DE3703697A1 - Drucksensor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drucksensor, insbesondere der Bauart, die ein starres Trägergehäuse und ein Diaphragma beinhaltet, das über den Umfang durch eine Klebstoffschicht mit dem Trägergehäuse verbunden ist und auf einem Mittelteil, der zum Trägergehäuse einen Abstand aufweist und an seiner Oberfläche, die zum Trägergehäuse hinweist, zumindest einen Dickfilmwiderstand trägt, der als ein piezoelektrischer Widerstandsaufnehmer wirkt. Das Diaphragma wird elastisch in Richtung des Trägergehäuses verformt, wenn ein Druck auf dessen andere Oberflächenseite wirkt.

In den Fig. 1 bis 3 ist ein Drucksensor dieser Bauart gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Dieser beinhaltet, wie bereits bekannt, ein im wesentlichen kreisförmiges starres Trägergehäuse 1, das üblicherweise aus Keramik besteht, an dessen Oberfläche ein ringförmiger Vorsprung 1 a angeformt ist. Dieser Vorsprung grenzt eine flache zurückgesetzte Oberfläche 1 b des Trägergehäuses ab (Fig. 2). Der Sensor umfaßt weiterhin ein Diaphragma 2, das üblicherweise aus einer im wesentlichen kreisförmigen Keramikscheibe mit einer Dicke in der Größenordnung von 500 µm aufweist. Dieses Diaphragma weist einen umlaufenden Teilabschnitt auf, der mittels einer Kleberschicht 3 an der nach oben weisenden Oberfläche des ringförmigen Vorsprungs 1 a des Trägergehäuses 1 befestigt ist. Üblicherweise werden sowohl das Diaphragma 2 wie auch der Vorsprung 1 a des Trägergehäuses 1 mit entsprechenden Schichten von glasartigem Kleber mittels Siebdruck aufgebracht. Danach werden das Trägergehäuse und das Diaphragma in sich gegenüberliegender Stellung gebracht und in einem Ofen erhitzt, so daß die Klebstoffschichten schmelzen. Vor dem Klebeschritt werden auf der Oberfläche 2 a des Diaphragmas 2, die in zusammengebautem Zustand der Oberfläche des Trägergehäuses 1 gegenüberliegt, Dickfilmwiderstände R aufgebracht, die als Dehnungsmeßstreifen auf der Basis von piezoelektrischen Widerständen dienen, und weiterhin werden Leiterbahnen für deren Verbindung untereinander und deren Verbindung mit äußeren Schaltkreisen aufgebracht. Auch die Leiterbahnen werden zumeist mittels eines Siebdruckverfahrens gemäß der Dickfilmtechnik üblich aufgebracht.

Im Betrieb verformt sich das Diaphragma 2 elastisch zum Trägergehäuse 1 hin, wenn ein Druck auf das Diaphragma 2 in der Art wirkt, wie es in Fig. 3 mittels der Pfeile, die mit F bezeichnet sind, angedeutet ist. Die Dickfilmwiderstände R verformen sich und in der Folge verändert sich deren Widerstandswert. Diese Widerstandsänderung kann durch außenliegende Schaltungen üblicher Bauweise ausgewertet werden.

Bei Drucksensoren der zuvor unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 3 beschriebenen Bauart tritt das folgende Problem auf. Die Abmessungen des Diaphragmas hängen vom Druckbereich ab, der mit dem Sensor gemessen werden soll. Das Diaphragma wird für verhältnismäßig niedrige Druckbereiche verhältnismäßig dünn ausgebildet sein, während das Diaphragma allgemein dicker ausgelegt sein muß, um relativ höhere Drücke aufnehmen zu können.

