DE4231120C2

DE4231120C2 - pressure sensor

Info

Publication number: DE4231120C2
Application number: DE19924231120
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Erb
Original assignee: Mannesmann VDO AG
Current assignee: Mannesmann VDO AG
Priority date: 1992-09-17
Filing date: 1992-09-17
Publication date: 2002-01-24
Anticipated expiration: 2012-09-18
Also published as: DE4231120A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Drucksensor gemäß dem Oberbegriff des Patent anspruchs 1.The invention relates to a pressure sensor according to the preamble of the patent claim 1.

Zur Druckmessung von Gasen oder Flüssigkeiten muss der Meßraum des Drucksensors hermetisch gegen diese Medien abgedichtet sein. Bei be kannten Ausführungsformen erfolgt dies, indem im Randbereich von Träger platte und Membran ein Abstandshalter in Form einer Glasfritte vorgesehen ist, welcher Trägerplatte und Membran auf Abstand hält und abdichtend mit einander verbindet.To measure the pressure of gases or liquids, the measuring room of the Pressure sensor to be hermetically sealed against these media. At be Known embodiments, this is done by in the edge area of the carrier plate and membrane, a spacer in the form of a glass frit is provided is, which keeps the support plate and membrane at a distance and seals with connects each other.

Die Elektroden sind elektrisch aus dem Innenraum unter der Glasfritte durch geführt, so dass sie außen kontaktiert werden können.The electrodes are electrically through from the interior under the glass frit guided so that they can be contacted outside.

Um die Membran selbst vor aggressiven Medien zu schützen, befindet sich auf ihrer der Trägerplatte abgewandten Seite eine Schicht aus Siliziumkarbid. Nachteilig hierbei ist, dass die Siliziumkarbidschicht fest haftend mit der Membran verbunden ist. Dies führt dazu, dass Eigenspannungen der Silizi umkarbidschicht auf die Membran rückwirken und das Biegeverhalten der Membran beeinflussen. Weiterhin hat eine solche Sandwichform den Nach teil, dass aufgrund des unterschiedlichen Temperaturverhaltens von Mem bran und Siliziumkarbidschicht ebenfalls eine Verfälschung des Meßergeb nisses auftreten kann.To protect the membrane itself from aggressive media, is located a layer of silicon carbide on its side facing away from the carrier plate. The disadvantage here is that the silicon carbide layer adheres firmly to the Membrane is connected. This leads to internal stresses in the silicon carbide layer react on the membrane and the bending behavior of the Affect membrane. Furthermore, such a sandwich form has the night partly that due to the different temperature behavior of Mem bran and silicon carbide layer also falsify the measurement result nisses can occur.

Aus der US-PS 4,951,236 ist ein kapazitiver Drucksensor bekannt, bei wel chem auf der Membran eine biegsame Folie aufgebracht ist, wobei die Folie über die Membran hinaus auf einem starren Distanzelement, das die gleiche Höhe wie die Membran aufweist, aufliegt. Dieses Distanzelement umschließt die Membran in einem vorgegebenen Abstand. Die Abstandshalter sind da bei so räumlich angeordnet, dass sie einer besonderen Kraftbeanspruchung durch die Membran unterliegen.A capacitive pressure sensor is known from US Pat. No. 4,951,236 chem a flexible film is applied to the membrane, the film beyond the membrane on a rigid spacer that is the same Height as the membrane has. Encloses this spacer the membrane at a predetermined distance. The spacers are there at so spatially arranged that they are subject to a special force subject through the membrane.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drucksensor anzugeben, bei welchem der Meßraum hermetisch gegen flüssige und gasförmige Medi en abgedichtet ist und die mechanische Beanspruchung der Abstandshalter reduziert ist.The invention has for its object to provide a pressure sensor in which the measuring room is hermetically sealed against liquid and gaseous media is sealed and the mechanical stress on the spacers is reduced.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.According to the invention, the object is characterized by the features of claim 1 solved.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die für die Druckmessung ver antwortliche Meßzelle ein System darstellt, welches unabhängig ist von dem System, das für die Dichtheit bzw. Medienverträglichkeit verantwortlich ist. Als besonders vorteilhaft erweist sich die Möglichkeit, den Abstandshalter zentrisch, im kräftefreien Mittenraum innerhalb der Elektrodenflächen anzu ordnen. Dadurch können die elektrischen Kontakte der Elektrodenflächen mittig aus dem Meßraum durch die Trägerplatte hindurch nach außen geführt werden. Die Kontaktierung der Elektrodenflächen erfolgt dabei in vorteilhafter Weise durch durch den Abstandshalter hindurchgeführte Kontaktstifte.The advantage of the invention is that the ver for pressure measurement measuring cell represents a system that is independent of the System that is responsible for the tightness or media compatibility. The possibility of the spacer has proven to be particularly advantageous centric, in the force-free center space within the electrode surfaces organize. This allows the electrical contacts of the electrode surfaces led out of the center of the measuring space through the carrier plate to the outside become. The contacting of the electrode surfaces takes place in an advantageous manner Way through contact pins passed through the spacer.

