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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Meßfühler, insbesondere eine
Membrandurchmeßfühler mit Verformungskonzentration.
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Zum Messen von relativ hohen Drücken ist es bekannt, Hochdruckmeßfühler zu
verwenden, die hauptsächlich aus einer verformbaren, auf Druck ansprechenden
Membran bestehen, die mit Dehnungsmeßstreifen versehen ist, wie z.B. in den
Dokumenten FR-A-2 587 485, FR-A-2 594 224 und FR-A-2 594 546 beschrieben ist.
Vier Dehnungsmeßstreifen können an der Membran in Brückenschaltung befestigt
sein.
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Die Membran kann eine mehr oder weniger komplexe form von einer einfachen
ebenen Membran bis zu einer Membran mit einer zentralen Verstärkung haben. So
zeigt Figur 1 eine Membran, die mit einer Umfangsrandleiste 2 und einer
zentralen Verstärkung 3 versehen ist, die eine Ringnut 4 bilden, in der die
Spannungen lokalisiert sind.
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Ein solcher Meßfühler ist zur Messung niedriger Drücke z.B. unter 20 Bar
geeignet. Tatsächlich kann die Dicke der Membran, die im allgemeinen aus
Stahl besteht, in der Nut 4 vernünftigerweise nicht geringer als 0,1 mm sein.
Für derart niedrige Werte haben unvermeidbare Dickenänderungen aufgrund der
Fabrikation eine relativ hohe Unsicherheit der Empfindlichkeit des Meßfühlers
und einen großen Fehlerbereich bei der Messung zur Folge. Außerdem haben die
dünnen Membrane die Neigung, instabil zu sein und können an bestimmten
Stellen eine nichtelastische Verformung aufweisen.
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Daher wurde für die Messung niedriger Drücke vorgeschlagen, Meßfühler wie der
in Figur 2 gezeigte zu verwenden, bei denen die flexible Membran 5 einem
Balken 6 zugeordnet ist, der die durch die Membran übertragenen Kräfte
detektiert und auf dem die Dehnungsmeßstreifen 7 befestigt sind. Die Membran
5 besteht aus Stahl geringer Dicke, damit ihre Steifigkeit möglichst gering
ist, um auf dem Balken 6 den größten Teil der erzeugten Kraft zu übertragen.
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Derartige Niederdruck-Meßfühler bestehen grundsätzlich aus zwei mehr oder
weniger komplizierten Untergruppen. Diese Konstruktion hat zahlreiche
Montageunsicherheiten, die sich auf die Leistung des Meßfühlers auswirkt.
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Aus dem Dokument DE-A-2 263 901 ist auch ein Meßfühler bekannt, bei dem die
Membran und der Balken aus einem einzigen Stück bestehen, bei dem der Teil,
der den Balken bildet, eine Dicke hat, die wesentlich größer als die
desjenigen Teils ist, der die Membran bildet und der sich zwischen zwei
gegenüberliegenden Umfangszonen letzterer erstreckt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Meßfühler,
insbesondere einen Druckmeßfühler zu schaffen, der es ermöglicht, mit hoher
Genauigkeit und Fehlerfreiheit Größen relativ geringer Amplitude zu messen,
und der in der Lage ist, ein lineares Ansprechverhalten bei einfachem Aufbau
zu liefern.
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Gelöst wird diese Aufgabe mittels eines Meßfühlers, der eine Membran und
einen Balken aufweist, die aus einem einzigen Stück bestehen, sowie
Meßstreifen, die am Balken befestigt sind, um ein Signal zu liefern, das für
die auf dem Balken ausgeübten Kräfte charakteristisch ist; der Meßfühler
gemäß der Erfindung hat Ausnehmungen, die in der Dicke des Balkens ausgehend
von dessen einer Seite ausgebildet sind, wobei jede Ausnehmung zwei Kerben
mit einem V-Profil hat, die der Ausnehmung auf der ganzen Breite des Balkens
ein etwa W-förmiges Profil verleihen und deren Böden zwei Zonen zur
Konzentration von Zug- bzw. Druckkräften bilden; die Meßstreifen sind in Höhe
der Böden der Kerben auf einer Seite angeordnet, die derjenigen
gegenüberliegt, in der die Ausnehmungen gebildet sind.
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Die Ausbildung der Membran und des Balkens aus einem einzigen Stück
ermöglicht es, auf sehr einfache Weise die Montageprobleme des Sensorelemets
des Meßfühlers zu lösen.
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Die Bildung der Kerben im Balken ermöglicht es, Kräftekonzentrationszonen
sehr geringer Abmessungen zu definieren. Deshalb kann der Balken ausreichend
steif sein, um die Membran, die das Antriebselement bildet, nicht mit einer
erheblichen Verformung zu beaufschlagen, der Hauptursache für eine
Nichtlinearität des Systems.
