WO2009015779A1 - Membrananordnung zur druck- oder schallmessung mit einem membranschutz - Google Patents

Membrananordnung zur druck- oder schallmessung mit einem membranschutz Download PDF

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WO2009015779A1
WO2009015779A1 PCT/EP2008/005853 EP2008005853W WO2009015779A1 WO 2009015779 A1 WO2009015779 A1 WO 2009015779A1 EP 2008005853 W EP2008005853 W EP 2008005853W WO 2009015779 A1 WO2009015779 A1 WO 2009015779A1
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WO
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membrane
plug body
receiving recess
cover element
diaphragm
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PCT/EP2008/005853
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Inventor
Alois Friedberger
Gerhard Müller
Christian Gradolph
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Eads Deutschland Gmbh
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    • 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
    • G01L9/0042—Constructional details associated with semiconductive diaphragm sensors, e.g. etching, or constructional details of non-semiconductive 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
    • G01L19/06—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
    • G01L19/0654—Protection against aggressive medium in general against moisture or humidity

Definitions

  • the present invention relates to a membrane assembly having a membrane for measuring a pressure of a medium, an acoustic sound or the like, wherein a membrane carrier is provided with a receiving recess, in which the membrane is received, and at a distance from the membrane side of a cover element is arranged ,
  • Such membrane arrangements with a membrane for measuring a pressure of a medium or an acoustic sound are well known.
  • the membrane is accommodated in a membrane carrier, wherein a cover element is located above the membrane carrier in order to protect the membrane from external influences.
  • the lid member is located on the pressure measuring side of the membrane assembly so that it is interspersed with a plurality of holes through which the medium whose pressure is measured, can pass.
  • the medium can be air to measure an air pressure, whereby a sound measurement is possible analogous to the air pressure measurement.
  • pressures of liquids can be measured which can also pass through the through-holes within the cover element.
  • the through holes within the lid member may be made very small, dust, dirt and water may enter the space between the lid member and the membrane.
  • the receiving recess can fill with water, which can freeze depending on the external conditions. If a volume of water freezes within the receiving well, it expands by a difference volume, since water in liquid form has a greater density than water in frozen form. When Elongation takes place a mechanical action on the membrane of the sensor or the microphone, so that this bends.
  • Membranes which are used in particular in highly sensitive pressure sensors, are designed to be very sensitive, ie, such membranes having the largest possible area have a very small thickness. Thus, while measurements of very small pressure fluctuations are possible, but such membranes are very sensitive to mechanical effects. Formed by the formation of ice from an increase in volume, the maximum deflection of the membrane can be exceeded, which is destroyed.
  • a membrane arrangement which comprises a membrane, which is accommodated in a membrane carrier within a housing.
  • an elastically resilient compensating element is accommodated in the housing, which can compensate for an increase in the volume of water entered during its solidification.
  • the housing also covers the measuring side of the membrane in a plane-parallel section, there is still the danger that water, which is located between the housing on the measuring side of the membrane and the membrane itself, can freeze, thereby destroying the membrane.
  • the elastically resilient compensation element on the back of the membrane does not provide reliable protection against damage to the membrane with water freezing to ice.
  • a pressure sensor for a diaphragm pump which is arranged in the housing of the diaphragm pump, wherein the diaphragm pump serves as an expansion vessel to protect the pressure sensor.
  • the membrane is therefore arranged to avoid overpressure in the pressure sensor directly in the pump head, ie above the pump diaphragm of the diaphragm pump, so that the freezing of a fluid occurring within the diaphragm pump Volumenzuddling is compensated by a deflection of the pump diaphragm against the force of a spring and the pressure sensor diaphragm is protected from damage.
  • Such an arrangement of a membrane for measuring a pressure is specified for the scope of application of a diaphragm pump, wherein it can be seen that a mechanical protection device protects the pressure sensor diaphragm upon freezing of the fluid.
  • the invention includes the technical teaching that within the receiving depression between the membrane and the cover element, a plug body is arranged in order to reduce the volume of liquids penetrating into the receiving recess.
  • the invention is based on the idea to reduce the free volume within the receiving recess through the plug body so that the amount of liquid that can penetrate into the receiving recess is minimized. Consequently, a limit volume of water can be defined which can enter between the cover element and the membrane and, upon solidification to ice, no longer destroys the membrane, since the volume of change between the state of aggregation water and the state of aggregation ice depends on the absolute volume of the infiltrated water , The volume of the plug body is therefore determined such that the space between the membrane and the lid member becomes smaller than the limit volume. According to the invention can be avoided with such a plug body that despite penetrated and frozen to ice water destruction of the membrane is caused.
