DE4024780A1 - Keramikmembran-drucksensor - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Drucksensor nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Es ist bekannt, als Sensorelement eines Drucksensors ein Formkera­ mikteil zu verwenden, das eine in einem Rahmen ausgebildete Membran aufweist. Die Membran hat plane Oberflächen und ist gleichmäßig dünn ausgebildet. Eine Oberseite der Membran dient als Grundsubstrat für rechteckige, piezoresistive Dickschicht-Meßwiderstände. Mit solchen Sensorelementen lassen sich im Verhältnis zum zu messenden Druck nur geringe Nutzsignale erzeugen. Gleichzeitig ist das Sensorelement nur bedingt belastbar und weist bei höheren Drücken ein kritisches Berstverhalten auf.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Sensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß das Sensorelement eine hohe Überdruckfestigkeit aufweist und gleichzeitig ein starkes Nutzsignal liefert. Dies wird durch eine Versteifungszone in der Membran des Sensorelements erreicht, die von einem Bereich maximaler Zugspannung umgeben ist. Verstärkt wird dieser Effekt noch dadurch, daß die Membran von dem Bereich maximaler Zugspannung ausgehend bis an den Rahmen heranreichend mit zunehmendem Radius dicker werdend ausgebildet ist. Dadurch wird die Zugspannung auf der Unter­ seite der Membran gleichmäßiger abgebaut, was die Berstfestigkeit wesentlich erhöht. Vorteilhaft ist außerdem, daß sich der Sensor durch variable Ausgestaltung des Sensorelements einfach für ver­ schiedene Meßbereiche auslegen läßt, indem die Bereiche maximaler Zug- bzw. Schubspannungen der Membran des Sensorelementes optimiert werden. Besonders günstig ist außerdem die Hybridintegrierbarkeit von Sensorelement und Auswerteschaltung.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor­ teilhafte Weiterbildungen des im Hauptanspruch angegebenen Sensors möglich. Die Empfindlichkeit des Sensors kann vorteilhaft dadurch erhöht werden, daß die Dickschichtwiderstände in den Bereichen maxi­ maler Zugspannung und maximaler Schubspannung auf der Membran des Sensorelementes angeordnet sind und zudem in der Form dieser Be­ reiche ausgestaltet sind. Bei dieser Anpassung der Meßwiderstände an die Geometrie der Zonen maximaler Dehnung bzw. Verkürzung können die Deformationen der Membran optimal in Nutzsignale umgesetzt werden. Als besonders günstig erweisen sich Sensorelemente mit einer runden oder ovalen Versteifungszone im Mittelbereich der Membran. Durch diese Versteifungszone wird der Bereich maximaler Zugspannung auf einen Kreisring bzw. ein Oval um die Versteifungszone verlagert. Vorteilhaft bei dieser Ausgestaltung des Sensorelementes ist es, die Dickschicht-Widerstände als Kreissegmente bzw. Ovalsegmente auszulegen und in dem Kreisringbereich bzw. Ovalbereich um die Versteifungszone, der dem Bereich maximaler Dehnung entspricht, anzuordnen. Außerdem ist es günstig, auch im Bereich der maximalen Schubspannung entsprechend ausgeführte Dickschichtwiderstände anzuordnen. Das Sensorelement kann aber auch vorteilhaft mit einer eckigen Versteifungszone ausgestattet sein, auf deren Geometrie die Ausgestaltung des Zugspannungsbereichs, der Verstärkungszone und der Dickschichtwiderstände abgestimmt ist.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung darge­ stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 den Schnitt durch ein Sensorelement und

Fig. 2 die Aufsicht auf dieses Sensorelement.

Beschreibung der Erfindung

In Fig. 1 ist mit 10 ein Sensorelement bezeichnet. Das Sensorele­ ment 10 ist üblicherweise ein Formkeramikteil kann aber auch ein an­ derer Keramikkörper sein. Aus dem Keramikkörper ist eine Membran 15 in einem Rahmen 11 ausgebildet. Eine Oberfläche 12 des Sensorele­ ments 10 ist plan. Auf der Unterseite der Membran 15 ist im Mittel­ bereich eine Versteifungszone 16 so ausgebildet, daß die Membran in diesem Bereich dicker ist, als in einem Zugspannungsbereich 18 rund um die Versteifungszone 16. An den Zugspannungsbereich 18 schließt sich eine Verstärkungszone 17 an, die bis an den Rahmen 11 reicht. Die Membran 15 ist in der Verstärkungszone 17 mit zunehmendem Abstand von dem Zugspannungsbereich 18 dicker werdend ausgebildet. Der Druckanschluß für das Sensorelement 10 erfolgt von unten und ist in Fig. 1 durch einen Pfeil gekennzeichnet. Auf der planen Ober­ fläche 12 der Membran 15 sind im Zugspannungsbereich 18 Dickschicht­ widerstände 22 und im Bereich der Verstärkungszone 17 Dickschicht­ widerstände 21 aufgebracht. Die Dickschichtwiderstände 22 dienen dazu, die bei einem Druckanschluß auftretenden Dehnungen im Zug­ spannungsbereich 18 zu erfassen, während mit den Dickschichtwider­ ständen 21 die Stauchung der Membran 15 im Schubspannungsbereich 17 erfaßt wird.

