WO2017148660A1

WO2017148660A1 - Drucksensor

Info

Publication number: WO2017148660A1
Application number: PCT/EP2017/052643
Authority: WO
Inventors: Thomas Kralik; Frank Stuhr; Armin GÖPFRICH
Original assignee: Metallux Ag
Priority date: 2016-03-02
Filing date: 2017-02-07
Publication date: 2017-09-08
Also published as: EP3423801A1; DE102016203428B3

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drucksensor (1 ) mit einem monolithischen Grundkörper (2), der einen Ringbereich (3) und einen Membranbereich (4) aufweist, wobei der Ringbereich (3) einen Hohlraum (6) in Umfangsrichtung (5) umschließt und wobei der Membranbereich (4) den Hohlraum (6) an einem Axialende des Ringbereichs (3) verschließt. Außerdem ist eine interne elektrische Schaltung (9) vorgesehen, die einen Messbereich (10) aufweist, der an einer vom Hohlraum (6) abgewandten axialen Außenseite (14) des Grundkörpers (2) auf dem Membranbereich (4) angeordnet ist. Ein vereinfachter Aufbau ergibt sich, wenn eine Ringscheibe (15) vorgesehen ist, die auf der axialen Außenseite (14) des Grundkörpers (2) angeordnet ist und die einen Ringkörper (16) und eine Zentralöffnung (17) aufweist, die vom Ringkörper (16) in der Umfangsrichtung (5) vollständig einfasst ist, wenn der Messbereich (10) innerhalb der Zentralöffnung (17) angeordnet und vom Ringkörper (16) in der Umfangsrichtung (5) umschlossen ist, und wenn eine scheibenförmige Abdeckung (18) vorgesehen ist, die auf einer vom Grundkörper (2) abgewandten axialen Außenseite (19) der Ringscheibe (15) angeordnet ist und dabei die Zentralöffnung (17) abdeckt.

Description

Drucksensor

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drucksensor zum Messen eines Drucks in einem Fluid, also in einer Flüssigkeit oder in einem Gas, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 .

Ein derartiger Drucksensor ist beispielsweise aus der WO 2004/042337 A1 bekannt. Er umfasst einen monolithischen Grundkörper, der einen Ringbereich und einen Membranbereich aufweist. Dabei umschließt der Ringbereich einen Hohlraum in einer Umfangsrichtung. Der Membranbereich verschließt diesen Hohlraum an einem Axialende des Ringbereichs. Ferner ist der Drucksensor mit einer internen elektrischen Schaltung ausgestattet, die einen Messbereich aufweist. Dieser Messbereich ist an einer vom Hohlraum abgewandten Außenseite des Grundkörpers auf dem Membranbereich angeordnet. Der bekannte Drucksensor kann als Absolutdrucksensor ausgestaltet werden. Hierzu wird eine separate Vakuumkammer in den Membranbereich integriert. Der hierzu erforderliche Aufwand ist vergleichsweise groß. Beim bekannten Drucksensor ist der Grundkörper aus Kunststoff hergestellt. Ferner ist beim bekannten Drucksensor die interne Schaltung Umwelteinflüssen ausgesetzt, was zu einer Verunreinigung und/oder Beschädigung der Schaltung führen kann.

Unter einem monolithischen Körper wird im vorliegenden Zusammenhang ein in oder aus einem Stück hergestellter Körper verstanden, der keine separaten Bestandteile besitzt, die zusammengebaut sind, um den Körper zu bilden. Typische monolithische Körper sind Pressformteile, Sinterteile, Gussteile. Aus der DE 10 2008 051 400 A1 ist ein weiterer Drucksensor dieser Bauart bekannt. Bei diesem Drucksensor ist der Grundkörper aus einer Keramik hergestellt.

Aus der DE 10 2014 213 941 A1 ist ein Absolutdrucksensor bekannt, bei dem ein Deckel auf den metallischen Grund körper aufgesetzt ist, um eine integrierte, also nicht separate Referenzdruckkammer auszubilden. In der Referenzdruckkammer herrscht ein vorbestimmter von 0 bar verschiedener Unterdruck. Thermische Effekte werden mit einer entsprechenden Elektronik ausgeglichen.

Ein anderer Absolutdrucksensor ist aus der EP 1 363 1 16 A1 bekannt, bei dem der Grundkörper aus Metall besteht und bei dem an den Grundkörper eine separate Referenzdruckkammer angebaut ist, in der ebenfalls ein vorbestimmter von 0 bar verschiedener Unterdruck herrscht. Elektrische Anschlüsse des Drucksensors sind über bzw. durch eine Bodenplatte der Referenzdruckkammer nach außen geführt. Die Verkabelung der Schaltung des Grundkörpers mit dieser Bodenplatte ist vergleichsweise aufwändig in ihrer Herstellung.