  • the plug body is arranged on the cover element.
  • the connection between the plug body and the lid member can be made by gluing or bonding, with basically any type of a material or positive connection is possible.
  • the plug body is adapted to the shape of the receiving recess. To produce the plug body, it may be provided, for example, to produce it by a molding process in the receiving recess itself.
  • the plug body is arranged at a distance from the diaphragm above it, the plug body is optimally adapted to the shape of the receiving recess in order to prevent the free volume from being unnecessarily increased when the plug body is inserted into the receiving recess.
  • this has a trapezoidal or a funnel-shaped cross section, which tapers in the direction of the membrane. Due to the trapezoidal or funnel-shaped design, the receiving recess between the plane of the membrane and the plane on which the lid member is applied, a skew, which is based on the process characteristics of the respective material of the measuring element.
  • the plug body is made of a resilient material comprising a silicone material or an elastic plastic or plastic foam.
  • the elastic material has the property of allowing compliance with expansion of the solidifying water within the free volume, so as to minimize the forces acting on the membrane due to the volume increase.
  • the escape volume which is required by the increase in volume during the solidification of the water, can therefore be taken in the direction of the plug body, so that the membrane itself is spared from an excessive force.
  • a gap spacing is formed between the plug body and the membrane and between the plug body and the membrane carrier.
  • the gap distance between the plug body and the Membrane may be larger than the gap distance between the plug body and the membrane carrier in the region of the obliquely oriented walls relative to the membrane.
  • This geometric configuration of the gap distances with the difference between the gap distance to the membrane carrier and the membrane itself is formed by the formation of the plug body when it is molded within the receiving recess for the production.
  • the silicone plug body can be easily constructed even with complicated geometric shapes of the receiving recess by using the receiving recess itself as a mold. After the plug body which has been shaped individually within the receiving cavity is detached, it is fastened to the cover element with the mentioned gap distance above the membrane.
  • the membrane depression runs straight up to the membrane, eg. B. as a cylinder or cube, and the deformation body can be adjusted accordingly. However, it is then in the production of the deformation body no longer the sprue in the membrane recess used as a mold.
  • the through-holes may be disposed adjacent to the region where the plug body is attached to the lid member, and further the through-holes may be inserted in the attachment portion of the plug body so as to extend through the lid member and through the plug body.
  • the passage holes are preferably to be made with a small diameter, which has, for example, half of the thickness of the cover element. The smaller the diameter of the through-holes is chosen, the lower the amount of impurities which is present between the cover element and the membrane. can. The number of through holes is thereby increased with a smaller diameter of the through holes.
  • the membrane carrier may be mounted for receiving on a carrier element, wherein the carrier element may form a substrate.
  • the carrier element may form a substrate.
  • the substrate may have a recess in the region of the membrane in order to create a mobility of the membrane.
  • the space formed by the recess is located on the back of the membrane, which can be preferably introduced by an etching process or mechanical process in the substrate.
  • the receiving recess is produced by an etching process in the membrane carrier, wherein the membrane is formed of the same material as the membrane carrier.
  • the membrane forms the bottom region of the receiving recess, so that the sensor operates on the principle of a capacitive or piezoresistive sensor.
  • the substrate can be made of silicon or a material with similar properties, such as borosilicate glass.
  • a bonding method can be used, wherein a bonding method for connection can also be used between the cover element and the membrane support. Such methods are particularly suitable for the production of pressure sensors for microtechnical applications, and may be designed as on-the-chip sensors.
  • Such membrane arrangements find application in a microphone or a pressure sensor, such sensors being able to be arranged in particular on aerofoils on aircraft wings or in the rotor blade of a helicopter, since they conceptually have a high degree of robustness against the environmental influences in the respective application spectrum.
  • Figure 1 is a perspective view of the membrane assembly, wherein the lid member and the plug body are removed for viewing the Frevertie- examination;
  • Figure 2 is a schematic cross-sectional view of the membrane assembly according to the invention, in which a plug body is inserted within the receiving recess.
  • the membrane arrangement 1 shown in FIG. 1 has a membrane 2, which is accommodated in a membrane carrier 3.
  • a receiving recess 4 is introduced, wherein the membrane 2 forms the bottom portion of the receiving recess 4.
