DE4211816C2 - Drucksensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Drucksensor mit einem Ge­ häuse, einer einen Membranbereich aufweisenden Platte und einem Zwischenträger, auf dem die Platte montiert ist und der mit dem Gehäuse mit Hilfe eines in einer Fuge zwischen Gehäuse und Zwischenträger angeordneten elastischen Klebstoffs verbunden ist, der durch eine im Mittelbereich angeordnete Begrenzungsfläche für die Fuge an einer Bewegung in den Mittelbereich hinein ge­ hindert ist und der in der Lage ist, Spannungen zwi­ schen Gehäuse und Zwischenträger aufzunehmen.

Ein derartiger Drucksensor ist beispielsweise aus EP 0 317 664 A1 bekannt. Der Zwischenträger besteht hierbei aus einem Glassubstrat, während die Platte aus einem Halbleitermaterial, wie Silizium, gefertigt sein kann. Der Zwischenträger hat hierbei die Aufgabe, die Platte von dem Gehäuse zu iso­ lieren. Das Gehäuse besteht in der Regel aus einem Me­ tall, beispielsweise aus Stahl. Zwischen dem Zwischen­ träger und dem Gehäuse wird eine weitere Trägerschicht verwendet, die etwa den gleichen Temperaturausdehnungs­ koeffizienten wie die Platte haben soll, um die durch eine Temperaturveränderung erzeugten Spannungen zu ver­ ringern. Die Gehäuse und die Trägerschicht sind mit Hilfe einer elastischen Klebschicht verklebt. Die Trä­ gerschicht, auf der der Zwischenträger und die die Mem­ bran aufweisende Platte montiert sind, sind mit Hilfe eines Klemmteils mit dem Gehäuse verspannt. Ferner ist ein Druckleitungsrohr zentral durch die Klebeschicht und die Trägerschicht geführt. Dieses endet jedoch vor dem Zwischenträger.

Ein Vorgängermodell hierzu mit ähnlichem Aufbau ist in EP 0 140 992 A1 beschrieben.

Problematisch bei derartigen Drucksensoren ist die Tat­ sache, daß die Platte und das Gehäuse stark unter­ schiedliche Temperaturausdehnungskoeffizienten haben. Wenn sich das Gehäuse bei einer Temperaturerhöhung stärker ausdehnt als die Platte mit der Membran, kann dies zu Verspannungen in der Membran führen, wodurch die Meßergebnisse verfälscht werden. Man versucht nun, einen Teil der durch die unterschiedlichen Temperatur­ ausdehnungskoeffizienten verursachten Spannungen über den Zwischenträger bzw. dessen Befestigung abzubauen. Hierbei reicht es bei kleineren Drücken aus, einen ela­ stischen Klebstoff zu verwenden, der mechanische Span­ nungen ausgleichen kann, also eine gewisse Relativver­ schiebung zwischen dem Zwischenträger und dem Gehäuse zuläßt.

US 4 364 276 beschreibt einen Differenzdruckmesser für relativ große Systemdrücke. Die als eigentlicher Sensor dienende Siliziumplatte ist auf einem Glassubstrat mon­ tiert, das auf einer Trägerschicht aus Metall, z. B. einer Eisen-Nickel-Legierung befestigt ist, wobei die Verbindung der drei Schichten mit Hilfe einer Bonding- Technik erfolgt. Bei diesem Drucksensor soll das Metallteil als Unterstützungsschicht für das Glassub­ strat wirken, so daß der Sensor auch bei hohen System­ drücken stets ein genaues Meßergebnis abgeben kann, ohne durch die auftretenden hohen hydrostatischen Drücke deformiert zu werden.

DE 39 37 522 A1 beschreibt einen weiteren Halbleiter- Drucksensor, der ebenfalls für verhältnismäßig hohe Drücke verwendet werden kann. Hierzu wird der die Mem­ brane tragende Zwischenträger unter Verwendung einer Elastomerdichtung mit dem Gehäuse verbunden. Bei einer Erhöhung des Drucks auf die Membran erhöht sich auch der Druck auf die Elastomerdichtung, so daß bei einem höheren Druck die Dichtigkeit verbessert wird.