Für eine Vielzahl von Anwendungsformen derartiger Drucksensoren besteht das Bedürfnis, den Drucksensor unmittelbar mit demjenigen Fluid in Kontakt bringen zu können, dessen Druck mit Hilfe des Drucksensors gemessen werden soll. Besonders vorteilhaft kann dabei die Ausgestaltung eines derartigen Drucksensors als Absolutdrucksensor sein, wobei eine temperaturunabhängige Ausführungsform bevorzugt ist.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für einen Drucksensor der vorstehend beschriebenen Art eine verbesserte oder zumindest eine andere Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch einen verbes- serten Schutz der internen Schaltung auszeichnet. Des Weiteren ist ein besonders einfach herstellbarer Aufbau angestrebt.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, den Drucksensor mit einer Abdeckung auszustatten, mit deren Hilfe zumindest der Messbereich der internen elektrischen Schaltung abgedeckt werden kann. Außerdem ist eine Ringscheibe vorgesehen, die axial zwischen der Abdeckung und dem Grundkörper angeordnet ist und die den Messbereich in der Umfangsrichtung umschließt. Die Ringscheibe dient dabei als axiales Distanzelement, um einen axialen Kontakt zwischen dem Messbereich bzw. dem Membranbereich und der Abdeckung zu verhindern. Mit anderen Worten, mit Hilfe der Ringscheibe kann axial zwischen dem Grundkörper und der Abdeckung ein Zwischenraum geschaffen werden, in dem sich der Messbereich befindet und der die erforderliche Beweglichkeit des Membranbereichs relativ zur Abdeckung gewährleistet. Durch die Abdeckung ist die interne elektrische Schaltung zumindest im Messbereich effizient geschützt. Gleichzeitig kann für den Drucksensor zumindest axial ein extrem kompakter Aufbau geschaffen werden.

Im Einzelnen weist die Ringscheibe einen Ringkörper und eine Zentralöffnung auf, die vom Ringkörper in der Umfangsrichtung vollständig eingefasst ist. Ferner ist die Ringscheibe auf die dem Hohlraum abgewandte axiale Außenseite des Grundkörpers aufgebracht. Die Ringscheibe ist so dimensioniert, dass der Messbereich der internen elektrischen Schaltung innerhalb der Zentralöffnung liegt und vom Ringkörper in der Umfangsrichtung umschlossen ist. Die Abdeckung ist scheibenförmig ausgestaltet und auf einer vom Grundkörper abgewandten axia- len Außenseite der Ringscheibe angeordnet, so dass sie die Zentralöffnung abdeckt. Somit ist die Ringscheibe sandwichartig axial zwischen dem Grundkörper und der Abdeckung angeordnet.

Die Ringscheibe ist separat ausgeführt, so dass sie bezüglich des Grundkörpers und der Abdeckung ein separates Bauteil bzw. eine separate Komponente repräsentiert. Dabei kann die Ringscheibe als separates Bauteil zwischen Grundkörper und Abdeckung angeordnet sein und auf geeignete Weise mit dem Grundkörper und mit der Abdeckung fest verbunden sein. Bevorzugt ist die Ringscheibe dagegen eine separate Komponente, die durch eine Beschichtung aus einem Verbindungswerkstoff, z.B. Lot oder Klebstoff, insbesondere Glaslot, gebildet ist. Diese Beschichtung ist auf den Grundkörper und/oder auf die Abdeckung aufgebracht, z.B. aufgedruckt. Diese Beschichtung wird im Verlaufe der weiteren Herstellung des Drucksensors, vorzugsweise durch ein thermisches Verfahren, insbesondere durch einen Einbrennvorgang, ausgehärtet, wobei zum einen der separate Körper, nämlich der Ringkörper, ausgebildet wird, während zum anderen gleichzeitig eine feste Verbindung mit dem Grundkörper und mit der Abdeckung erzeugt wird. Letztlich dient in diesem Fall die Ringscheibe als Verbindungsmittel zum festen Verbinden der Abdeckung mit dem Grundkörper.

Zweckmäßig besitzt die scheibenförmige Abdeckung im Wesentlichen denselben Querschnitt wie der Grundkörper. Der jeweilige Querschnitt ist dabei senkrecht zur Axialrichtung orientiert. Bei einem kreisförmigen Querschnitt besitzen Abdeckung und Grundkörper etwa denselben Durchmesser. Die Formulierung "etwa" schließt hier Abweichungen von maximal ±10%, vorzugsweise von maximal ±5% ein. Vorzugsweise ist die Abdeckung im Querschnitt maximal gleich groß wie der Grundkörper. Bevorzugt ist auch die Ringscheibe im Querschnitt maximal gleich groß wie der Grundkörper. Vorzugsweise ist die Ringscheibe im Querschnitt jedoch etwas kleiner als der Grundkörper und/oder etwas kleiner als die Abde- ckung, vorzugsweise maximal 10% kleiner. Denkbar sind auch Ausführungsformen, bei denen die Abdeckung und/oder die Ringscheibe einen kleineren

Durchmesser aufweisen als der Grundkörper.

Die vorstehenden Maßnahmen führen dazu, dass am Grundkörper durch die Ringscheibe und durch die Abdeckung keine radial nach außen vorstehenden Störkonturen entstehen, was die Handhabung des hier vorgestellten Drucksensors erheblich vereinfacht. Ferner wird dadurch auch eine radial kompakte Bauform unterstützt.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann die interne elektrische Schaltung einen Kontaktbereich aufweisen, der mehrere elektrische Kontaktstellen aufweist, die außerhalb des Membranbereichs, also im Ringbereich auf der axialen Außenseite des Grundkörpers angeordnet sind. Über diese Kontaktstellen und entsprechende Leiterbahnen des Kontaktbereichs lässt sich dann der Messbereich der internen elektrischen Schaltung elektrisch kontaktieren. Dieser Messbereich kann beispielsweise durch eine Brückenschaltung von dehnungsempfindlichen Elementen gebildet sein, die bei einer elastischen Verformung ihren elektrischen Widerstand verändern. Üblicherweise kommt hier eine Wheatstone- Brücke zum Einsatz, um Dehnmessstreifen miteinander zu verbinden. Die

Dehnmessstreifen können dabei durch Widerstandsbahnen gebildet sein. Diese Widerstandsbahnen können auf die axiale Außenseite des Grundkörpers aufgedruckt sein. Ebenso kann der Kontaktbereich auf die Außenseite des Grundkörpers aufgedruckt sein. Zweckmäßig wird der Kontaktbereich vor dem Messbereich auf dem Grundkörper ausgedruckt.