  • the membrane 2 and the membrane carrier 3 is made in one piece, wherein the receiving recess 4 is only introduced into the material of the membrane carrier 3.
  • the membrane carrier 3 is received by a substrate 9, which serves as a carrier material for the membrane assembly 1.
  • FIG. 2 shows a schematic cross-sectional view of the membrane arrangement 1.
  • the membrane 2 is accommodated in the membrane carrier 3, and forms the bottom region of the receiving recess 4, which is introduced as a depression within the membrane carrier 3.
  • a cover element 5 is arranged, wherein a gap 11 is formed between the upper side of the membrane support 3 and the cover element 5.
  • the area above the lid member 5 forms the outside of the membrane assembly 1, on which there is the medium whose pressure is to be measured.
  • the connection between the membrane 2 and the outside above the cover element 5 is formed by through-holes 8, which are arranged adjacent to the receiving recess 4 and through which the pressure or the sound can reach the membrane 2.
  • connection extends from the through holes 8 via the gap 11 to the membrane 2, wherein above the membrane 2 according to the invention a plug body 6 is arranged. Between the plug body 6 and the membrane 2, a gap distance 7a is formed, wherein between the plug body 6 and the membrane support 3, the gap spacing 7b is formed. The course of the medium whose pressure is to be measured thus extends from the gap 11 to the membrane 2 through the gap spacing 7b.
  • the choice of the optimal gap distance 7a and 7b is chosen such that an impairment of the measurement process for measuring the pressure above the cover element 5 is not affected by the membrane 2, with only such a small amount of water in the space between the plug body 6 and the membrane 2 can penetrate, which can not damage the membrane 2 during icing. So that a deflection of the membrane 2 in the direction of the substrate 9 can take place, in this a recess 10 is introduced, which is formed in the region below the membrane 2.
  • the plug body 6 is made of a silicone material or the like, so that it has a high compliance.
  • the invention is not limited in its execution to the above-mentioned preferred embodiment. Rather, a number of variants are conceivable, which makes use of the illustrated solution even with fundamentally different types. Consequently, it is possible, as an alternative to attaching the plug body 6, to emboss the cover element 5, for example, by a deep drawing operation in the direction of the receiving recess 4, so that the cover element 5 occupies the volume within the receiving recess 4 above the membrane 2. Consequently, the region of the cover element 5 is arranged so closely spaced above the membrane 2 that the free volume above the membrane 2 is likewise minimized.
  • the cover element 5 is produced from an etchable material, it can be etched in such a way that it protrudes in the same way as the plug body 6 into the volume of the receiving recess 4.
  • the same etching bevel can be produced as a result of the etching process, as is also the case when the membrane support 3 is etched. Consequently, the invention is not limited to a single plug body 6, which is fastened to the cover element 5 and produced by a casting in the receiving recess 4.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Membrananordnung (1) mit einer Membran (2) zur Messung eines Druckes eines Mediums, eines akustischen Schalls oder dergleichen, wobei ein Membranträger (3) mit einer Aufnahmevertiefung (4) vorgesehen ist, in der die Membran (2) aufgenommen ist, und wobei beabstandet zur Membran (2) messseitig ein Deckelelement (5) angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in der Aufnahmevertiefung (4) zwischen der Membran (2) und dem Deckelelement (5) ein Pfropfenkörper (6) angeordnet ist, um das Volumen von in die Aufnahmevertiefung (4) eindringenden Flüssigkeiten zu verringern.

Description

Membrananordnung zur Druck- oder Schallmessung mit einem Membranschutz
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Membrananordnung mit einer Membran zur Messung eines Druckes eines Mediums, eines akustischen Schalls oder dergleichen, wobei ein Membranträger mit einer Aufnahmevertiefung vorgesehen ist, in der die Membran aufgenommen ist, und wobei beabstandet zur Membran mess- seitig ein Deckelelement angeordnet ist.
Derartige Membrananordnungen mit einer Membran zur Messung eines Druckes eines Mediums oder eines akustischen Schalls sind hinreichend bekannt. Die Membran ist in einem Membranträger aufgenommen, wobei sich über dem Membranträger ein Deckelelement befindet, um die Membran vor äußeren Einflüssen zu schützen. Das Deckelelement befindet sich auf der Druckmessseite der Membrananordnung, so dass dieses mit mehreren Löchern durchsetzt ist, durch die das Medium, dessen Druck gemessen wird, hindurchtreten kann. Das Medium kann Luft sein, um einen Luftdruck zu messen, wobei analog zur Luftdruckmessung eine Schallmessung möglich ist. Ferner können mit derartigen Membrananordnun- gen Drücke von Flüssigkeiten gemessen werden, welche ebenfalls durch die Durchgangslöcher innerhalb des Deckelelementes treten können.