DE 31 37 219 A1 beschreibt einen kapazitiven Drucksen­ sor mit zwei Halbschalen aus Glas, Keramik oder der­ gleichen, bei dem auf den Innenseiten der unter Zwi­ schenschaltung eines Glasringes aneinander befestigten Halbschalen zwei einen Kondensator bildende Elektroden angeordnet sind. Der im Randbereich der Halbschalen angeordnete Glasring dient hierbei zu Fixierung des Abstandes der Halbschalen und damit zur Sicherstellung eines gleichbleibenden Abstands der Elektroden auch bei Massenfertigung. Der Dichtungsring kann aus Lotpaste, Epoxidharz oder Klebeschmelzfolie, die schnell aushär­ tet, gebildet sein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Druck­ sensor anzugeben, der möglichst einfach aufgebaut ist und bei großen statischen und pulsierenden Druckbela­ stungen verwendet werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einem Drucksensor der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Begrenzungsfläche Teil eines Anschlags ist, der die von Drücke verursach­ ten Kräfte aufnimmt und vor dem satten Aufliegen von Zwischenträger und Gehäuse aneinander die Bewegung von Zwischenträger und Gehäuse aufeinander zu begrenzt und damit für ein vorbestimmtes Mindestvolumen der Fuge sorgt.

Hierdurch wird verhindert, daß der Klebstoff bei großen Druckbelastungen zwischen dem Gehäuse und dem Träger herausgepreßt wird. Dies würde zu einer Verminderung oder gar zu einem Verlust der durch den Klebstoff ver­ mittelten Haftkraft zwischen Gehäuse und Zwischenträger führen. Dadurch, daß die Bewegung des Klebstoffs quer zur Druckrichtung in eine Richtung in den Mittelbereich hinein begrenzt ist, wird zwar ein Ausweichen des Kleb­ stoffs bei einer Druckerhöhung grundsätzlich zugelas­ sen, ein vollständiges Entfernen des Klebstoffs aus dem Zwischenraum zwischen Gehäuse und Zwischenträger wird jedoch verhindert. Bei niedrigen Drücken ist der Kleb­ stoff, der in ausreichendem Maß elastisch sein muß, aber in der Lage, die Spannungen zwischen dem Zwischen­ träger und dem Gehäuse aufzunehmen, so daß keine Ver­ spannungen der Platte auftreten und somit Verspannungen der Membran vermieden werden können. Da im Mittelbe­ reich des Zwischenträgers ein Anschlag gebildet ist, der vor dem satten Aufliegen von Zwischenträger und Gehäuse aneinander die Bewegung von Zwischenträger und Gehäuse aufeinander zu begrenzt, existiert um den Mit­ telbereich herum also in jedem Fall ein Raum, in dem der Klebstoff verbleiben kann. Die von den auf die Platte und auf die Membran wirkenden hydrostatischen Drücken verursachten Kräfte können also aufgenommen werden, ohne daß der Klebstoff vollständig aus der Fuge herausgepreßt wird. Hierdurch entsteht eine Art selbst­ sperrender Effekt.

Die Begrenzungsfläche kann auf verschiedene Arten ge­ bildet werden. Zum einen kann die Begrenzungsfläche der Fuge durch eine umlaufende Fläche eines Vorsprungs ge­ bildet sein, der aus dem Gehäuse in Richtung auf den Zwischenträger hervorragt. Der Vorsprung kann auch am Zwischenträger ausgebildet sein und in Richtung auf das Gehäuse hervorragen. Schließlich läßt sich zur Erzeu­ gung der Begrenzungsfläche auch eine Zwischenplatte verwenden, die zwischen Gehäuse und Zwischenträger an­ geordnet ist und deren Umfangsfläche als Begrenzungs­ fläche dient. In allen drei Fällen wird erreicht, daß vor dem satten Aufliegen von Zwischenträger und Gehäuse aneinander, das zu einem Verdrängen des Klebstoffs füh­ ren würde, eine mechanische Sperre errichtet wird, die sicherstellt, daß die Fuge ein vorbestimmtes Mindest­ volumen behält.

Weiterhin ist von großem Vorteil, daß die Begrenzungs­ fläche einen klebstoffreien Bereich umgrenzt, durch den ein Gegendruckkanal im Gehäuse geführt ist. Bei der Ausbildung des Drucksensors als Differenzdrucksensor können somit von beiden Seiten Drücke an die Membran herangeführt werden. Es hat sich hierbei als besonders vorteilhaft herausgestellt, daß durch die Begrenzungs­ fläche verhindert wird, daß der Klebstoff beim Herstel­ len in den Gegendruckkanal gelangt und diesen ver­ schließt oder verengt.

Bevorzugterweise weisen an dem Gehäuse bzw. dem Zwi­ schenträger anliegende Reibeflächen eine erhöhte Glätte auf, die die Reibung zwischen Zwischenträger und Gehäu­ se verringert, so daß bei unterschiedlichen Ausdehnun­ gen von Gehäuse und Zwischenträger aufgrund von Tempe­ raturschwankungen eine relativ freie Beweglichkeit der beiden Teile zueinander sichergestellt ist.