Des Weiteren kann die Ringscheibe zweckmäßig im Ringkörper, also außerhalb der Zentralöffnung mehrere Kontaktöffnungen aufweisen, die jeweils zu einer der Kontaktstellen axial fluchten. Somit ist es möglich, die Kontaktstellen der internen elektrischen Schaltung durch die Ringscheibe hindurch zu kontaktieren.

Des Weiteren kann die Abdeckung zweckmäßig mehrere Verbindungsöffnungen aufweisen, die jeweils zu einer der Kontaktöffnungen axial fluchten. Dementsprechend ist es möglich, durch die Abdeckung hindurch und durch die Kontaktöffnungen hindurch die Kontaktstellen der internen Schaltung elektrisch zu kontaktieren.

Vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei der an einer vom Grundkörper abgewandten axialen Außenseite der Abdeckung eine externe elektrische Schaltung angeordnet ist, die durch die Verbindungsöffnungen und durch die Kontaktöffnungen hindurch mit den Kontaktstellen der internen elektrischen Schaltung elektrisch kontaktiert ist. Beispielsweise kann die externe elektrische Schaltung zum Anschließen einer Auswerteelektronik vorgesehen sein, die insbesondere einen Mikroprozessor umfassen kann. Zusätzlich oder alternativ kann die externe Schaltung beispielsweise Abgleichwiderstände aufweisen, um den Messbereich der internen Schaltung im Rahmen der Herstellung kalibrieren zu können. Im Extremfall umfasst die externe Schaltung jedoch nur Anschlussstellen und/oder Leiterbahnen, die es ermöglichen, den Drucksensor mit einer die Sensorsignale verarbeitenden Einrichtung zu verbinden. Durch die elektrische Kontaktierung der externen Schaltung mit der internen Schaltung durch die Verbindungsöffnungen der Abdeckung und durch die Kontaktöffnungen der Ringscheibe hindurch vereinfacht sich die elektrische Kontaktierung der beiden Schaltungen, was die Herstellung des Drucksensors erheblich vereinfacht.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann die elektrische Kontaktierung der externen elektrischen Schaltung mit den Kontaktstellen der internen elektrischen Schaltung durch die Verbindungsöffnungen und durch die Kontaktöffnun- gen hindurch mittels direkter Lötverbindungen erfolgen. Diese direkten Lötverbindungen kommen ohne zusätzliche Verbindungshilfsmittel aus. Beispielsweise sind keine zusätzlichen Drähte oder Leiterbahnen erforderlich. Solche direkten Lötverbindungen lassen sich besonders einfach prozesssicher und automatisiert realisieren, wodurch eine preiswerte Herstellbarkeit des Drucksensors ermöglicht ist. Beispielsweise können die Lötverbindungen im Bereich der Verbindungsöffnungen durch eine Lötschicht realisiert werden, die sich an einer Innenwand der Abdeckung befindet, welche die jeweilige Verbindungsöffnung in der Umfangs- richtung umschließt.

Zweckmäßig kann der Messbereich der internen Schaltung Messwiderstände aufweise, wobei die externe Schaltung dann zweckmäßig einen Abgleichbereich mit Abgleichwiderständen zum Abgleichen der Messwiderstände aufweist. Durch diese Bauweise ist es möglich, den Drucksensor zunächst hinsichtlich sämtlicher erforderlicher Komponenten fertigzustellen, um zu einem späteren Zeitpunkt den Abgleich des Messbereichs durchzuführen. Durch die Verlagerung der Abgleichwiderstände auf die externe Schaltung lässt sich der Messbereich der internen Schaltung kalibrieren, auch wenn nach der Montage des Drucksensors die interne Schaltung an sich nicht mehr zugänglich ist. Ferner steht an der Außenseite der Abdeckung vergleichsweise viel Platz zur Verfügung, wodurch die Abgleichwiderstände entsprechend groß dimensioniert werden können. Große Abgleichwiderstände besitzen einen relativ großen linearen Abgleichbereich, was eine sehr präzise Kalibrierung der Messwiderstände ermöglicht.

Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann die Abdeckung eine Evakuierungsöffnung aufweisen, die mit einer mittels der Zentralöffnung gebildeten Kammer fluidisch verbunden ist, wobei diese Kammer axial einerseits vom Membranbereich, axial andererseits von der Abdeckung und radial vom Ringkörper begrenzt ist. Mit Hilfe dieser Evakuierungsöffnung ist es möglich, die im Übri- gen hermetisch verschlossene Kammer mit einem gewünschten Solldruck zu beaufschlagen. Ist die Kammer mit einem gewünschten Referenzdruck befüllt, lässt sich die Evakuierungsöffnung mittels eines geeigneten Verschlusses verschließen. Die Kammer dient dann als Referenzdruckkammer. Folglich ist dann gegenüber diesem Referenzdruck eine Absolutdruckmessung möglich. Sofern ein von Vakuum, also 0 bar verschiedener Solldruck als Referenzdruck verwendet wird, ergibt sich eine Temperaturabhängigkeit der Absolutdruckmessung. Diese kann durch eine Temperaturmessung mit einer entsprechenden Schaltung berücksichtigt werden. Ebenso sind Anwendungsformen denkbar, bei denen im Wesentlichen keine Temperaturänderung auftritt. Bevorzugt ist jedoch eine Ausführungsform, bei der als Solldruck 0 bar bzw. Vakuum verwendet wird, um einen temperaturunabhängigen Referenzdruck zu erhalten. Besonders vorteilhaft ist daher eine Ausführungsform, bei der die Kammer durch die Evakuierungsöffnung hindurch evakuiert ist, wobei die Evakuierungsöffnung anschließend mittels eines Verschlusses verschlossen ist. In der Kammer herrscht dann Vakuum. Die Kammer dient dann als Referenzdruckraum und ermöglicht eine temperaturunabhängige Absolutdruckmessung. Ein "Vakuum" oder eine "Evakuierung" liegt im vorliegenden Zusammenhang dann vor, wenn in der Kammer im Rahmen der jeweils geforderten Güte oder Qualität des Vakuums ein Druck von maximal 0,3 bar oder 300 hPa herrscht. Beispielsweise wird zwischen einem Grobvakuum mit maximal 300 hPa, einem Feinvakuum mit maximal 1 hPa, einem Hochvakuum (HV) mit maximal 10^"3 hPa, einem Ultrahochvakuum (UHV) mit maximal 10^"7 hPa und einem extrem hohen Vakuum (XHV) mit maximal 10^"12 hPa unterschieden, während sich ein ideales Vakuum (IV) mit 0 hPa in der Regel nur im Labor erzielen lässt.

