DE4315041C1 - Sensorzelle - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung richtet sich auf eine Sensor­ zelle mit einer gasgekoppelten Membran zur Medientrennung und einer Ausgleichskammer sowie einer mechanischen Über­ lastungssicherung des Sensorelementes.

Generell werden zur Druck- und Kraftmessung Wandler ver­ wendet, bei denen elastisch verformbare Körper mit Wand­ lerelementen versehen sind. Ebenfalls bekannt ist es, die Verschiebung eines solchen Körpers zu messen, die bei der Verformung als Folge einer Krafteinwirkung auftritt.

Von solchen Wandlern sind mehrere Ausführungsformen be­ kannt. So können die Wandlerelemente direkt auf einem Körper angebracht sein, der etwa aus Metall, Kunststoff oder Keramik gefertigt ist. In einem solchen Fall werden durch den Körper gleichzeitig die Medien innerhalb und außerhalb voneinander getrennt. Möglich ist aber auch, den verformbaren Körper direkt mechanisch mit der Trenn­ membran zu verbinden oder eine Gas- oder Flüssigkeits­ kopplung vorzunehmen. In diesem letzten Fall werden durch die Eigenschaften des zur Kopplung benutzten Mediums die Gesamteigenschaften der Zelle wesentlich beeinflußt.

Besonders ist das der Fall bei Kopplung mit Gasen, die technisch leichter handhabbar sind, aber im Gegensatz zu Flüssigkeiten eine wesentlich größere Volumenänderung bei Temperaturverschiebungen gemäß (p.V)/T=const. haben.

Solche Nachteile wirken sich besonders bei Verwendung ex­ trem kleiner Sensoren, z. B. auf Chip-Basis, aus. Zur Vollauslastung solcher Sensoren sind Volumenverschiebun­ gen im Mikroliter-Bereich zur Vollauslastung nötig.

Der Sensitivitätsbereich eines Wandlers ist bei herkömm­ lichen Elementen nur durch die Änderung konstruktiver Pa­ rameter, wie z. B. die Membrandicke, die Membranfläche und die Änderung der auf der Membran aufgebrachten Widerstän­ de möglich. Hierbei geht man immer einen Kompromiß zwi­ schen maximaler Sensitivität und der Überlastfestigkeit ein.

US 4 135 408 beschreibt eine flüssigkeitsgefüllte Druckmeßzelle, die Druckunterschiede registriert. Sie weist auf jeder Druckaufnahmeseite eine Membran auf, bei­ de Membranen sind durch eine Zwischenmembran voneinander getrennt, und die Druckregistrierung geschieht durch ei­ nen Drucksensor auf Siliciumbasis. Als Anschlagsbegrenzer dienen unter den Außenmembranen angebrachte O-Ringe.

DE 89 01 100 U1 beschreibt eine Vorrichtung zur Druck- oder Kraftmessung, die eine bewegliche Membran enthält, die bei Krafteinwirkung einen Druckübersetzer nach unten bewegt, der wiederum den Boden der Vorrichtung verformt, wobei diese Verformung durch Dehnmeßelemente registriert wird. Bei zu großen Drücken legt sich das tellerförmige Ende des Druckübersetzers auf den Gehäusekörper auf, wo­ durch die Auslenkung begrenzt wird.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Sensorzelle zu schaffen, deren Wandlerkopplung mit einer einfachen und kostengünstigen Methode erfolgt, und bei der sich durch einfache Veränderung eines Parameters in der Anordnung der Wandler der Meßaufgabe anpassen läßt. Eine robuste Überlastsicherung soll die Beschädigung des Sensorelementes bei zu hoher Belastung verhindern.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Sensorzelle mit ei­ nem Träger mit leitfähigen Bahnen und einem auf dem Trä­ ger angebrachten Drucksensor mit einer luftdichten, drucksensiblen Membran, wobei der Drucksensor und die leitfähigen Bahnen elektrisch leitend verbunden sind, bei der unterhalb des Drucksensors eine Bohrung im Trägerma­ terial angebracht ist, über der Seite des Trägers, auf der sich der Drucksensor befindet, eine den Drucksensor einschließende Druckkappe auf dem Träger dicht angebracht ist, mit einer Wandung aus einem nicht deformierbaren Ma­ terial mit einem oberen Rand und einer durch kreisförmig umlaufende Rillen aus einem sehr dünnen Material in der durch den Rand begrenzten Mulde axial beweglich gelager­ ten starren Außenmembran, die einen Anschlagsbegrenzer enthält, sich auf der gegenübergesetzten Seite des Trä­ gers über der Bohrung eine Referenzkappe befindet, mit einer Wandung aus einem nicht deformierbaren Material mit einem oberen Rand und einer durch kreisförmig umlaufende Rillen aus einem sehr dünnen Material in der durch den Rand begrenzten Mulde axial beweglich gelagerten starren Außenmembran und einem auf einem Bund der Referenzkappe angebrachten, ein Gegenlager berührenden Stützring oder Stützkragen und die von den beiden Kappen eingeschlosse­ nen Volumina druckgleich mit einem Gas befüllt sind.