Die Fuge hat vorteilhafterweise eine Stärke im Bereich weniger hundertstel Millimeter. Eine Stärke in diesem Bereich reicht aus, um genügend Klebstoff unterzubrin­ gen, so daß einerseits eine zuverlässige Befestigung von Zwischenträger und Gehäuse aneinander gewährleistet ist, die Schicht andererseits aber bei niedrigen Drücken noch elastisch genug ist, um mechanische Spannungen zwischen dem Zwischenträger und dem Gehäuse auszuglei­ chen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Hierin zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Drucksensor,

Fig. 2 einen Teilschnitt A-A nach Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt B-B nach Fig. 2,

Fig. 4 eine abgewandelte Ausführungsform nach Fig. 3 und

Fig. 5 eine weitere abgewandelte Ausführungsform.

Ein Drucksensor 1 weist eine Platte 2 mit einer Membran 3 auf, die mit einem Zwischenträger 4 verbunden sind. Der Zwischenträger 4 wiederum ist mit Hilfe eines ela­ stischen Klebstoffs 5 mit einem Gehäuse 6 verbunden.

Das Gehäuse 6 besteht aus Metall. Der Zwischenträger 4 ist durch ein Glassubstrat gebildet. Die Platte 2 mit Membran 3 besteht aus Silizium. In die Membran 3 sind in bekannter und nicht dargestellter Weise Widerstände oder andere elektrische Bauelemente eingebaut, bei­ spielsweise durch Dotierung. Die elektrischen Eigen­ schaften dieser Bauelemente ändern sich bei einer me­ chanischen Belastung oder Durchbiegung der Membran 3. Die Größe der Änderung der elektrischen Eigenschaften dieser Bauelemente ist ein Maß für den Druck, dem die Membran 3 ausgesetzt ist.

Von den nicht dargestellten elektrischen Bauelementen gehen elektrische Leitungen 7 durch einen Anschluß 8 zu einer nicht näher dargestellten Auswerteeinrichtung.

Der Zwischenträger 4 mit der Platte 2 ist in einem im Gehäuse 6 vorgesehenen Druckraum 9 angeordnet, der von einer Hilfsmembran 10 verschlossen und mit einem Druck­ medium 11, beispielsweise Silikonöl, gefüllt ist. Auf die Hilfsmembran 10 wirkende Drücke pflanzen sich über das Druckmedium 11 auf die Membran 3 der Platte 2 fort und führen dort zu einer Durchbiegung und somit zu ei­ ner Änderung der elektrischen Eigenschaften der elek­ trischen Bauelemente, die ein Maß für den wirkenden Druck sind. Die Hilfsmembran 10 ihrerseits kann von außen durch eine Öffnung 13 im Gehäuse 6 mit Druck be­ aufschlagt werden.

Zur Verwendung des Drucksensors 1 als Differenzdruck­ messer ist ein Gegendruckkanal 12 vorgesehen, der durch das Gehäuse 6 und den Zwischenträger 4 geführt ist. Durch den Gegendruckkanal 12 können Drücke auf die an­ dere Seite der Membran 3 gelangen. Die Ausbiegung der Membrane 3 erfolgt dann in Abhängigkeit von der Druck­ differenz zwischen den beiden Drücken auf beiden Seiten der Membrane 3.

Zwischen dem Gehäuse 6 und dem Zwischenträger 4 ist eine Zwischenplatte 14 angeordnet, die beispielsweise eine Stärke von 0,04 mm, einen Außendurchmesser von 2 mm und eine Bohrung von 1 mm Durchmesser hat und aus Stahl hergestellt sein kann. Die Zwischenplatte 14 hat einen Außenumfang 15, der als Begrenzungsfläche für den Klebstoff 5 dient. Gleichzeitig dient die Zwischenplat­ te 14 als Anschlag bei einer Bewegung von Gehäuse 6 und Zwischenträger 4 aufeinander zu. Auch bei stärksten Drücken verbleibt eine Klebstoff-Fuge 16 zwischen dem Gehäuse 6 und dem Zwischenträger 4, aus der der Kleb­ stoff 5 nicht herausgepreßt oder gequetscht werden kann. Die Bewegung von Gehäuse 6 und Zwischenträger 4 aufeinander zu wird durch die Zwischenplatte 14 be­ grenzt. Gleichzeitig verhindert die Zwischenplatte 14 mit ihrem Außenumfang 15, daß selbst bei hohen Drücken Klebstoff in den mittleren Bereich des Zwischenträgers vordringen kann. Auch wenn bei hohen Drücken Klebstoff nach außen gepreßt wird, verbleibt in der Fuge 16 immer noch eine ausreichende Menge, um die Haftkraft zwischen dem Gehäuse 6 und dem Zwischenträger 4 aufrechtzuerhal­ ten. Als Klebstoff kann beispielsweise ein Silikonkle­ ber, z. B. Silikonkautschuk, verwendet werden.