Auch wenn die Durchgangslöcher innerhalb des Deckelelementes sehr klein gewählt werden können, kann Staub, Schmutz und Wasser in den Raum zwischen dem Deckelelement und der Membran gelangen. Damit kann sich die Aufnahmevertiefung mit Wasser füllen, welches in Abhängigkeit der äußeren Bedingungen gefrieren kann. Sollte ein Wasservolumen innerhalb der Aufnahmevertiefung gefrieren, so dehnt es sich um ein Differenzvolumen aus, da Wasser in flüssiger Form eine größere Dichte aufweist als Wasser in gefrorener Form. Bei der Aus- dehnung erfolgt eine mechanische Einwirkung auf die Membran des Sensors oder des Mikrofons, so dass sich diese durchbiegt. Membranen, die insbesondere bei hochempfindlichen Drucksensoren Anwendung finden, sind sehr sensitiv konstruiert, d.h., dass derartige Membranen mit einer möglichst großen Fläche eine sehr geringe Dicke aufweisen. Damit sind zwar Messungen von sehr kleinen Druckschwankungen möglich, jedoch sind derartige Membranen sehr empfindlich gegen mechanische Einwirkungen. Bildet sich durch die Eisbildung eine Volumenvergrößerung aus, so kann die maximale Durchbiegung der Membran überschritten werden, wodurch diese zerstört wird.
Aus der WO 01/88497 A1 ist eine Membrananordnung offenbart, welche eine Membran umfasst, die in einem Membranträger innerhalb eines Gehäuses aufgenommen ist. Auf der der Messseite gegenüberliegenden Seite der Membran ist ein elastisch nachgiebiges Ausgleichselement im Gehäuse aufgenommen, welches eine Zunahme des Volumens von eingetretenem Wasser bei seiner Erstarrung ausgleichen kann. Da jedoch das Gehäuse auch die Messseite der Membran in einem planparallelen Abschnitt überdeckt, besteht weiterhin die Gefahr, dass Wasser, welches sich zwischen dem Gehäuse auf der Messseite der Membran und der Membran selbst befindet, vereisen kann, und dabei die Membran zerstört. Damit bietet das elastisch nachgiebige Ausgleichselement auf der Rückseite der Membran keinen zuverlässigen Schutz vor einer Beschädigung der Membran bei zu Eis gefrierendem Wasser.
Aus der WO 03/050416 A1 ist ein Drucksensor für eine Membranpumpe offenbart, welcher im Gehäuse der Membranpumpe angeordnet wird, wobei die Membranpumpe als Ausdehnungsgefäß zum Schutz des Drucksensors dient. Die Membran wird deshalb zur Vermeidung eines Überdrucks im Drucksensor direkt im Pumpenkopf, d.h. oberhalb der Pumpenmembran der Membranpumpe angeordnet, so dass die beim Einfrieren eines Fluids innerhalb der Membranpumpe auftretende Volumenzunahme durch eine Auslenkung der Pumpenmembran entgegen der Kraft einer Feder ausgeglichen wird und die Drucksensormembran vor einer Beschädigung geschützt ist. Eine derartige Anordnung einer Membran zur Messung eines Druckes ist auf den Anwendungsbereich einer Membranpumpe spezifiziert, wobei erkennbar ist, dass eine mechanische Schutzeinrichtung die Drucksensormembran bei Einfrieren des Fluids schützt.
Bei den bekannten Schutzeinrichtungen zum Schutz der Membran von Drucksensoren entsteht das Problem, dass diese sehr aufwendig ausgestaltet werden muss oder dass der Schutz der Membran bei Anwendung eines elastisch nachgiebigen Ausgleichselementes nicht grundsätzlich gewährleistet werden kann. Wird die Membran eines Druck- oder Schallmessgerätes zerstört, verliert diese ihre Funktion, so dass es zu einem Defekt der Messeinrichtung kommt. Auch beim Einsatz von Druckmessmembranen im Bereich von Luftfahrzeugen, beispielsweise beim Einsatz in Tragflächen oder Rotorblättern sind die Sensoren extremen Witterungseinflüssen wie Frost, wechselnden Temperaturen und einem wechselnden Luftdruck ausgesetzt. Wird der Druck- oder Schallmesssensor für mikrotechnische Anwendungen in sehr kleinen Dimensionen ausgeführt, entfällt zu dem eine wirtschaftlich umsetzbare mechanische Schutzvorrichtung der Membran, welche bei- spielsweise auf dem Prinzip einer nachgiebigen Feder beruht.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Membrananordnung zur Druck- oder Schallmessung mit einem Membranschutz zu schaffen, welcher die Nachteile des vorgenannten Standes der Technik überwindet und eine einfache Ausführung zum Schutz der Membran vor gefrierenden Flüssigkeiten bietet.
Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Membrananordnung gemäß des Oberbegriffs des Anspruchs 1 in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen ge- löst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass innerhalb der Aufnahmever- tiefung zwischen der Membran und dem Deckelelement ein Pfropfenkörper angeordnet ist, um das Volumen vor in die Aufnahmevertiefung eindringenden Flüssigkeiten zu verringern.
Die Erfindung geht dabei von dem Gedanken aus, das freie Volumen innerhalb der Aufnahmevertiefung durch den Pfropfenkörper zu verringern, damit die Menge an Flüssigkeit, die in die Aufnahmevertiefung eindringen kann, minimiert wird. Folglich kann ein Grenzvolumen an Wasser definiert werden, welches zwischen dem Deckelelement und der Membran eintreten kann, und bei Erstarrung zu Eis die Membran nicht mehr zerstört, da das Änderungsvolumen zwischen dem Ag- gregatzustand Wasser und dem Aggregatzustand Eis vom absoluten Volumen des eingedrungenen Wassers abhängt. Das Volumen des Pfropfenkörpers wird daher derart bestimmt, dass der Raum zwischen der Membran und dem Deckelelement kleiner wird als das Grenzvolumen. Erfindungsgemäß kann mit einem derartigen Pfropfenkörper vermieden werden, dass trotz eingedrungenem und zu Eis erstarr- tem Wasser eine Zerstörung der Membran verursacht wird.
Es ist von Vorteil, dass der Pfropfenkörper am Deckelelement angeordnet ist. Die Verbindung zwischen dem Pfropfenkörper und dem Deckelelement kann durch ein Kleben oder Bonden erfolgen, wobei grundsätzlich jede Art einer Stoff- oder form- schlüssigen Verbindung möglich ist. Gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels besteht ferner die Möglichkeit, den Pfropfenkörper am Deckelelement anzuformen, so dass dieser einstückig und materialeinheitlich mit dem Deckelelement ausgeführt ist. Um die Verdrängung des Wassers durch den Pfropfenkörper innerhalb der Aufnahmevertiefung zu verbessern, ist der Pfropfenkörper der Form der Aufnahmevertiefung angepasst. Zur Herstellung des Pfropfenkörpers kann beispielsweise vorgesehen sein, diesen durch einen Abformprozess in der Aufnahmevertiefung selbst herzustellen. Wird der Pfropfenkörper mit einem Abstand zur Membran o- berhalb dieser angeordnet, so ist der Pfropfenkörper optimal der Form der Aufnahmevertiefung angepasst, um zu verhindern, dass das Freivolumen bei Einsatz des Pfropfenkörpers in die Aufnahmevertiefung unnötig vergrößert wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Aufnahmevertiefung weist diese einen trapezförmigen oder einen trichterförmigen Querschnitt auf, der sich in Richtung zur Membran verjüngt. Durch die trapez- oder trichterförmige Ausbildung weist die Aufnahmevertiefung zwischen der Ebene der Membran und der Ebene, auf der das Deckelelement aufgebracht ist, eine Schrägung auf, welche auf den Prozesseigenschaften des jeweiligen Materials des Messelementes beruht.