Dadurch ist eine freie Auswahl der Materialien und Verbindungstechniken möglich.This allows a free choice of materials and joining techniques possible.

Vorzugsweise ist die Membran durch ein Klemmelement gegen den Distanz ring beaufschlagt, was eine kostengünstige Montage des Drucksensors er möglicht.The membrane is preferably against the distance by a clamping element ring acts on what an inexpensive mounting of the pressure sensor he made possible.

In einer Ausgestaltung ist ein O-Ring, welcher den Distanzring radial um schließt, zwischen Trägerplatte und Folie angebracht und von dem Klemmelement abgestützt. Durch diese Maßnahme wird der Meßraum der Sensor zelle zusätzlich gegen das Medium abgedichtet.In one embodiment, there is an O-ring which radially surrounds the spacer ring closes, attached between the carrier plate and film and from the clamping element supported. This measure makes the measuring room the sensor cell additionally sealed against the medium.

Vorteilhaft wird das Klemmelement dabei durch den Boden eines topfförmi gen, den Sensor aufnehmenden Gehäuses gebildet. Damit wird ein zusätzli cher Aufwand an Bauteilen vermieden.The clamping element is advantageously through the bottom of a pot-shaped gene, the sensor receiving housing is formed. This is an additional avoids the need for components.

In einer anderen Ausgestaltung ist der Distanzring fest mit der Trägerplatte verbunden, was einen hermetischen Abschluß des Systems bedingt.In another embodiment, the spacer ring is fixed to the carrier plate connected, which requires a hermetic closure of the system.

Dabei erweist es sich fertigungstechnologisch als besonders günstig, wenn der Distanzring mit der Folie und/oder der Trägerplatte über Klebung oder Schweißung miteinander verbunden ist.In terms of production technology, it proves to be particularly favorable if the spacer ring with the film and / or the carrier plate via adhesive or Weld is connected.

Um die freie Beweglichkeit der Membran zu gewährleisten und die Beein trächtigung der Druckübertragung durch die elastische Folie vernachlässig bar gering zu halten, beträgt der Abstand zwischen Membran und Distanz ring etwa 10 bis 200 µm. To ensure the free movement of the membrane and the legs neglect of pressure transmission through the elastic film keeping the bar low is the distance between the membrane and the distance ring about 10 to 200 microns.

Die verwendete Folie besteht dabei vorzugsweise aus Glas oder metallbeschichtetem Kunststoff, da diese besonders gasdicht sowie sehr dünn und elastisch sind.The film used is preferably made of glass or metal-coated plastic, as these are special are gastight as well as very thin and elastic.

Die Erfindung erlaubt verschiedene Ausführungsformen. Zu ihrer weiteren Verdeutlichung sind zwei davon in der Zeich nung dargestellt und werden nachfolgend beschrieben.The invention allows various embodiments. To for further clarification, two of them are in the drawing voltage and are described below.

Die Zeichnung zeigt inThe drawing shows in

Fig. 1 Drucksensorzelle Fig. 1 pressure sensor cell

Fig. 2 Drucksensor-Geräteprinzip Fig. 2 pressure sensor device principle

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform der Drucksen sorzelle. Fig. 3 shows another embodiment of the pressure sensor cell.

Wie in Fig. 1 dargestellt, besteht der Drucksensor aus zwei Platten, einer Trägerplatte 1 und einer Membran 2, die über einen aus einer Glasfritte bestehenden Abstandshalter 3 starr miteinander verbunden sind und auf einem festen Abstand gehalten werden.As shown in Fig. 1, the pressure sensor consists of two plates, a support plate 1 and a membrane 2 , which are rigidly connected to each other via a spacer 3 consisting of a glass frit and are held at a fixed distance.