Vorteilhaft kann besagter Verschluss als Lötpfropfen ausgestaltet sein. Somit lässt sich ein hinreichend dichter Verschluss der Evakuierungsöffnung im Rahmen eines vollautomatischen Prozesses einfach serientauglich herstellen. Zweckmäßig kann die Evakuierungsöffnung radial außerhalb der Zentralöffnung angeordnet sein und fluidisch mit einer Aussparung verbunden sein, die im Ringkörper ausgebildet ist und radial innen an der Zentralöffnung mündet. Auf diese Weise ist der Bereich der Zentralöffnung, in dem sich der Messbereich der internen Schaltung befindet, prozesssicher vor Verunreinigungen geschützt, beispielsweise kann beim Verschließen der Evakuierungsöffnung Werkstoff des Verschlusses in die Evakuierungsöffnung eindringen.

Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei welcher eine axiale Wandstärke der Ringscheibe kleiner ist als eine axiale Wandstärke der Abdeckung. Beispielsweise kann die axiale Wandstärke der Ringscheibe zehnmal oder sogar zwanzigmal kleiner sein als die Wandstärke der Abdeckung. Zusätzlich oder alternativ kann eine axiale Wandstärke der Abdeckung kleiner sein als eine axiale Wandstärke des Ringbereichs des Grundkörpers. Beispielsweise kann die Wandstärke der Abdeckung fünfmal oder zehnmal kleiner sein als die Wandstärke des Grundkörpers im Ringbereich. In jedem Fall wird eine extrem kompakte Bauform für den Drucksensor realisiert.

Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei der eine axiale Wandstärke der Ringscheibe kleiner ist als eine axiale Wandstärke des Membranbereichs. Beispielsweise kann die axiale Wandstärke der Ringscheibe fünfmal oder zehnmal kleiner sein als die Wandstärke des Membranbereichs. Hierdurch baut der Drucksensor in der Axialrichtung extrem kompakt.

Vorteilhaft ist auch eine Ausführungsform, bei welcher der Ringbereich des Grundkörpers eine dem Hohlraum zugewandte Ringstufe aufweist, die den Membranbereich in der Umfangsrichtung einfasst. Hierdurch besitzt der Ringbereich am Übergang zum Membranbereich eine erhöhte Festigkeit. Vorteilhaft ist auch eine Ausführungsform, bei der die vom Hohlraum abgewandte Außenseite des Grundkörpers eben ist. Die Außenseite ist damit durchgehend über den Ringbereich und den Membranbereich hinweg gleichförmig eben ausgestaltet. Die ebene Außenseite vereinfacht das Aufdrucken der internen Schaltung, was eine preiswerte Serienfertigung ermöglicht.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist dementsprechend die interne elektrische Schaltung auf die Außenseite des Grundkörpers aufgedruckt.

Der Grundkörper besteht vorzugsweise aus einer Keramik. Die Ringscheibe kann aus einer Keramik bestehen, vorzugsweise aus einer Glaskeramik, insbesondere aus einem Glaslot. Die Ringscheibe kann mit dem Grundkörper durch eine Glasschmelzverbindung verbunden sein.

Vorteilhaft besteht die Abdeckung aus einer Keramik. Ferner kann die Abdeckung mit der Ringscheibe, die ebenfalls aus einer Keramik, vorzugsweise Glaskeramik, insbesondere Glaslot, bestehen kann, durch eine Glasschmelzverbindung verbunden sein.

Besonders vorteilhaft ist eine Ausgestaltung, bei der die Ringscheibe auf die Außenseite des Grundkörpers aufgedruckt ist, nachdem die interne Schaltung auf der Außenseite des Grundkörpers aufgebracht ist. Durch ein entsprechendes thermisches Verfahren kann die Ringscheibe zunächst verflüssigt und dann ausgehärtet werden. Beispielsweise kann eine Glaskeramik, vorzugsweise ein Glaslot, zum Aufdrucken der Ringscheibe verwendet werden, die durch das thermische Verfahren einen Glaskörper bildet. Zweckmäßig wird die Abdeckung auf die aufgedruckte Ringscheibe aufgebracht bevor diese thermisch behandelt wird. Insbesondere ist es dadurch möglich, bei der thermischen Behandlung der Ringscheibe diese gleichzeitig am Grundkörper und an der Abdeckung einzubrennen, wodurch die Ringscheibe die Abdeckung fest mit dem Grundkörper verbindet.

