DE102014102973A1 - pressure sensor - Google Patents
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Abstract
Es ist ein kostengünstig herstellbarer kapazitiver Drucksensor, mit einer mit einem Druck beaufschlagbaren und druckabhängig elastisch verformbaren metallischen Messmembran (1), einer metallischen Halbschale (3), die eine mit einem äußeren Rand einer ersten Seite der Messmembran (1) verbundene, der Messmembran (1) zugewandte Stirnseite aufweist, einer unter der Messmembran (1) in der Halbschale (3) eingeschlossenen Druckkammer (5), einer in der Halbschale (3) angeordneten, von der Messmembran (1) beabstandeten Glasfüllung (11), und einem kapazitiven elektromechanischen Wandler zur messtechnischen Erfassung einer druckabhängigen Verformung der Messmembran (1), mit einer auf der Glasfüllung (11) angeordneten Messelektrode (15) und einer durch die metallische Messmembran (1) gebildete Gegenelektrode, beschrieben, dessen Messelektrode (15) ein auf einer der Messmembran (1) zugewandten Stirnseite der Glasfüllung (11) angeordnetes Tiefziehteil ist.It is a cost-effective producible capacitive pressure sensor, with a pressurizable and pressure-dependent elastically deformable metallic measuring membrane (1), a metallic half-shell (3) having a connected to an outer edge of a first side of the measuring membrane (1), the measuring membrane ( 1) facing the end, a below the measuring diaphragm (1) in the half-shell (3) enclosed pressure chamber (5) arranged in the half-shell (3), of the measuring diaphragm (1) spaced glass filling (11), and a capacitive electromechanical Transducer for metrological detection of a pressure-dependent deformation of the measuring diaphragm (1), with a measuring electrode (15) arranged on the glass filling (11) and a counterelectrode formed by the metallic measuring diaphragm (1), whose measuring electrode (15) is located on one of the measuring diaphragm (1) facing the end face of the glass filling (11) arranged deep-drawn part.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drucksensor, mit einer mit einem Druck beaufschlagbaren und druckabhängig elastisch verformbaren metallischen Messmembran, einer metallischen Halbschale, die eine mit einem äußeren Rand einer ersten Seite der Messmembran verbundene, der Messmembran zugewandte Stirnseite aufweist, einer unter der Messmembran in der Halbschale eingeschlossenen Druckkammer, einer in der Halbschale angeordneten, von der Messmembran beabstandeten Glasfüllung, und einem kapazitiven elektromechanischen Wandler zur messtechnischen Erfassung einer druckabhängigen Verformung der Messmembran, mit einer auf der Glasfüllung angeordneten Messelektrode und einer durch die metallische Messmembran gebildete Gegenelektrode.The present invention relates to a pressure sensor, with a pressurizable and pressure-dependent elastically deformable metallic measuring membrane, a metallic half-shell having a connected to an outer edge of a first side of the measuring membrane, the measuring membrane facing end side, one below the measuring membrane in the half-shell enclosed pressure chamber, arranged in the half-shell, spaced from the measuring membrane glass filling, and a capacitive electromechanical transducer for metrological detection of a pressure-dependent deformation of the measuring membrane, with a arranged on the glass filling measuring electrode and a counter electrode formed by the metallic measuring membrane.
Drucksensoren werden in der industriellen Messtechnik zur Messung von Drücken eingesetzt.Pressure sensors are used in industrial measurement technology to measure pressures.
Drucksensoren weisen regelmäßig eine unter Einschluss einer Druckkammer auf einem Grundkörper angeordnete mit einem Druck beaufschlagbare und druckabhängig elastisch verformbare Messmembran und einen elektromechanischen Wandler zur messtechnischen Erfassung der druckabhängigen Verformung der Messmembran auf.Pressure sensors regularly have a measurement membrane, which is arranged on a base body and can be pressurized and pressure-dependently elastically deformable under inclusion of a pressure chamber, and an electromechanical transducer for metrological detection of the pressure-dependent deformation of the measurement membrane.