Der Abstandshalter 3 hat eine typische Dicke je nach Druck und Dimension der Meßzelle zwischen 10 und 500 µm und kann aus Dickschicht-Glas oder Glaskeramik bestehen.The spacer 3 has a typical thickness depending on the pressure and dimension of the measuring cell between 10 and 500 microns and can consist of thick-layer glass or glass ceramic.

Auf der Trägerplatte 1 und Membran 2 sind einander gegen überliegende Elektrodenflächen 4, 5 und 6 aufgebracht, wel che aus bedruckten und eingebrannten Dickschicht- oder Resinatpasten oder aufgedampften Metallschichten herge stellt sind. Die Elektrodenfläche 5 dient erfahrungsgemäß zur Normierung bzw. Fehlerkompensation des Hauptsignals der Elektroden 4 und 6.On the carrier plate 1 and membrane 2 are applied to each other against opposite electrode surfaces 4 , 5 and 6 , which che from printed and baked thick-film or resinate pastes or vapor-deposited metal layers are Herge provides. Experience has shown that the electrode surface 5 is used for normalization or error compensation of the main signal of the electrodes 4 and 6 .

Der Abstandshalter 3 ist innerhalb der Elektrodenflächen 4, 5 und 6 im kräftefreien Mittenraum zentrisch angeordnet, so daß ein planparalleler Spalt zwischen den Elektrodenflächen 4, 5 und 6 entsteht. Die Elektrodenflächen 4, 5 und 6 wei sen eine Kapazität auf, die sich bei mechanischer Verbie gung der Membran ändert.The spacer 3 is arranged centrally within the electrode surfaces 4 , 5 and 6 in the force-free center space, so that a plane-parallel gap is formed between the electrode surfaces 4 , 5 and 6 . The electrode surfaces 4 , 5 and 6 have a capacitance which changes when the membrane is mechanically bent.

Die elektrischen Kontakte der Membran-Elektrode 6 und der Trägerplatten-Elektroden 4, 5 werden durch den Abstandshal ter 3 und durch die Trägerplatte 1 aus dem Drucksensor herausgeführt.The electrical contacts of the membrane electrode 6 and the carrier plate electrodes 4 , 5 are led out through the spacer 3 and through the carrier plate 1 from the pressure sensor.

Die Kontaktierung der Elektrodenflächen 4, 5 und 6 selbst erfolgt über Durchkontaktierungslöcher und Kontaktstifte 7 durch Kleben oder Löten.The contacting of the electrode surfaces 4 , 5 and 6 itself takes place via via holes and contact pins 7 by gluing or soldering.

Die Abdichtung des Meßraumes des Drucksensors gegen das gasförmige oder flüssige Medium ist in Fig. 2 verdeutlicht.The sealing of the measuring chamber of the pressure sensor against the gaseous or liquid medium is illustrated in FIG. 2.

Die Membran 2 muß sich dem beaufschlagenden Druck entspre chend frei verbiegen können. Dies ist dadurch gewähr leistet, daß über die Membran 2 eine dünne, elastische Folie 8 gespannt ist, die mit einem Distanzring 9 den Innenraum der Druckzelle hermetisch verschließt. Das erfolgt auf rein mechanischem Wege, indem die Folie 8 durch die Trägerplatte 1 über den zentrisch justierten Distanz ring 9 gegen den Gehäuseboden 10 des Druckgebergehäuses 12 gepreßt wird.The membrane 2 must be able to bend the pressurized accordingly accordingly. This is ensured by the fact that a thin, elastic film 8 is stretched over the membrane 2 and hermetically seals the interior of the pressure cell with a spacer ring 9 . This is done in a purely mechanical way, by pressing the film 8 through the carrier plate 1 over the centrally adjusted distance ring 9 against the housing base 10 of the pressure transducer housing 12 .

Der Distanzring 9 ist genau so hoch wie die Membran 2 plus dem Abstandshalter 3 und sorgt für einen definierten Abstand zwischen Trägerplatte 1 und Gehäuse 12 und für die freie Beweglichkeit der Membran 2.The spacer ring 9 is exactly as high as the membrane 2 plus the spacer 3 and ensures a defined distance between the carrier plate 1 and the housing 12 and for the free movement of the membrane 2 .