Fig. 4 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform, bei der gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen wie in den Fig. 1 bis 3 und entsprechende Teile mit um 100 erhöh­ ten Bezugszeichen versehen sind. Die Zwischenplatte 14 ist hier ersetzt worden durch einen im Gehäuse 106 aus­ gebildeten Vorsprung 17, der in Richtung auf den Zwi­ schenträger 4 vorsteht. Der Vorsprung 17 bildet einer­ seits den Anschlag für die Bewegung von Zwischenträger 4 und Gehäuse 106 aufeinander zu, er begrenzt anderer­ seits die Fuge 16, so daß der Klebstoff zwar aus der Fuge 16 nach außen herausgedrückt werden kann, jedoch nicht in einen mittleren Bereich des Zwischenträgers 4 vordringen kann. Wenn der Klebstoff 5 auf das Gehäuse 106 aufgetragen wird, verhindert der Vorsprung 17 gleichzeitig ein Vordringen des Klebstoffs in den Ge­ gendruckkanal 12.

In Fig. 5, in der gleiche Teile mit den gleichen Be­ zugszeichen wie in Fig. 1 und entsprechende Teile mit um 200 erhöhten Bezugszeichen versehen sind, ist die Zwischenplatte 14 ersetzt worden durch einen Vorsprung 18, der am Zwischenträger 204 ausgebildet ist und in Richtung auf das Gehäuse 6 vorsteht. Dieser Vorsprung 18 hat im Prinzip die gleiche Aufgabe wie der Vorsprung 17 in Fig. 3 oder die Zwischenplatte 14 in den Fig. 1 bis 3.

Claims (7)

1. Drucksensor mit einem Gehäuse, einer einen Membran­ bereich aufweisenden Platte und einem Zwischenträ­ ger, auf dem die Platte montiert ist und der mit dem Gehäuse mit Hilfe eines in einer Fuge zwischen Gehäuse und Zwischenträger angeordneten elastischen Klebstoffs verbunden ist, der durch eine im Mittel­ bereich angeordnete Begrenzungsfläche für die Fuge an einer Bewegung in den Mittelbereich hinein ge­ hindert ist und der in der Lage ist, Spannungen zwischen Gehäuse und Zwischenträger aufzunehmen, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungsfläche (15) Teil eines Anschlags (14, 17, 18) ist, der die von Drücken verursachten Kräfte aufnimmt und vor dem satten Aufliegen von Zwischenträger (4, 204) und Gehäuse (6, 106) aneinander die Bewegung von Zwischenträger (4, 204) und Gehäuse (6, 106) auf­ einander zu begrenzt und damit für ein vorbestimm­ tes Mindestvolumen der Fuge (16) sorgt.

2. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Begrenzungsfläche (15) der Fuge (16) durch eine umlaufende Fläche eines Vorsprungs (17) gebildet ist, der aus dem Gehäuse (106) in Richtung auf den Zwischenträger (4) hervorragt.

3. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Begrenzungsfläche (15) der Fuge (16) durch eine umlaufende Fläche eines Vorsprungs (18) gebildet ist, der aus dem Zwischenträger (204) in Richtung auf das Gehäuse (6) hervorragt.

4. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Begrenzungsfläche (15) der Fuge (16) durch die Umfangsfläche einer Zwischenplatte (14) gebildet ist, die zwischen Gehäuse (6) und Zwi­ schenträger (4) angeordnet ist.

5. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Begrenzungsfläche (15) einen klebstoffreien Bereich umgrenzt, durch den ein Gegendruckkanal (12) im Gehäuse (6) geführt ist.

6. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß an dem Gehäuse (6, 106) bzw. dem Zwischenträger (4, 204) anliegende Reibe­ flächen eine erhöhte Glätte aufweisen, die die Rei­ bung zwischen Zwischenträger (4, 204) und Gehäuse (6, 106) verringert.

7. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Fuge (16) eine Stärke im Bereich weniger hundertstel Millimeter aufweist.