Der besondere Vorteil der Sensorzelle nach der vorliegen­ den Erfindung ist die Verwendbarkeit leicht verfügbarer trockener Gase als Koppelmedium, wobei es besonders be­ vorzugt ist, Luft als Koppelmedium zu benutzen. Luft ist stets verfügbar, leicht zu trocknen und auch so wenig korrosiv, daß eine besondere Beschichtung oder Versiege­ lung der inneren Bauteile der Sensorzelle unnötig ist.

Die Bauteile der Sensorzelle sind auf einem Träger be­ festigt, der aus einem geeigneten Material, etwa Keramik oder Kunststoff, gefertigt sein kann. Bevorzugtes Mate­ rial ist Aluminiumoxid. Auf diesem Träger befinden sich aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigte Bah­ nen. Ein Drucksensor, bevorzugterweise ein piezoresisti­ ver Chip, ist in geeigneter Weise auf dem Träger ange­ bracht. Die Sensorzelle enthält eine luftdichte, druck­ empfindliche Membran. Die Bahnen und der Sensor sind etwa durch gebondete Drähte elektrisch leitfähig miteinander verbunden. Über dem Sensor befindet sich eine auf den Bahnen dicht befestigte Druckkappe aus einem starren, nicht verformbaren Material, etwa Metall, Keramik oder Kunststoff. Die Befestigung der Druckkappe geschieht in geeigneter Weise etwa durch Kleben. Die Druckkappe ist so durch einen verbreitert ausgebildeten Bund auf den Bahnen fixiert.

In die Oberseite ist eine axial bewegliche, starre Außen­ membran eingearbeitet. Dies geschieht am vorteilhaftesten so, daß eine oder mehrere kreisförmige Rillen aus einem sehr dünnen Material die starre Membran umlaufen.

Vorteilhafterweise weist die Druckkappe einen oberen Rand auf, der eine Mulde auf der Oberseite umgibt. In der Mul­ de ist dann die Membran angebracht.

Die Membran ist mit einem Anschlagsbegrenzer versehen, der die Auslenkung in axialer Richtung zum Sensorelement begrenzt. Auch für den Anschlagsbegrenzer werden etwa Me­ tall oder Kunststoff als Material verwendet.

Vorteilhafterweise befindet sich als Anschlagsbegrenzer auf der starren Membran ein Kragen oder eine Schulter, die etwas höher als der Rand der Kappe ausgebildet ist und die in ihrem Durchmesser dem Durchmesser des Rands entspricht.

Diese Seite der Sensorzelle fungiert als Druck- oder Meß­ seite und registriert Druckänderungen durch Bewegung der Außenmembran. An der anderen Seite des Trägermaterials ist in gleicher Weise wie oben beschrieben, der Druckkap­ pe gegenüberliegend angebracht, eine weitere Kappe, die sogenannte Referenzkappe, befestigt. Sie ist genauso ge­ fertigt wie die Druckkappe, weist aber keine Schulter oder eine andere Anschlagsbegrenzung auf.

Auf dem Bund der Referenzkappe befindet sich ein Stütz­ ring, der ein Gegenlager berührt und so den Träger vor dem Durchbiegen bewahrt. Alternativ kann der Bund auch so ausgebildet sein, daß er einen Stützkragen aufweist, der ebenfalls ein Gegenlager berührt und die gleiche Funktion wie der Stützring ausübt. Der Stützring oder Stützkragen kann also ein separates Teil oder als Teil der Referenz­ kappe gefertigt sein.

Diese Seite des Sensors dient als Referenzseite.