Die Erfindung betrifft außerdem eine Verwendung eines Drucksensors der vorstehend beschriebenen Art zum Messen eines Drucks in einem Fluid. Die erfindungsgemäße Verwendung zeichnet sich dadurch aus, dass das Fluid an einer dem Hohlraum zugewandten Innenseite des Grundkörpers unmittelbar mit dem Membranbereich in Kontakt kommt. Somit lässt sich der Druck im Fluid unmittelbar messen.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines Drucksensors der vorstehend beschriebenen Art charakterisiert sich dadurch, dass zum Befestigen der Abdeckung am Grundkörper die Ringscheibe plastifiziert wird. Mit anderen Worten, der Werkstoff der Ringscheibe wird zumindest an den der Abdeckung und dem Grundkörper zugewandten Axialseiten soweit verflüssigt bzw. plastifiziert, dass dort eine innige Verbindung mit den Werkstoffen der Abdeckung und des Grundkörpers entsteht. Vorzugsweise ist die Ringscheibe aus einer Glaskeramik hergestellt, während die Abdeckung und der Grundkörper aus wenigstens einer anderen, dazu kompatiblen Keramik bestehen, die einen höheren Schmelzpunkt besitzt. Die Ringscheibe ist vorzugsweise durch Glaslot gebildet.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, son- dern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.

Es zeigen, jeweils schematisch,

Fig. 1 einen leicht perspektivischen Längsschnitt eines Drucksensor,

Fig. 2 eine isometrische Ansicht des Drucksensors mit transparent dargestellter Abdeckung,

Fig. 3 eine isometrische Explosionsdarstellung des Drucksensors aus Fig.

2,

Fig. 4 eine isometrische Ansicht des Drucksensors aus Fig. 2, jedoch bei einer anderen Ausbaustufe,

Fig. 5 eine isometrische Ansicht wie in Fig. 4, jedoch bei einer anderen

Ausführungsform des Drucksensors.

Entsprechend den Fig. 1 bis 5 umfasst ein Drucksensor 1 einen monolithischen Grundkörper 2, der vorzugsweise aus einer Keramik hergestellt ist. Der Grundkörper 2 besitzt einen Ringbereich 3 und einen scheibenförmigen Membranbereich 4. Der Ringbereich 3 umschließt in einer durch einen Doppelpfeil angedeuteten Umfangsrichtung 5 einen Hohlraum 6. Der Membranbereich 4 verschließt diesen Hohlraum 6 an einem Axialende des Ringbereichs 3. Eine Axialrichtung 7 ist durch einen Doppelpfeil angedeutet und bezieht sich auf eine Längsmittelachse 8 des Drucksensors 1 . Die Axialrichtung 7 verläuft parallel zur Längsmittelachse 8. Die Umfangsrichtung 5 rotiert um die Längsmittelachse 8 um. Eine nicht näher bezeichnete Radialrichtung bezieht sich ebenfalls auf die Längsmittelsachse 8.

Der Drucksensor 1 ist außerdem mit einer internen elektrischen Schaltung 9 ausgestattet, die einen Messbereich 10 und einen Kontaktbereich 1 1 aufweisen kann. Der Messbereich 10 umfasst mehrere Messwiderstände 12. Der Kontaktbereich 1 1 besitzt mehrere elektrische Kontaktstellen 13, die über Leiterbahnen 38 mit dem Messbereich 10 bzw. mit den Messwiderständen 12 elektrisch verbunden sind. Insbesondere ist im Messbereich 10 eine Wheatstone-Brücke ausgebildet.

Die interne Schaltung 9 ist an einer vom Hohlraum 6 abgewandten axialen Außenseite 14 des Grundkörpers 2 angeordnet. Diese Außenseite 14 des Grundkörpers 2 ist dabei gemeinsam durch den zentralen Membranbereich 4 und den Ringbereich 3 gebildet, der den Membranbereich 4 umschließt. Der Messbereich 10 ist dabei auf dem Membranbereich 4 angeordnet. Der Kontaktbereich 1 1 kann sich bis in den Ringbereich 3 erstrecken. Vorteilhaft sind die Kontaktstellen 13 im Ringbereich 3, also außerhalb des Membranbereichs 4 angeordnet. Zweckmäßig sind der Kontaktbereich 1 1 und der Messbereich 10 auf die Außenseite 14 des Grundkörpers 2 aufgedruckt, z.B. im Siebdruckverfahren, und anschließend eingebrannt.

Ferner ist der Drucksensor 1 mit einer Ringscheibe 15 ausgestattet, die einen Ringkörper 16 und eine darin ausgebildete Zentralöffnung 17 aufweist. Der Ringkörper 16 umschließt die Zentralöffnung 17 in der Umfangsrichtung 5 vollständig. Ferner ist die Ringscheibe 15 axial auf der axialen Außenseite 14 des Grundkörpers 2 angeordnet. Insbesondere kann die Ringscheibe 15 ebenfalls auf die Außenseite 14 des Grundkörpers 2 aufgedruckt sein, z.B. im Siebdruckverfahren. Beispielsweise besteht die Ringscheibe 15 bzw. deren Ringkörper 16 aus einem Glaslot.

Ferner ist der Drucksensor 1 mit einer scheibenförmigen Abdeckung 18 ausgestattet, die in Fig. 2 transparent dargestellt ist. Die Abdeckung 18 kann ebenfalls aus einer Keramik, insbesondere aus einer Glaskeramik bestehen. Die Abdeckung 18 ist axial auf einer vom Grundkörper 2 abgewandten axialen Außenseite 19 der Ringscheibe 15 angeordnet. Dabei ist die Abdeckung 18 so dimensioniert, dass sie die Zentralöffnung 17 der Ringscheibe 15 vollständig abdeckt. Bei den hier gezeigten vorteilhaften Beispielen sind die senkrecht zur Längsmittelachse 8 verlaufenden Querschnitte von Grundkörper 2, Ringscheibe 15 und Abdeckung 18 etwa gleich groß ausgestaltet, so dass keine radial über den Grundkörper 2 abstehende Störkontur entsteht.