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Vorzugsweise bilden die Kerben zwei Paare, die an symmetrischen Stellen
bezüglich der Mitte des Balkens angeordnet sind. Am Boden der beiden Kerben
eines Paares sind zwei Kräftekonzentrationszonen gebildet, von denen die eine
auf Zug und die andere auf Druck arbeitet, und Dehnungsmeßstreifen sind in
Höhe der Böden der vier Kerben in Brückenschaltung angeordnet.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile des Meßfühlers gemäß der Erfindung ergeben
sich aus der folgenden beispielsweisen Beschreibung unter Bezugnahme auf die
beigefügten Zeichnungen, in denen:
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- die bereits beschriebenen Figuren 1 und 2 Sensorelemente von
bekannten Druckmeßfühlern zeigen,
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- Figur 3 eine Aufsicht einer ersten Ausführungsform eines
Meßfühler-Sensorelements gemäß der Erfindung sind,
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- die Figuren 4 und 5 Schnittdarstellungen längs der Ebenen IV-IV
und X-X in Figur 3 sind,
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- Figur 6 eine größere Schnittdarstellung ist die, das Profil mit
einer Doppelkerbe einer Ausnehmung ist, die im Balken des
Meßfühlers der figur 3 ausgebildet ist,
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- Figur 7 die Änderung der Amplitude der Kräfte längs einer
Ausnehmung des Balkens des Sensorelements der Figur 3 zeigt,
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- Figur 8 eine Aufsicht einer zweiten Ausführungsform eines
Meßfühler-Sensorelements gemäß der Erfindung ist, und
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- die Figur 9 bis 11 Schnittdarstellungen gemäß den Ebenen IX-IX, X-
X und XI-XI der Figur 8 sind.
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Eine Ausführungsform des Meßfühler-Sensorelements gemäß der Erfindung ist in
den Figuren 3 bis 5 gezeigt.
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Dieses Sensorelement in Form einer Scheibe 10 besteht aus einem einzigen
Stück und hat einen ringförmigen Umfangsabschnitt 12, der eine Randleiste
bildet, die zum Einbau des Sensorelements in den Körper des Meßfühlers z.B.
eines Druckmeßfühlers bestimmt ist, einen dicken Abschnitt in Form eines
Balkens 14, der sich diametral zwischen zwei gegenüberliegende Zonen auf
einer Seite der Scheibe 10 erstreckt, und einen Abschnitt geringer Dicke, der
eine Membran 16 bildet. Die Membran 16 besteht tatsächlich aus zwei
Abschnitten im wesentlichen in Form eines Halbkreises, die auf beiden Seiten
des Balkens 14 liegen und durch diesen und die Umfangsrandleiste 12 begrenzt
werden.
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Das Sensorelement 10 besteht aus Stahl und ist durch spanende Bearbeitung
hergestellt. Zum Beispiel beträgt die Dicke der Membran 16 weniger als. 0,3
mm, z.B. 0,15 mm, während die Dickes des Balkens 2 mm überschreiten kann und
z.B. etwa 3 mm beträgt.
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Zwei Ausnehmungen 20, 25 sind im Balken 14 ausgehend von seiner Außenseite 15
ausgebildet. Die Ausnehmungen 20 und 25 sind bezüglich der Mitte des Balkens
zueinander symmetrisch. Jede Ausnehmung 20, 25 ist über die gesamte Breite
des Balkens senkrecht zu dessen Längsrichtung ausgebildet und endet in
jeweils zwei Kerben 22, 24 bzw. 26, 28, die Seite an Seite in Richtung der
Breite des Balkens angeordnet sind. Jede Kerbe hat wenigstens an ihrem Boden
ein V-Profil, so daß jede Ausnehmung ein etwa W-Profil hat. Figur 6 zeigt
detaillierter eine (20) der Ausnehmungen. Zum Beispiel hat in der Mitte jeder
Kerbe 22, 24, 26, 28 der Balken 14 in seinem dünnsten Abschnitt eine Dicke,
die unter 0,3 mm liegen kann und z.B. etwa gleich 0,2 mm ist.
Dehnungsmeßstreifen 32, 34, 36, 38 liegen in Höhe der Böden der jeweiligen
Nuten 22, 24, 26, 28. Die Meßstreifen sind auf der Seite der Scheibe 10, die
derjenigen gegenüberliegt, auf der sich der Balken 14 befindet.
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Wenn das Sensorelement 10 im Körper des Meßfühlers befestigt wird, bewirkt
ein Druck, der auf das Sensorelement 10 auf der Seite ausgeübt wird, auf der
sich der Balken 14 befindet, eine Verformung der Membran 16, die Kräfte auf
den Balken 14 überträgt. Die auf den Balken 14 ausgeübten Spannungen
konzentrieren sich in diesen dünnsten Teilen in Höhe der Böden der Kerben,
22, 24, 26, 28. Diejenigen Teile des Bodens der Kerben 22, 26, die den Enden
des Balkens 14 am nächsten liegen, werden auf Zug beansprucht, während
diejenigen Teile des Bodens der Kerben 24, 28, die der Mitte des Balkens am
nächsten liegen, werden auf Druck beansprucht, wie dies Figur 7 zeigt. Die
Befestigungsstellen der Dehnungsmeßstreifen sind so gewählt, daß sie dem
Maxima der Spannungen entsprechen, wie in durchgehenden Linien in Figur 7
gezeigt ist.