Vorteilhafterweise ist der Pfropfenkörper aus einem nachgiebigen Material, umfassend ein Silikonmaterial oder einem elastischen Kunststoff oder Kunststoffschaum ausgebildet. Das elastische Material bietet die Eigenschaft, bei einem Ausdehnen des erstarrenden Wassers innerhalb des Freivolumens eine Nachgiebigkeit zu ermöglichen, so dass die durch die Volumenzunahme auf die Membran wirkenden Kräfte minimiert werden. Das Ausweichvolumen, welches durch die Volumenzunahme bei der Erstarrung des Wassers erforderlich ist, kann daher in Richtung des Pfropfenkörpers eingenommen werden, so dass die Membran selbst vor einer überhöhten Krafteinwirkung verschont bleibt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist zwischen dem Pfropfenkörper und der Membran sowie zwischen dem Pfropfenkörper und dem Membranträger ein Spaltabstand ausgebildet. Der Spaltabstand zwischen dem Pfropfenkörper und der Membran kann größer sein als der Spaltabstand zwischen dem Pfropfenkörper und dem Membranträger im Bereich der relativ zur Membran schräg ausgerichteten Wandungen. Diese geometrische Ausbildung der Spaltabstände mit der Differenz zwischen dem Spaltabstand zum Membranträger und zur Membran selbst entsteht durch die Ausbildung des Pfropfenkörpers, wenn dieser innerhalb der Aufnahmevertiefung zur Herstellung abgeformt ist. Der aus Silikon bestehende Pfropfenkörper kann auch bei komplizierten geometrischen Formen der Aufnahmevertiefung leicht konstruiert werden, indem die Aufnahmevertiefung selbst als Gussform verwendet wird. Nachdem der individuell innerhalb der Aufnahmevertie- fung abgeformte Pfropfenkörper abgelöst wird, wird er mit dem genannten Spaltabstand über der Membran am Deckelelement befestigt.
Sobald die Membranvertiefung geradlinig bis zur Membran verläuft, z. B. als Zylinder oder Kubus, kann auch der Verformungskörper dementsprechend angepasst werden. Es ist jedoch dann bei der Herstellung des Verformungskörpers nicht mehr der Einguss in die Membranvertiefung als Gussform verwendbar.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist im Deckelelement wenigstens ein Durchgangsloch eingebracht, durch das der Druck des Mediums oder des Schalls an die Membran gelangen kann. Einerseits können die Durchgangslöcher neben dem Bereich angeordnet sein, an dem der Pfropfenkörper am Deckelelement befestigt ist, wobei ferner die Durchgangslöcher auch im Befestigungsbereich des Pfropfenkörpers eingebracht sein können, so dass diese sich durch das Deckelelement und durch den Pfropfenkörper hindurch erstrecken. Die Durch- gangslöcher sind vorzugsweise mit einem kleinen Durchmesser auszuführen, welcher beispielsweise die Hälfte der Dicke des Deckelelementes aufweist. Je kleiner der Durchmesser der Durchgangslöcher gewählt wird, desto geringer ist die Menge an Verunreinigungen, die zwischen das Deckelelement und die Membran gera- ten können. Die Anzahl der Durchgangslöcher wird dabei mit kleinerem Durchmesser der Durchgangslöcher erhöht.
Der Membranträger kann zur Aufnahme auf ein Trägerelement angebracht sein, wobei das Trägerelement ein Substrat bilden kann. Insbesondere bei mikrotechnischen Anwendungen besteht die Möglichkeit, die Membrananordnung auf der O- berfläche eines Wafers aufzubauen, sodass das Substrat als Siliziumsubstrat oder als Glassubstrat ausgeführt ist, wobei auch der Membranträger auf ähnliche Weise hergestellt werden kann. Das Substrat kann im Bereich der Membran eine Aus- nehmung aufweisen, um eine Beweglichkeit der Membran zu schaffen. Der durch die Ausnehmung gebildete Raum befindet sich auf der Rückseite der Membran, wobei dieser vorzugsweise durch einen Ätzprozess oder mechanischen Prozess in das Substrat eingebracht werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Membrananordnung ist die Aufnahmevertiefung durch einen Ätzprozess im Membranträger hergestellt, wobei die Membran mit dem Membranträger materialeinheitlich ausgebildet ist. Die Membran bildet dabei den Bodenbereich der Aufnahmevertiefung, so dass der Sensor nach dem Prinzip eines kapazitiven oder piezoresistiven Sensors arbeitet. Das Substrat kann dabei je nach verwendetem Messprinzip aus Silizium oder einem Material mit ähnlichen Eigenschaften, wie beispielsweise Borosilikatglas ausgebildet sein. Zur Herstellung der Verbindung zwischen dem Substrat und dem Membranträger kann ein Bondverfahren angewendet werden, wobei auch zwischen dem Deckelelement und dem Membranträger ein Bondverfahren zur Verbindung ver- wendet werden kann. Derartige Verfahren eignen sich insbesondere zur Herstellung von Drucksensoren für mikrotechnische Anwendungen, und können als On- The-Chip-Sensoren ausgebildet sein. Derartige Membrananordnungen finden in einem Mikrofon oder einem Drucksensor Anwendung, wobei derartige Sensoren insbesondere in der Luftfahrttechnik auf Tragflächen eines Luftfahrzeugs oder im Rotorblatt eines Hubschraubers angeordnet werden können, da sie konzeptionell eine hohe Robustheit gegen die Umwelteinflüsse im jeweiligen Einsatzspektrum besitzen.