Wie sich insbesondere den Fig. 2 und 3 entnehmen lässt, kann die Ringscheibe 15 im Ringkörper 16, beabstandet und separat zur Zentralöffnung 17 mehrere Kontaktöffnungen 20 aufweisen, die jeweils zu einer der Kontaktstellen 13 axial fluchten. Zweckmäßig ist für jede Kontaktstelle 13 genau eine solche Kontaktöffnung 20 vorgesehen. Die jeweilige Kontaktöffnung 20 durchdringt den Ringkörper 15 axial. Außerdem ist hier die Abdeckung 18 mit mehreren Verbindungsöffnungen 21 ausgestattet, die axial die Abdeckung 18 durchdringen. Die Verbindungsöffnungen 21 sind jeweils zu einer der Kontaktöffnungen 20 axial fluchtend angeordnet. Zweckmäßig ist für jede Kontaktöffnung 20 genau eine Verbindungsöffnung 21 vorgesehen. Im hier gezeigten Beispiel besitzt die interne Schaltung 9 bzw. deren Kontaktbereich 1 1 genau vier Kompaktstellen 13. Dementsprechend sind auch genau vier Kontaktöffnungen 20 in der Ringscheibe 15 und genau vier Verbindungsöffnungen 21 in der Abdeckung 18 vorgesehen.

Des Weiteren ist der Drucksensor 1 mit einer externen elektrischen Schaltung 22 ausgestattet, die an einer vom Grundkörper 2 abgewandten axialen Außenseite 23 der Abdeckung 18 angeordnet ist. Auch diese externe Schaltung 22 kann mittels Drucktechnik hergestellt sein und beispielsweise im Siebdruckverfahren auf die Abdeckung 18 ausgedruckt sein. Die externe Schaltung 22 kann nun durch die Verbindungsöffnungen 21 und durch die Kontaktöffnungen 20 hindurch mit den Kontaktstellen 13 der internen Schaltung 9 elektrisch kontaktiert werden. Hierzu weist die externe Schaltung 22 entsprechende Kontaktstellen 24 auf, die sich beispielsweise mittels direkter Lötverbindungen, die hier nicht dargestellt sind, mit den Kontaktstellen 13 der internen Schaltung 9 elektrisch verbinden lassen, wobei sich diese direkten Lötverbindungen durch die Verbindungsöffnungen 21 und durch die Kontaktöffnungen 20 hindurch erstrecken.

Die externe Schaltung 22 kann gemäß der in den Fig. 1 bis 4 gezeigten Ausführungsform dazu vorgesehen sein, einen integrierten Schaltkreis 25, z.B. einen Mikroprozessor oder dergleichen, anzuschließen, um den Drucksensor 1 beispielsweise mit einer Auswerteelektronik auszustatten. Im Beispiel der Fig. 5 weist die externe Schaltung 22 einen Abgleichbereich 37 mit mehreren Abgleichwiderständen 26 auf, mit deren Hilfe die Messwiderstände 12 der internen Schaltung 9 abgeglichen werden können. Die externe Schaltung 33 kann ferner mit Eingangs- und Ausgangsanschlüssen 31 ausgestattet sein, über die sich elektrische Signale vom Drucksensor 1 abgreifen oder zuführen lassen.

Gemäß den Fig. 1 bis 3 kann die Abdeckung 18 gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform optional mit einer Evakuierungsöffnung 27 ausgestattet sein, die sich axial vollständig durch die Abdeckung 18 hindurch erstreckt. Diese Evakuie- rungsöffnung 27 steht dabei fluidisch mit einer Kammer 28 in Verbindung, die axial zwischen der Abdeckung 18 und dem Grundkörper 2 mit Hilfe der Zentralöffnung 17 der Ringscheibe 15 gebildet ist. Diese Kammer 28 ist dementsprechend axial einerseits vom Membranbereich 4, axial andererseits von der Abdeckung 18 und radial vom Ringkörper 16 begrenzt. Somit ist diese Kammer 28 bis auf die Evakuierungsöffnung 27 hermetisch dicht verschlossen.

Sofern der hier vorgestellte Drucksensor 1 als Differenzdrucksensor verwendet werden soll, kann über die Evakuierungsöffnung 27 ein Vergleichsdruck an der axialen Außenseite 14 des Grundkörpers 2 im Membranbereich 4 angelegt werden. Sofern ein vorbestimmter Vergleichsdruck herangezogen wird, kann dieser in der Kammer 28 erzeugt und darin gesichert werden, indem die Evakuierungsöffnung 27 mit Hilfe eines Verschlusses 29 dicht verschlossen wird. Als Verschluss 29 kommt beispielsweise ein Lötpfropfen in Betracht. Als Lot oder Lötmaterial kommen hier sowohl metallische Lote als auch keramische Lote, wie z.B. Glaslot, in Betracht.

Bevorzugt ist jedoch eine Ausführungsform, bei der die Kammer 28 vor dem Verschließen mit dem Verschluss 29 evakuiert wird, so dass darin als Referenzdruck ein Vakuum vorliegt. Bevorzugt herrscht in der Kammer 28 zumindest ein Feinvakuum, also ein Druck von maximal 1 hPa oder 0,001 bar. Somit repräsentiert der Drucksensor 1 dann einen Absolutdrucksensor, der im Wesentlichen unabhängig von der Temperatur arbeitet.