Drucksensoren mit einer unter Einschluss einer Druckkammer auf einem Grundkörper angeordneten Messmembran können als Absolutdrucksensoren ausgebildet werden, die einen Druck gegenüber Vakuum messen, indem die Druckkammer evakuiert wird. Alternativ können sie als Relativdrucksensoren ausgebildet werden, die einen Druck bezogen auf einen der Druckkammer über eine durch den Grundkörper hindurch führende, in der Druckkammer mündende Druckzufuhr zugeführten Referenzdruck, insb. dem Atmosphärendruck, messen. Darüber hinaus können sie als Differenzdrucksensoren ausgebildet werden, die eine Druckdifferenz zwischen einem ersten und einem zweiten Druck messen. Hierzu wird auf einer vom ersten Grundkörper abgewandten Seite der Messmembran ein identisch aufgebauter zweiter Grundkörper vorgesehen, und die Messmembran über eine durch den ersten Grundkörper hindurch führende in der ersten Druckkammer mündende Druckzufuhr mit dem ersten, und über eine zweite durch den zweiten Grundkörper hindurchführende in der zweiten Druckkammer mündende Druckzufuhr mit dem zweiten Druck beaufschlagt.Pressure sensors with a measurement membrane arranged on a base body including a pressure chamber can be designed as absolute pressure sensors which measure a pressure with respect to vacuum by evacuating the pressure chamber. Alternatively, they can be designed as relative pressure sensors which measure a pressure relative to one of the pressure chambers via a reference pressure, in particular the atmospheric pressure, which passes through the main body and opens into the pressure chamber. In addition, they can be designed as differential pressure sensors, which measure a pressure difference between a first and a second pressure. For this purpose, an identically constructed second base body is provided on a side facing away from the first body side of the measuring diaphragm, and the measuring diaphragm via a first through the first body leading into the first pressure chamber opening pressure supply to the first, and a second through the second body passing in the second pressure chamber opening pressure supplied to the second pressure.
Bei Drucksensoren besteht die Gefahr, dass die Messmembran einer Überlast ausgesetzt wird. Dabei können auf die Messmembran einwirkende Drücke so groß werden, dass die Messmembran zu stark ausgelenkt und hierdurch beschädigt werden kann.With pressure sensors there is a risk that the measuring diaphragm will be exposed to overload. In this case, pressures acting on the measuring membrane can become so great that the measuring membrane can be deflected too strongly and thereby damaged.
Eine mögliche Maßnahme zum Schutz der Messmembran im Überlastfall besteht darin, im Drucksensor unter der Messmembran ein Membranbett vorzusehen, das die Messmembran im Überlastfall abstützt. Hierzu weist das Membranbett vorzugsweise eine an die Biegekontur der Messmembran angepasste Geometrie auf, auf der die Messmembran im Überlastfall zur Auflage kommt.One possible measure to protect the measuring diaphragm in the event of overloading is to provide a diaphragm bed in the pressure sensor underneath the measuring diaphragm, which supports the diaphragm in case of overload. For this purpose, the membrane bed preferably has a geometry adapted to the bending contour of the measuring membrane, on which the measuring membrane comes to rest in case of overload.
In der
Im Messbetrieb wird eine erste Seite der Messmembran über einen ersten mit einer Druck übertragenden Flüssigkeit gefüllten Druckmittler mit einem ersten Druck und eine zweite Seite der Messmembran über einen zweiten mit einer Druck übertragenden Flüssigkeit gefüllten Druckmittler mit einem zweiten Druck beaufschlagt. Jeder Druckmittler umfasst eine im Messbetrieb außenseitig mit dem ersten bzw. dem zweiten Druck beaufschlagte Trennmembran, unter der eine Druckempfangskammer eingeschlossen ist, die über eine durch die jeweilige Halbschale und deren Glasfüllung hindurch verlaufende Druckzufuhr mit der zugehörigen Druckkammer verbunden ist.In measuring operation, a first side of the measuring diaphragm is acted upon by a first pressure transmitter filled with a pressure-transmitting liquid with a first pressure and a second side of the measuring diaphragm via a second pressure-transmitting liquid filled with a second intermediate pressure medium. Each pressure transmitter comprises a separating diaphragm which is acted upon externally by the first and the second pressure during measurement operation, and under which a pressure-receiving chamber is enclosed, which is connected to the associated pressure chamber via a pressure supply extending through the respective half-shell and its glass filling.