Weitere, die Erfindung verbessernden Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
Es zeigt:
Figur 1 eine perspektivische Ansicht der Membrananordnung, wobei das Deckelelement sowie der Pfropfenkörper zur Ansicht der Aufnahmevertie- fung entfernt sind; und
Figur 2 eine schematische Querschnittsansicht der erfindungsgemäßen Membrananordnung, bei der ein Pfropfenkörper innerhalb der Aufnahmevertiefung eingebracht ist.
Die in Figur 1 gezeigte Membrananordnung 1 weist eine Membran 2 auf, welche in einem Membranträger 3 aufgenommen ist. Im Membranträger 3 ist eine Aufnahmevertiefung 4 eingebracht, wobei die Membran 2 den Bodenbereich der Aufnahmevertiefung 4 bildet. Gemäß dieses Ausführungsbeispiels ist die Membran 2 und der Membranträger 3 einteilig ausgeführt, wobei die Aufnahmevertiefung 4 lediglich in das Material des Membranträgers 3 eingebracht ist. Der Membranträger 3 ist durch ein Substrat 9 aufgenommen, das als Trägermaterial für die Membrananordnung 1 dient. In Figur 2 ist eine schematische Querschnittsansicht der Membrananordnung 1 gezeigt. Die Membran 2 ist im Membranträger 3 aufgenommen, und bildet den Bodenbereich der Aufnahmevertiefung 4, welche als Vertiefung innerhalb des Membranträgers 3 eingebracht ist. Oberhalb des Membranträgers 3 ist ein De- ckelelement 5 angeordnet, wobei zwischen der Oberseite des Membranträgers 3 und dem Deckelelement 5 ein Spalt 11 ausgebildet ist. Der Bereich oberhalb des Deckelelementes 5 bildet die Außenseite der Membrananordnung 1 , auf der sich das Medium befindet, dessen Druck gemessen werden soll. Die Verbindung zwischen der Membran 2 und der Außenseite oberhalb des Deckelelementes 5 wird durch Durchgangslöcher 8 gebildet, welche benachbart zur Aufnahmevertiefung 4 angeordnet sind und durch die der Druck oder der Schall an die Membran 2 gelangen kann.
Die Verbindung verläuft von den Durchgangslöchern 8 über den Spalt 11 zur Membran 2, wobei oberhalb der Membran 2 erfindungsgemäß ein Pfropfenkörper 6 angeordnet ist. Zwischen dem Pfropfenkörper 6 und der Membran 2 ist ein Spaltabstand 7a ausgebildet, wobei zwischen dem Pfropfenkörper 6 und dem Membranträger 3 der Spaltabstand 7b ausgebildet ist. Der Verlauf des Mediums, dessen Druck zu messen ist, erstreckt sich somit vom Spalt 11 zur Membran 2 durch den Spaltabstand 7b.