Die beiden so ausgebildeten Hohlräume sind nur durch die luftdichte, druckempfindliche Membran des Drucksensors voneinander getrennt, so daß eine Druckänderung in einem Hohlraum durch die Membran direkt auf den anderen Hohl­ raum übertragen wird. Die Membran wird in geeigneter Wei­ se aus Silicium durch einen Ätzvorgang hergestellt, wie bei piezoresistiven Chipsensoren üblich.

In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Er­ findung wird diese Kopplung einfach dadurch erreicht, daß unter der Membran eine Bohrung im Trägermaterial ange­ bracht wird.

Es hat sich gezeigt, daß eine optimale Funktionsweise des Sensors gemäß der vorliegenden Erfindung nur dann er­ reicht wird, wenn die Volumina der beiden Kappen angegli­ chen werden. Dies geschieht durch Anbringen von Material im Inneren der zweiten Kappe, die ein größeres Volumen als die erste Kappe aufweist, die noch den Sensor ent­ hält. Besonders vorteilhaft ist es, das Angleichen auf identische Volumina durch voluminösen Klebstoff vorzuneh­ men.

Die beiden Hohlräume werden dann so mit Gas befüllt, daß der Druck in beiden Volumina gleich ist. Dieser Druck kann kleiner, gleich oder größer dem Außendruck sein.

Die Funktionsweise der Sensorzelle gemäß der vorliegenden Erfindung ist nun so, daß bei Einwirken einer Kraft auf die starre Außenmembran diese nach unten gedrückt wird und somit das von der Druckkappe eingeschlossene Volumen verkleinert wird. Das Maß der Auslenkung der Membran hängt von der Härte des benutzten Kappenmaterials, der Geometrie der umlaufenden Rillen und natürlich von der Differenz des Innen- und Außendrucks ab.

Durch die Verminderung des Volumens bei Auslenkung der Membran entsteht eine Druckdifferenz zur Referenzseite der Sensorzelle, wodurch die Membran des Drucksensors ausgelenkt wird und die Änderung seines elektrischen Si­ gnals bewirkt. Dieses Signal wird über die gebondeten Drähte an die nachgeordnete Schaltung weitergeleitet. Wird nun die auf die starre Außenmembran wirkende Kraft sehr groß, so wird diese so weit in den Innenraum der Kappe gedrückt, daß der Kragen auf dem Rand der Oberseite aufliegt und so ein weiteres, zur Beschädigung des Sen­ sors führendes Auslenken der Membran verhindert. Auf die­ se Weise ist ein wirksamer Überlastungsschutz der Sensor­ zelle gemäß der vorliegenden Erfindung gewährleistet.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung noch weiter erläutert.

Zeichnung 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Die Sensorzelle 1 weist einen Träger 2 auf, der aus einem geeigneten, elektrisch nicht leitenden Material wie etwa Aluminiumoxid gefertigt ist. Auf dem Träger 2 sind Bahnen 3 aus einem leitfähigen Material angebracht. Besonders eignen sich dafür bekannte druckbare leitfähige Pasten. Weiterhin ist auf dem Träger ein Drucksensor 4, etwa auf Basis eines piezoresistiven Chips, angeordnet. Auftreten­ de Druckänderungen zwischen der luftdicht getrennten Vor­ der- und Rückseite der Membran 5 werden in ein elektri­ sches Signal bei Anliegen einer Spannung am Sensor 4 ge­ wandelt. Der Sensor 4 ist in geeigneter Weise, wie etwa durch gebondete Drähte 6, mit den leitfähigen Bahnen ver­ bunden. Unterhalb des Sensors 4 ist eine Bohrung 7 im Träger 2 angebracht.

Über dem Drucksensor 4 befindet sich eine Druckkappe 8, die den Sensor 4 inklusive der Drähte 6 bedeckt und die auf den leitfähigen Bahnen 3 druckdicht befestigt ist, etwa durch einen geeigneten Kleber. Die Wände der Druck­ kappe 8 bestehen aus einem nicht deformierbaren Material. Die Druckkappe 8 weist einen oberen ringförmigen Rand 9 auf, der eine Mulde auf der Oberseite umgibt. Auf der Oberseite befindet sich eine starre Außenmembran 10, die axial beweglich gelagert ist. Diese Beweglichkeit wird am vorteilhaftesten durch eine oder mehrere kreisförmig um­ laufende Rillen 11, die sehr dünn ausgebildet sind, er­ reicht. Auf der Außenmembran 11 befindet sich ein Kragen 12, der über den Rand 9 der Druckkappe 8 hinausragt und dessen Außendurchmesser dem Außendurchmesser des Randes 9 entspricht. In einer alternativen Ausführungsform ist an der Druckkappe 8 eine Befestigung 19 zum druckdichten An­ schluß der Sensorzelle an z. B. einen Flüssigkeitskanal angebracht.