In manchen besonderen Anwendungsfällen ist es notwendig, daß der Drucksensor in der Lage ist, Drücke in einem vorher festgelegten Meßbereich aufzunehmen und allerdings ebenso in der Lage sein muß, wesentlich höheren Drücke, verglichen mit dem eigentlich festgelegten maximal zu messenden Druck, zu widerstehen. Ist beispielsweise ein Sensor für Drücke zwischen 0,5 und 2 Bar ausgelegt, mag es aus Sicherheitsgründen notwendig sein, daß dieser Sensor in der Lage ist, Drücken von beispielsweise 10 Bar standzuhalten. Gemäß dem Stand der Technik mußte ein Diaphragma eines Drucksensors, das diese Bedingungen erfüllen sollte, so ausgelegt sein, daß es einem Druck von bis zu 10 Bar ausgesetzt werden könnte, d.h. elastisch ausgelenkt werden könnte, ohne zu zerreißen. Infolge dieses Auslegungskriteriums hat der Sensor im Anwendungsfall eine wesentlich geringere Sensitivität, d.h., daß nur eine schwache Deformation des Diaphragmas in dem zu messenden Druckbereich vorkommt bis hin zu einem Meßbereich, in dem genauere Messungen möglich sind, d.h. bezogen auf das Beispiel einem Druck von bis zu 5 Bar.

Die Sensoren der herkömmlichen Bauart, wie sie weiter oben beschrieben ist, haben also den Nachteil einer schlechten Sensitivität im Bereich der zu messenden Druckwerte, wenn sie so ausgelegt werden müssen, daß sie ausnahmsweise hohen Drücken eines wesentlichen höheren Wertes als dem eigentlich zu messenden Maximaldruck widerstehen können müssen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, einen Drucksensor der zuvor genannten Gattung zur Verfügung zu stellen, der es ermöglicht, einerseits eine hohe Meßgenauigkeit im gewünschten Druckmeßbereich zu gewährleisten und gleichzeitig andererseits eine Druckfestigkeit gegen vereinzelt auftretende, wesentlich höhere Drücke zu gewährleisten.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe im wesentlichen durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des zuvor stehenden Patentanspruchs 1 gelöst.

In dem erfindungsgemäßen Sensor kann das Diaphragma also derart ausgelegt werden, daß es Drücken widerstehen kann, d.h. elastisch ausgelenkt werden kann, ohne zu zerreißen, die im wesentlichen dem maximalen Druck des vorher festgelegten Meßbereiches entsprechen oder leicht darüber liegen. Wenn der auf das Diaphragma wirkende Druck eines derartigen Sensors den Maximaldruck des vorherbestimmten Druckbereichs überschreitet, legt sich das Diaphragma gegen die Oberfläche des gegenüberliegenden Trägergehäuses 1 und kann dadurch dem Überdruck widerstehen.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispielen.

Es zeigt

Fig. 1: wie bereits beschrieben eine perspektivische Ansicht eines Drucksensors gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 2: wie bereits beschrieben einen Schnitt entlang der Linie II-II der Fig. 1,

Fig. 3: ebenfalls wie zuvor beschrieben eine ähnliche Ansicht wie sie in Fig. 2 dargestellt ist,

Fig. 4: eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Drucksensors,

Fig. 5: eine Schnittdarstellung entlang der Linie V-V der Fig. 4 und

Fig. 6: einen Ausschnitt ähnlich der Ansicht, wie sie in Fig. 5 dargestellt ist, eines Drucksensors gemäß der Erfindung unter Bedingungen, in denen dieser einem Druck ausgesetzt ist, der größer ist als der Maximaldruck des voher festgelegten Meßbereichs.