Wie sich insbesondere den Fig. 1 bis 3 entnehmen lässt, kann die Evakuierungsöffnung 27 radial außerhalb der Zentralöffnung 17 angeordnet sein. In diesem Fall ist die Ringscheibe 15 im Bereich des Ringkörpers 16 mit einer Aussparung 30 ausgestattet, die den Ringkörper 16 axial durchdringt und die radial innen in die Zentralöffnung 17 mündet, also dazu offen ist. Die Evakuierungsöffnung 27 ist somit durch diese Aussparung 30 hindurch mit der Zentralöffnung 17 fluidisch verbunden.

Wie sich den Fig. 1 bis 5 entnehmen lässt, besitzen Grundkörper 2, Ringscheibe 15 und Abdeckung 18 unterschiedliche axial gemessene Wandstärken oder Höhen. Eine entsprechende Bemaßung ist jedoch nur in Fig. 1 eingezeichnet. Dementsprechend besitzt der Grundkörper 2 eine axiale Höhe 32. Die Höhe 32 des Grundkörpers 2 entspricht gleichzeitig der axialen Wandstärke 32 des Ringbereichs 3. Die Ringscheibe 15 besitzt eine axiale Wandstärke 33. Die Abdeckung 18 besitzt eine axiale Wandstärke 34. Ferner ist eine axiale Wandstärke 35 des Membranbereichs 4 eingetragen. Erkennbar ist die Wandstärke 32 des Ringbereichs 3 bzw. die Höhe 32 des Grundkörpers 2 deutlich größer als die Wandstärke 34 der Abdeckung 18. Ferner ist die Wandstärke 34 der Abdeckung 18 größer als die Wandstärke 35 des Membranbereichs 4. Schließlich ist die Wandstärke 35 des Membranbereichs 4 größer als die Wandstärke 33 der Ringscheibe 15. Die axiale Wandstärke 33 der Ringscheibe 15 ist zweckmäßig so dimensioniert, so dass auch bei der maximal zu erwartenden Deformierung des Membranbereichs 4 kein Kontakt zwischen dem Messbereich 10 und der Abdeckung 18 entsteht. Die maximal erwartete Deformierung des Membranbereichs 4 tritt beim Maximaldruck auf, für den der jeweilige Drucksensor 1 vorgesehen ist, einschließlich einer gegebenenfalls vorgesehenen Sicherheitsreserve. Bei Drücken, die über den Maximaldruck hinausgehen, kann es dagegen zu einem axialen Kontakt zwischen Membranbereich 4 und Abdeckung 18 kommen, wodurch der Membranbereich 4 vor einer weitergehenden, über seine Elastizitätsgrenze hinausgehenden Deformation geschützt werden kann.

Im Beispiel der Fig. 1 weist der Ringbereich 3 einen Ringstufe 36 auf, die dem Hohlraum 6 zugewandt ist. Die Ringstufe 36 befindet sich dabei in einem der Außenseite 14 des Grundkörpers 2 zugewandten axialen Ende des Ringbereichs 3 und bildet eine in der Umfangsrichtung 5 geschlossene Einfassung des Memb- ranbereichs 4. Beispielsweise kann die Ringstufe 36 im Rahmen der Herstellung des Grundkörpers 2 nachbearbeitet werden, um im Membranbereich 4 möglichst enge Toleranzen für die räumliche Ausdehnung und insbesondere für die Wandstärke 35 des Membranbereichs 4 einhalten zu können.

Bei den hier gezeigten Beispielen ist die vom Hohlraum 6 abgewandten Außenseite 14 des Grundkörpers 2 eben konfiguriert, so dass sie eine ebene Fläche repräsentiert. Somit lässt sich diese Außenseite 14 des Grundkörpers 2 besonders einfach bedrucken, beispielsweise um die interne Schaltung 9 aufzubringen und insbesondere um die Ringscheibe 15 aufzubringen.

Im Rahmen der Herstellung des Drucksensor 1 kann somit vorgesehen sein, zunächst den Grundkörper 2 an seiner Außenseite 14 mit der internen Schaltung 9 zu bedrucken. Nach dem Einbrennen der internen Schaltung 9 kann die Ringscheibe 15 aufgedruckt werden. Vor dem Einbrennen der Ringscheibe 15 wird die Abdeckung 18 aufgebracht. Beim Einbrennen der Ringscheibe 15 wird diese sowohl mit dem Grundkörper 2 als auch mit der Abdeckung 18 plastifiziert. Insbesondere besteht die aufgedruckte Ringscheibe 15 aus Glaslot, der sich beim Einbrennen einerseits mit dem Grundkörper 2 und andererseits mit der Abdeckung 18 fest verbindet.

Die Ringscheibe 15 ist somit in einer bevorzugten Ausführungsform durch eine Glaslotschicht gebildet, welche die Abdeckung 18 am Grundkörper 2 befestigt. Dies ist von besonderem Vorteil, da somit auf separate Befestigungsmittel verzichtet werden kann. Außerdem lässt sich die Ringscheibe 15 durch das Druckverfahren besonders preiswert realisieren. Inn zusammengebauten Zustand ist die Ringscheibe 15 axial zwischen der Abdeckung 18 und dem Grundkörper 2 angeordnet, wobei sie sowohl zum Grundkörper 2 als auch zur Abdeckung 18 jeweils einen großflächigen Kontakt, nämlich entlang ihres gesamten Ringkörpers 16 besitzt.

Der hier vorgestellte Drucksensors 1 lässt sich so verwenden, dass ein Fluid, dessen Druck mithilfe des Drucksensors 1 gemessen werden soll, an einer dem Hohlraum 6 zugewandten Innenseite 39 des Grundkörpers 2 unmittelbar mit dem Membranbereich 4 in Kontakt kommen kann, um eine direkte Druckmessung zu ermöglichen.