Das Volumen, welches gebildet wird durch den Spaltabstand 7a und 7b, bildet das verbleibende Freivolumen, welches durch die Anordnung des Pfropfenkörpers 6 minimiert wird. Die Wahl des optimalen Spaltabstandes 7a und 7b ist dabei derart gewählt, dass eine Beeinträchtigung des Messvorgangs zur Messung des Druckes oberhalb des Deckelelementes 5 durch die Membran 2 nicht beeinträchtigt wird, wobei lediglich eine derart geringe Menge an Wasser in den Freiraum zwischen dem Pfropfenkörper 6 und der Membran 2 eindringen kann, das diese bei einer Vereisung die Membran 2 nicht beschädigen kann. Damit eine Auslenkung der Membran 2 in Richtung zum Substrat 9 erfolgen kann, ist in dieses eine Ausnehmung 10 eingebracht, welche im Bereich unterhalb der Membran 2 ausgebildet ist. Der Pfropfenkörper 6 ist aus einem Silikonmaterial oder ähnlichem hergestellt, so dass dieser eine hohe Nachgiebigkeit aufweist. Aufgrund dieser Nachgiebigkeit kann bei Erstarrung des Wassers innerhalb des Freivolumens zwischen der Membran 2 und dem Pfropfenkörper 6 eine Ausdehnung des Volumens des Wassers bei Erstarrung in Richtung des Pfropfenkörpers 6 erfolgen. Folglich wird die maximal auf die Membran 2 wirkende Kraft durch die Erstarrung des Wassers begrenzt, so dass diese nicht beschädigt werden kann.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders ge- arteten Ausführungen Gebrauch macht. Folglich besteht die Möglichkeit, alternativ zur Anbringung des Pfropfenkörpers 6 das Deckelelement 5 beispielsweise durch einen Tiefziehvorgang in Richtung der Aufnahmevertiefung 4 auszuprägen, so dass das Deckelelement 5 das Volumen innerhalb der Aufnahmevertiefung 4 über der Membran 2 einnimmt. Folglich ist der Bereich des Deckelelementes 5 derart dicht beabstandet über der Membran 2 angeordnet, dass das Freivolumen über der Membran 2 ebenfalls minimiert wird. Wird das Deckelelement 5 aus einem ätzbaren Material hergestellt, so kann es derart angeätzt werden, dass es auf gleiche Weise wie auch der Pfropfenkörper 6 in das Volumen der Aufnahmevertiefung 4 hineinragt. Beim Ätzen des Deckelelementes 5 kann bedingt durch den Ätzpro- zess die gleiche Ätzschräge hergestellt werden, wie diese auch beim Ätzen des Membranträgers 3 entsteht. Folglich ist die Erfindung nicht auf einen einzelnen Pfropfenkörper 6 beschränkt, der am Deckelelement 5 befestigt wird und durch einen Abguss in der Aufnahmevertiefung 4 hergestellt ist.
Bezugszeichenliste
1 Membrananordnung
2 Membran
3 Membranträger
4 Aufnahmevertiefung
5 Deckelelement
6 Pfropfenkörper
7 Spaltabstand
8 Durchgangsloch
9 Substrat
10 Ausnehmung
11 Spalt

Claims

Patentansprüche
1. Membrananordnung (1) mit einer Membran (2) zur Messung eines Druckes eines Mediums, eines akustischen Schalls oder dergleichen, wobei ein Membranträger (3) mit einer Aufnahmevertiefung (4) vorgesehen ist, in der die Membran (2) aufgenommen ist, und wobei beabstandet zur Membran (2) messseitig ein Deckelelement (5) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Aufnahmevertiefung (4) zwischen der Membran (2) und dem Deckelelement (5) ein Pfropfenkörper (6) angeordnet ist, um das Volumen von in die Aufnahmevertiefung (4) eindringenden Flüssigkeiten zu verringern.
2. Membrananordnung (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Pfropfenkörper (6) am Deckelelement (5) angeordnet oder an diesem angeformt ist.
3. Membrananordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Pfropfenkörper (6) der Form der Aufnahmevertiefung (4) angepasst ist.
4. Membrananordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmevertiefung (4) einen trapezförmigen oder einen trichterförmigen Querschnitt aufweist, der sich in Richtung zur Membran (2) verjüngt.
5. Membrananordnung (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Pfropfenkörper (6) aus einem nachgiebigen Material, umfassend ein Silikonmaterial oder einem elastischen Kunststoff oder Kunststoffschaum, ausgebildet ist.
6. Membrananordnung (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Pfropfenkörper (6) und der Membran (2) sowie zwischen dem Pfropfenkörper (6) und dem Membranträger (3) ein Spaltabstand (7a, 7b) ausgebildet ist.
7. Membrananordnung (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Deckelelement (5) wenigstens ein Durchgangsloch (8) eingebracht ist, durch das der Druck des Mediums oder der Schall an die Membran (2) gelangen kann.
8. Membrananordnung (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Membranträger (3) auf einem Trägerelement, umfassend ein Substrat (9), aufgenommen ist.
9. Membrananordnung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (9) im Bereich der Membran (2) eine Ausnehmung (10) aufweist, um eine Beweglichkeit der Membran (2) zu schaffen.
10. Membrananordnung (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membrananordnung in einem Mikrofon oder in einem Drucksensor angeordnet ist.
11. Membrananordnung (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmevertiefung (4) durch einen Ätzpro- zess oder mechanisch im Membranträger (3) hergestellt ist, sodass diese mit der Membran (2) einteilig und materialeinheitlich ausgebildet ist.
12. Membrananordnung (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membrananordnung (1) in einer Tragfläche eines Luftfahrzeugs oder im Rotorblatt eines Hubschraubers angeordnet ist.
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