Die Folie 8 ragt über die Membran 2 und den Distanzring 9 hinaus, wobei die Abgrenzung der Druck-Mediumseite gegen über dem Spalt zwischen Membran 2 und Distanzring 9 über die Folie 8 erfolgt. Die Folie 8 muß stark genug sein, um dem Druck im Spalt standzuhalten, aber elastisch genug, um großflächig den Druck auf die Membran 2 ungehindert zu übertragen. Vorteilhafterweise wird der Spalt zwischen 20 und 100 µm liegen, um den Abstand zwischen Membran 2 und Distanzring 9 abzudecken. Dabei besteht die elastische Folie 8 bevorzugt aus Glas oder einem metallbeschichteten Kunststoff.The film 8 protrudes beyond the membrane 2 and the spacer ring 9 , with the delimitation of the pressure medium side from the gap 8 between the membrane 2 and the spacer ring 9 . The film 8 must be strong enough to withstand the pressure in the gap, but elastic enough to transmit the pressure to the membrane 2 unhindered over a large area. The gap will advantageously be between 20 and 100 μm in order to cover the distance between membrane 2 and spacer ring 9 . The elastic film 8 is preferably made of glass or a metal-coated plastic.

Eine zusätzliche Abdichtung des Meßraumes erfolgt über einen O-Ring 11, der zwischen Trägerplatte 1 und Folie 8 angebracht ist und den Distanzring 9 radial umschließt.The measuring chamber is additionally sealed by an O-ring 11 , which is attached between the carrier plate 1 and the film 8 and radially surrounds the spacer ring 9 .

Um die Drucksensorzelle gegen Verunreinigungen zu schützen und abzudichten, können, wie in Fig. 3 ersichtlich, sowohl der Distanzring 9 mit der Trägerplatte 1 als auch mit der Folie 8 verklebt sein.In order to protect and seal the pressure sensor cell against contamination, as can be seen in FIG. 3, both the spacer ring 9 can be glued to the carrier plate 1 and to the film 8 .

Dieselbe Wirkung wird auch durch Verschweißen der Teile oder eine andere Fügetechnik erreicht.The same effect is achieved by welding the parts or achieved another joining technique.

Sowohl für die Trägerplatte 1 als auch für die Membran 2 bieten sich die verschiedensten Materialien, wie Keramik, Silizium, Glas und geschliffenes Metall an. Die erfindungs gemäße Lösung läßt den Einsatz all dieser Materialien zu.A wide variety of materials, such as ceramics, silicon, glass and ground metal, are suitable for both the carrier plate 1 and the membrane 2 . The solution according to the Invention allows the use of all of these materials.

Claims

1. Pressure sensor, consisting of a carrier plate and a membrane, which are connected via a spacer and are held at an almost planparal distance, electrode surfaces being applied to the opposite sides of the carrier plate and membrane and the membrane facing away from the carrier plate the medium to be measured side is covered with a layer insensitive to the measuring medium, the layer being an elastic, freely movable film which on the membrane and beyond its edge on a rigid, the same height as the membrane pointing Spacer ring, which surrounds the membrane at a slight distance, characterized in that the spacer ( 3 ) is arranged centrally in the force-free center space within the electrode surfaces ( 4 , 5 , 6 ), the contacting of the electrode surfaces ( 4 , 5 , 6 ) through the spacer ( 3 ) Contact pins ( 7 ).

2. Pressure sensor according to claim 1, characterized in that the membrane ( 2 ) is struck by a clamping element against the spacer ring ( 9 ).

3. Pressure sensor according to claim 2, characterized in that an O-ring ( 11 ), which surrounds the spacer ring ( 9 ) radially, is mounted between the carrier plate ( 1 ) and the film ( 8 ) and is supported by the clamping element ( 10 ).

4. Pressure sensor according to claim 3, characterized in that the clamping element is formed by the bottom ( 10 ) of a cup-shaped, the sensor receiving housing ( 12 ).

5. Pressure sensor according to claim 2, characterized in that the di punch ring ( 9 ) is fixedly connected to the carrier plate ( 1 ).

6. Pressure sensor according to claim 5, characterized in that the di punch ring ( 9 ) with the film ( 8 ) and / or the carrier plate ( 1 ) are connected to one another via gluing or welding.

7. Pressure sensor according to one of claims 2 to 6, characterized in that the distance between the membrane ( 2 ) and spacer ring ( 9 ) is approximately 10 to 200 microns.

8. Pressure sensor according to claim 6, characterized in that the film ( 8 ) consists of glass.

9. Pressure sensor according to claim 6, characterized in that the film ( 8 ) consists of metal-coated plastic films.