In Fig. 2 ist die Oberseite 12 des Sensorelements 10 dargestellt. Sie dient als Grundsubstrat für die Dickschichtwiderstände 21, 22. Mit den gestrichelten Linien sind die Abgrenzungen der verschiedenen Bereiche: Rahmen 11, Verstärkungszone 17, Zugspannungsbereich 18 und Versteifungszone 16 des Sensorelements 10 angedeutet. Die Verstei­ fungszone 16 ist bei diesem Sensorelement 10 kreisrund ausgebildet kann aber auch oval oder eckig sein. Abgestimmt auf die Form der Versteifungszone 16 ist der Zugspannungsbereich 18 in diesem Bei­ spiel kreisringförmig. Im Zugspannungsbereich 18 der Oberfläche 12 sind zwei kreissegmentförmig ausgestaltete, der Form des Zug­ spannungsbereichs 18 angepaßte Dickschichtwiderstände 22 einander gegenüber angeordnet. Die Ausgestaltung der Dickschichtwiderstände als Segmente der Form des Zugspannungsbereichs 18 ermöglicht es, die Deformation der Membran 15 im Bereich maximaler Dehnung optimal in ein Nutzsignal umzusetzen. Auch die Dickschichtwiderstände 21 sind kreissegmentförmig aber im Bereich der Verstärkungszone 17 angeord­ net, wo die größte Schubspannung bei einer Druckeinwirkung auftritt. In diesem Beispiel sind sowohl im Bereich der Verstärkungszone 17, dem Schubspannungsbereich, als auch im Zugspannungsbereich 18 jeweils zwei Dickschichtwiderstände 21, 22 einander gegenüber angeordnet. Die Anzahl und die Anordnung der Widerstände in diesen Bereichen der Membran 15 können jedoch je nach Anwendung und Aus­ gestaltung des Sensorelements 10 gewählt werden. Durch die Ver­ steifungszone 16 in der Mitte der Membran 15 und die Ausgestaltung der Verstärkungszone 17 wird der Bereich maximaler Zugspannung auf den Zugspannungsbereich 18 verlagert. Die Verstärkung der Membran 15 im Außenbereich dient außerdem dazu, die Zugspannung auf der Unter­ seite der Membran 15 gleichmäßig abzubauen, um die Berstfestigkeit des Sensorelements 10 so groß wie möglich zu machen. Die erfindungs­ gemäße Ausgestaltung des Sensorelements ermöglicht eine präzise, pneumatische oder hydraulische Druckmessung bei gleichzeitiger hoher Überdruckfestigkeit des Sensorelements.

Claims (5)

1. Drucksensor mit einem Keramik-Sensorelement, bei dem die Mittelzone als Membran ausgebildet ist, deren eine Oberseite plan ist, und bei dem die Außenzone einen Rahmen für die Membran bildet und mit auf die plane Oberfläche der Membran aufgebrachten piezo­ resistiven Dickschichtwiderständen, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (15) mindestens eine Versteifungszone (16) aufweist, in der die Membran (15) dicker ausgebildet ist als in einem Zugspannungs­ bereich (18) rund um die Versteifungszone (16) und daß die Membran (15) mindestens eine Verstärkungszone (17) aufweist, in der die Mem­ bran (15) vom Zugspannungsbereich (18) ausgehend in den Rahmen (11) mündend gleichmäßig dicker werdend ausgebildet ist.

2. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß minde­ stens ein Dickschichtwiderstand (22) auf die plane Oberfläche (12) der Membran (15) im Zugspannungsbereich (18) aufgebracht ist.

3. Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Dickschichtwiderstand (21) auf die plane Ober­ fläche (12) der Membran (15) im Bereich der Verstärkungszone (17), dem Schubspannungsbereich, aufgebracht ist.

4. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dickschichtwiderstände (21, 22) die Form von Segmenten des Zugspannungsbereichs (18) haben.

5. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (15) in ihrem Mittelbereich eine runde, ovale oder eckige Versteifungszone (16) aufweist, die ent­ sprechend der Form der Versteifungszone (16) von einem kreisring­ förmigen, ovalen oder eckigen Zugspannungsbereich (18) umgeben ist, daß zwei Dickschichtwiderstände (22) gegenüber auf der planen Ober­ fläche (12) der Membran (15) im Zugspannungsbereich (18) angeordnet sind und daß zwei Dickschichtwiderstände (21) gegenüber auf der planen Oberfläche (12) der Membran (15) im Bereich der Verstärkungs­ zone (17) angeordnet sind.