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Claims

Ansprüche

1 . Drucksensor,

- mit einem monolithischen Grundkörper (2), der einen Ringbereich (3) und einen Membranbereich (4) aufweist,

- wobei der Ringbereich (3) einen Hohlraum (6) in Umfangsrichtung (5) umschließt,

- wobei der Membranbereich (4) den Hohlraum (6) an einem Axialende des

Ringbereichs (3) verschließt,

- mit einer internen elektrischen Schaltung (9), die einen Messbereich (10) aufweist, der an einer vom Hohlraum (6) abgewandten axialen Außenseite (14) des Grundkörpers (2) auf dem Membranbereich (4) angeordnet ist,

dadurch gekennzeichnet,

- dass eine Ringscheibe (15) vorgesehen ist, die auf der axialen Außenseite (14) des Grundkörpers (2) angeordnet ist und die einen Ringkörper (16) und eine Zentralöffnung (17) aufweist, die vom Ringkörper (16) in der Umfangsrichtung (5) vollständig einfasst ist,

- dass der Messbereich (10) innerhalb der Zentralöffnung (17) angeordnet und vom Ringkörper (16) in der Umfangsrichtung (5) umschlossen ist,

- dass eine scheibenförmige Abdeckung (18) vorgesehen ist, die auf einer vom Grundkörper (2) abgewandten axialen Außenseite (19) der Ringscheibe (15) angeordnet ist und dabei die Zentralöffnung (17) abdeckt.

2. Drucksensor nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet, - dass die interne elektrische Schaltung (9) einen Kontaktbereich (1 1 ) aufweist, der mehrere elektrische Kontaktstellen (13) aufweist, die außerhalb des Membranbereichs (4) auf der axialen Außenseite (14) des Grundkörpers (2) angeordnet sind,

- dass die Ringscheibe (15) im Ringkörper (16) mehrere Kontaktöffnungen (20) aufweist, die jeweils zu einer der Kontaktstellen (13) axial fluchten,

- dass die Abdeckung (18) mehrere Verbindungsöffnungen (21 ) aufweist, die jeweils zu einer der Kontaktöffnungen (20) axial fluchten,

- dass an einer vom Grundkörper (2) abgewandten axialen Außenseite (23) der Abdeckung (18) eine externe elektrische Schaltung (22) angeordnet ist, die durch die Verbindungsöffnungen (21 ) und durch die Kontaktöffnungen (20) hindurch mit den Kontaktstellen (13) elektrisch kontaktiert ist.

3. Drucksensor nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet,

dass die elektrische Kontaktierung der externen elektrischen Schaltung (22) mit den Kontaktstellen (13) durch die Verbindungsöffnungen (21 ) und durch die Kontaktöffnungen (20) hindurch mittels direkter Lötverbindungen erfolgt.

4. Drucksensor nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet,

- dass der Messbereich (10) Messwiderstände (12) aufweist,

- dass die externe elektrische Schaltung (22) einen Abgleichbereich (37) mit Abgleichwiderständen (26) zum Abgleichen der Messwiderstände (12) aufweist.

5. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4,

dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (18) eine Evakuierungsöffnung (27) aufweist, die mit einer mittels der Zentralöffnung (17) gebildeten Kammer (31 ) fluidisch verbunden ist, die axial einerseits vom Membranbereich (4), axial andererseits von der Abdeckung (18) und radial vom Ringkörper (16) begrenzt ist.

6. Drucksensor nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet,

- dass die Kammer (31 ) evakuiert ist,

- dass die Evakuierungsöffnung (27) mittels eines Verschlusses (29) verschlossen ist.

7. Drucksensor nach Anspruch 5 oder 6,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Evakuierungsöffnung (27) radial außerhalb der Zentralöffnung (17) angeordnet ist und fluidisch mit einer Aussparung (30) verbunden ist, die im Ringkörper (16) ausgebildet ist und radial innen in der Zentralöffnung (17) mündet.

8. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7,

dadurch gekennzeichnet,

dass eine axiale Wandstärke (33) der Ringscheibe (15) kleiner ist als eine axiale Wandstärke (35) des Membranbereichs (4).

9. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Ringbereich (3) eine dem Hohlraum (6) zugewandte Ringstufe (36) aufweist, die den Membranbereich (4) in Umfangsrichtung (5) einfasst.

10. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9,

dadurch gekennzeichnet, dass die vom Hohlraum (6) abgewandte Außenseite (14) des Grundkörpers (2) eben ist.

1 1 . Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10,

dadurch gekennzeichnet,

dass die interne elektrische Schaltung (9) auf die Außenseite (14) des Grundkörpers (2) aufgedruckt ist.

12. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 ,

dadurch gekennzeichnet,

- dass die Ringscheibe (15) aus einer Keramik, vorzugsweise aus Glaskeramik, besteht,

- dass der Grundkörper (2) aus einer Keramik besteht,

- dass die Ringscheibe (15) mit dem Grundkörper (2) durch eine Glasschmelzverbindung verbunden ist.

13. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 12,

dadurch gekennzeichnet,

- dass die Abdeckung (18) aus einer Keramik besteht,

- dass die Abdeckung (18) mit der Ringscheibe (15) durch eine Glasschmelzverbindung verbunden ist.

14. Verwendung eines Drucksensors (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Messen eines Drucks in einem Fluid, wobei das Fluid an einer dem Hohlraum (6) zugewandten Innenseite (39) des Grundkörpers (2) unmittelbar mit dem Membranbereich (4) in Kontakt kommt.

15. Verfahren zum Herstellen eines Drucksensors (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem zum Befestigen der Abdeckung (18) am Grundkörper (2) die Ringscheibe (15) plastifiziert wird.

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