40b) auf die piezoelektrische Schicht aufgebracht ist, wobei das zweite elektrische Signal über Bonddrähte (52), die auf der zweiten elektrischen Schicht fixiert sind, abgeleitet ist.
5. Differenzdrucksensor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Füllkörper (33) ein elektrisch nicht leitfähiges Material, insbesondere ein Glas, ein Kunststoff, eine Keramik, aufweist.
6. Differenzdrucksensor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die piezoelektrische Schicht die Wand der Druckkammer (32) oder des Füllkörpers (33) im Wesentlichen vollständig bedeckt.
7. Differenzdrucksensor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Auswerteeinheit (60) vorgesehen ist, der das erste und zweite elektrische Signal zugeführt ist und die dazu eingerichtet ist, anhand des ersten und zweiten elektrischen Signals die Absolutdruckgröße des ersten Drucks (p1 ) zu bestimmen.
8. Differenzdrucksensor nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem Fall, dass die piezoelektrische Schicht die Wand der Druckkammer zumindest teilweise bedeckt bzw. auf diese aufgebracht ist, eine Isolationsschicht zwischen der Wand und der piezoelektrischen Schicht vorgesehen ist.
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