Der in den Fig. 4 und 5 dargestellte erfindungsgemäße Drucksensor umfaßt, wie auch die Ausführungen gemäß dem Stand der Technik, ein starres Trägergehäuse 10, das beispielsweise aus Keramik besteht, an welchem ein Diaphragma 20, welches ebenfalls beispielsweise aus einer dünnen Keramikscheibe besteht, fixiert ist. Wie im einzelnen in Fig. 5 gezeigt ist, ist die obenliegende Oberfläche 10 a des Trägergehäuses 10 flach ausgeführt. Das Diaphragma 20 wird fixiert und gestützt vom Trägergehäuse 10 mittels einer als Zwischenschicht aufgebrachten ringförmigen Klebeschicht 30. Diese Klebeschicht hat eine Dicke D, die genaustens festgelegt ist, so daß der Abstand zwischen dem Diaphragma 20 und der obenliegenden Oberfläche 10 a des Trägergehäuses 10 insgesamt im wesentlichen der Auslenkung des Diaphragmas 20 entspricht, die durch den maximalen Druck des vorherbestimmten Meßbereichs bewirkt wird. Somit ist die Dicke des Klebers so bemessen, daß, wenn beispielsweise der Sensor Drücke bis zu 5 Bar hin messen soll, der Zwischenraum zwischen dem Diaphragma 20 und der Oberfläche 10 a des Trägergehäuses 10 der Auslenkung des Diaphragmas entspricht, wenn es einem Druck von 5 Bar unterworfen ist. Wenn beispielsweise ein Druck von 10 Bar auf das Diaphragma 20 einwirkt, ist das Diaphragma in Kontakt mit der Oberfläche 10 a des Trägergehäuses 10 gebracht, wie es in Fig. 6 dargestellt ist, und leitet die Kräfte über das Trägergehäuse 10 ab. Somit ist der Sensor im Anwendungsfall in der Lage, Drücken bis zu Werten, denen auch das Trägergehäuse 10 selbst ausgesetzt werden kann, standzuhalten.

Der Zwischenraumabstand zwischen dem Diaphragma und dem Trägergehäuse kann sehr genau dadurch kalibriert werden, daß die Dicke der Kleberschicht, welche durch ein Siebdruckverfahren auf das Diaphragma und das Trägergehäuse aufgebracht wird, gesteuert wird. Üblicherweise ist der Zwischenraumsabstand zwischen dem Diaphragma und dem Trägergehäuse in der Größenordnung von 10 µm. Normalerweise aber nicht notwendigerweise, ist eine Ausnehmung 10 b wie in den Fig. 5 und 6 gezeigt, in der Oberfläche 10 a des Trägergehäuses 10 vorgesehen, die dem Dickfilmwiderstand R gegenüberliegt, der im Zentrumsbereich des Diaphragmas 20 angeformt ist. Somit ist, wie in Fig. 6 gezeigt, eine Beschädigung des Dickfilmwiderstands, im Falle, daß das Blatt oder Diaphragma 20 sich an das Trägergehäuse anlegt und dadurch die Dickfilmwiderstände mit dem Trägergehäuse in Kontakt kommen, ausgeschlossen.

Selbstverständlich bleibt das hierin enthaltende Erfindungsprinzip dasselbe, wenn Ausführungsformen und Konstruktionsdetails der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele im Rahmen der mitgeteilten technischen Lehre variert werden.

Claims (2)

1. Drucksensor mit einem starren Trägergehäuse und einem Diaphragma, welches an einem umlaufenden Teilabschnitt mittels einer Kleberschicht auf dem Trägergehäuse aufgebracht ist und an einem zentralen Teilabschnitt, der in einem Abstand von dem Trägergehäuse liegt, zumindest einen Dickfilmwiderstand an seiner Oberfläche, die dem Trägergehäuse gegenüberliegt, aufweist, wobei dieser als piezoelektrischer Widerstandsaufnehmer wirkt, und das Diaphragma sich unter auf seine äußere Oberfläche wirkendem Druck elastisch zum Trägergehäuse hin verformen kann, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche (10 a) des Trägergehäuses (10), welches mit dem Diaphragma (20) verbunden ist, flach ausgeführt ist, und daß die Klebeschicht (30) eine derart festgelegte Dicke aufweist, daß der Abstand (D) zwischen dem Diaphragma (20) und der Oberfläche (10 a) des Trägergehäuses (10) zumindest im wesentlichen gleich ist der entsprechenden Auslenkung des Diaphragmas (20) infolge des maximalen Drucks des vorherbestimmten Meßbereichs.

2. Drucksensor gemäß Anspruch 1, in welchen zumindest ein Dickfilmwiderstand (R) in der zentralen Zone des Diaphragmas angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ausnehmung (10 b) im Bereich der Oberfläche (10 a) des Trägergehäuses (10) vorhanden ist, der dem zumindest einen Widerstand (R) gegenüberliegt.