Der Druckkappe 8 gegenüberliegend ist auf der anderen Seite des Trägermaterials 2 eine Referenzkappe 13 ange­ bracht. Diese Referenzkappe 13 ist wie die Druckkappe 8 ausgeführt, weist jedoch nicht den als Überlastungsschutz dienenden Kragen 12 auf. Die Volumina V1 der Druckkappe 8 und V2 der Referenzkappe 13 sind durch die Membran 5 luftdicht voneinander getrennt, jedoch über die Membran miteinander gekoppelt. Das Volumen V2 der Referenzkappe 13 wird durch Anbringen von Material 14 auf der Innenwand der Referenzkappe 13 dem Volumen V1 der Druckkappe 8 an­ geglichen.

Nach dem Befüllen mit Gas, vorzugsweise Luft, herrscht in beiden Kappen der gleiche Druck P1, der kleiner, gleich oder größer dem Außendruck P2 ist.

Auf dem Bund 15 der Referenzkappe 13 ist ein Stützring 16 angebracht, der ein Gegenlager 17 berührt. Der Bund 15 kann alternativ auch so ausgebildet sein, daß er einen Stützkragen 18 aufweist, der die Funktion des Stützrings 16 ausübt. Durch diese Maßnahmen wird ein Durchbiegen des Trägers bei Belastung vermieden.

Claims (9)

1. Sensorzelle (1) mit einem Träger (2) mit leitfähigen Bahnen (3) und einem auf dem Träger angebrachten Druck­ sensor (4) mit einer luftdichten, drucksensiblen Membran (5), wobei der Drucksensor (4) und die leitfähigen Bahnen elektrisch leitend verbunden sind,
bei der unterhalb des Drucksensors (4) eine Bohrung (7) im Trä­ germaterial (2) angebracht ist,
über der Seite des Trägers (2), auf der sich der Druck­ sensor (4) befindet, eine den Drucksensor einschließende Druckkappe (8) auf dem Träger (2) dicht angebracht ist, mit einer Wandung aus einem nicht deformierbaren Material mit einem oberen Rand (9) und einer durch kreisförmig um­ laufende Rillen aus einem sehr dünnen Material (11) in der durch den Rand (9) begrenzten Mulde axial beweglich gelagerten starren Außenmembran (10), die einen An­ schlagsbegrenzer enthält,
sich auf der gegenübergesetzten Seite des Trägers (2) über der Bohrung (7) eine Referenzkappe (13) befindet, mit einer Wandung aus einem nicht deformierbaren Material mit einem oberen Rand (9) und einer durch kreisförmig um­ laufende Rillen aus einem sehr dünnen Material (11) in der durch den Rand (9) begrenzten Mulde axial beweglich gelagerten starren Außenmembran und einem auf einem Bund (15) der Referenzkappe (13) angebrachten, ein Gegen­ lager (17) berührenden Stützring (16) oder Stützkragen (18)
und die von den beiden Kappen eingeschlossenen Volumina druckgleich mit einem Gas befüllt sind.

2. Sensorzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Anschlagsbegrenzung ein auf der Außenmembran (10) angebrachter Kragen (12) dient, der etwas höher als der Rand (9) der Druckkappe (8) ausgebildet ist und im Durch­ messer dem Durchmesser des Rands (9) der Druckkappe (8) entspricht.

3. Sensorzelle nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Volumina (V1), (V2) der Druckkappe (8) und der Referenzkappe (13) gleich sind.

4. Sensorzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Volumenangleichung durch Anbringen von Material im Inneren der Referenzkappe (13) erfolgte.

5. Sensorzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Material im Inneren der Referenzkappe ein Kleb­ stoff ist.

6. Sensorzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zelle als gasförmiges Koppelmedium Luft enthält.

7. Sensorzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß am Außenrand der Druckkappe (8) eine Befestigung (19) zum druckdichten Anschluß der Sensorzelle angebracht ist.

8. Sensorzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (2) aus Keramik oder Kunststoff herge­ stellt ist.

9. Sensorzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckkappe (8) und die Referenzkappe (13) aus Me­ tall, Keramik oder Kunststoff hergestellt sind.