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Vorteilhafter Weise werden die Dehnungsmeßstreifen in an sich bekannter Weise
unter Anwendung der Dünnfilmtechnik hergestellt, so daß es ermöglicht wird,
ihnen geringe Abmessungen zu verleihen.
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In an sich bekannter Weise werden die Meßstreifen 32, 34, 36, 38
vorteilhafter Weise in Brückenschaltung angeordnet.
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Die Konstruktion, die gerade beschrieben wurde, ermöglicht es in einem weiten
Bereich ein insgesamt im wesentlichen lineares Ansprechverhalten zu erzielen.
Tatsächlich ermöglicht es die starke Konzentration der durch die Balken
gebildeten Kerben erzeugten Spannungen, einen ausreichend unbiegsamen Balken
beizubehalten, und die Membran nicht mit einer erheblichen
Verformungsamplitude zu beaufschlagen, die eine Quelle für Nichtlinearität
wäre.
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Die Figuren 8 bis 11 zeigen eine weitere Ausführungsform eines Sensorelement
40 für einen Meßfühler gemäß der Erfindung.
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Das Sensorelement 40 hat eine etwa quadratische Form mit einem
Umfangsabschnitt 42, der eine Randleiste bildet und zum Einbau des
Sensorelements in den Körper des Meßfühlers bestimmt ist, wobei ein dicker
mittlerer Abschnitt einen Balken 44 bildet, der sich zwischen zwei
gegenüberliegenden Seiten der Randleiste 42 erstreckt, und ein Abschnitt
geringer Dicke bildet eine Membran 46. Der Balken 44 hat in seiner Mitte
einen Abschnitt größerer Breite, der einen Stempel 48 bildet. Die Membran
besteht tatsächlich aus zwei Abschnitten, die auf beiden Seiten des Balkens
44 liegen und durch die Randleiste 42 begrenzt sind.
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Kerben 52, 54, 56 und 58 sind im Balken 44 ausgebildet. Die Kerben 52, 54
bilden bezüglich der Mitte des Balkens ein Paar, das symmetrisch zum
Kerbenpaar 56, 58 angeordnet ist. Die Kerben sind in den Teilen geringerer
Breite des Balkens 44 angeordnet, d.h. zwischen dem Stempel 48 und den Enden
des Balkens. Wie Figur 9 zeigt, hat jede Kerbe ein V-Profil und erstreckt
sich über die gesamte Breite des Balkens querverlaufend hierzu.
Dehnungsmeßstreifen 62, 64, 66 und 68 sind in Höhe der Böden der jeweiligen
Kerben 52, 54, 56 und 58 auf der Seite des Sensorelements 40 angeordnet, die
der Seite gegenüberliegt, auf der sich der Balken befindet.
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Wie im falle der ersten beschriebenen Ausführungsform bilden die Kerben 52,
54, 56 und 58 Zonen zur Konzentration der Spannungen, wo der Balken in seinen
dünnen Abschnitten auf Zug bzw. Druck beansprucht wird. Der Stempel 48 trägt
dazu bei, die Übertragung der Kräfte zwischen der Membran 46 und dem Balken
44 zu verbessern. Ebenfalls wie im vorherigen falle sichert die Bildung der
Kerben eine Konzentration der Spannungen derart, daß der Balken relativ steif
sein kann, und daß die Verformung, mit der die Membran beaufschlagt wird,
reduziert sein kann, was es ermöglicht, ein lineares Ansprechverhalten zu
erzeugen.
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Das Sensorelement 40 mit der Randleiste 42, dem Balken 44, der Membran 46 und
dem Stempel 48 ist aus einem Stück, z.B. aus Silizium, hergestellt. In diesem
Falle können die dünnen Teile, die die Membran bilden, durch Entfernen von
Material durch chemische Abtragung mittels üblicherweise in der
Halbleitertechnik angewandter Verfahren erhalten werden.
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Die zuvor beschriebenen Ausführungsformen beziehen sich auf Druckmeßfühler.
Die Erfindung ist jedoch nicht auf das Messen von Druck beschränkt, und kann
dazu angewandt werden, andere Größen, wie z.B. Beschleunigungen zu messen,
die Verformungen des Sensorelements hervorrufen können.
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Außerdem kann das Sensorelement eine allgemeine Form, anders als die
kreisförmige oder quadratische, z.B. eine polygonale Form haben, die
wenigstens eine Symmetrieachse hat, längs der sich der Balken erstreckt.