Es ist ein kapazitiver elektromechanischer Wandler vorgesehen, der eine von der Differenz des ersten und des zweiten Drucks abhängige Verformung der metallischen Messmembran messtechnisch erfasst. Dieser umfasst auf die konkaven Membranbetten als Elektroden aufgebrachte metallische Beschichtungen, die zusammen mit der Messmembran jeweils einen Kondensator bilden. Der elektrische Anschluss der Elektroden erfolgt jeweils durch ein in der jeweiligen Druckkammer mündendes metallisches Röhrchen, das durch die Glasfüllung verläuft, und über eine Glasdurchführung elektrisch isoliert gegenüber der jeweiligen Halbschale aus der Halbschale herausgeführt ist.A capacitive electromechanical transducer is provided which metrologically detects a deformation of the metallic measuring diaphragm that is dependent on the difference between the first and the second pressure. This comprises metallic coatings applied to the concave membrane beds as electrodes, which together with the measuring membrane in each case form a capacitor. The electrical connection of the electrodes takes place in each case through a metallic tube which opens out into the respective pressure chamber and runs through the glass filling, and is led out of the half-shell via a glass feedthrough in an electrically insulated manner with respect to the respective half-shell.
Vor der ersten Inbetriebnahme werden die beiden Druckmittler über diese Röhrchen mit der Druck übertragenden Flüssigkeit befüllt, und die Röhrchen anschließend verschlossen.Before the initial start-up, the two diaphragm seals are filled with the pressure-transmitting fluid via these tubes, and the tubes are then closed.
Sowohl das Abschleifen der Glasfällungen als auch die metallische Beschichtung der geschliffenen konkaven Membranbetten stellen Zeit und Kosten intensive Arbeitsgänge dar.Both the grinding of the glass precipitations and the metallic coating of the Ground concave membrane beds represent time and cost intensive operations.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung einen kostengünstig herstellbaren kapazitiven Drucksensor anzugeben.It is an object of the invention to provide a cost-producible capacitive pressure sensor.
Zur Lösung dieser Aufgaben umfasst die Erfindung einen Drucksensor, mit
- – einer mit einem Druck beaufschlagbaren und druckabhängig elastisch verformbaren metallischen Messmembran,
- – einer metallischen Halbschale, die eine mit einem äußeren Rand einer ersten Seite der Messmembran verbundene, der Messmembran zugewandte Stirnseite aufweist,
- – einer unter der Messmembran in der Halbschale eingeschlossenen Druckkammer,
- – einer in der Halbschale angeordneten, von der Messmembran beabstandeten Glasfüllung, und
- – einem kapazitiven elektromechanischen Wandler zur messtechnischen Erfassung einer druckabhängigen Verformung der Messmembran, mit einer auf der Glasfüllung angeordneten Messelektrode und einer durch die metallische Messmembran gebildete Gegenelektrode, der sich dadurch auszeichnet, dass
- – die Messelektrode ein auf einer der Messmembran zugewandten Stirnseite der Glasfüllung angeordnetes Tiefziehteil ist.
- A pressure-sensitive elastically deformable metallic measuring membrane,
- A metallic half-shell which has an end face connected to an outer edge of a first side of the measuring membrane and facing the measuring membrane,
- A pressure chamber enclosed in the half-shell under the measuring diaphragm,
- - An arranged in the half-shell, spaced from the measuring membrane glass filling, and
- A capacitive electromechanical transducer for the metrological detection of a pressure-dependent deformation of the measuring diaphragm, with a measuring electrode arranged on the glass filling and a counterelectrode formed by the metallic measuring diaphragm, which is characterized in that
- - The measuring electrode is arranged on one of the measuring membrane facing the end face of the glass filling deep-drawn part.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weisen die Messelektrode und die der Messmembran zugewandte Stirnseite der Glasfüllung zur Abstützung der Messmembran im Falle einer darauf einwirkenden Überlast eine Formgebung auf, die einer Biegekontur der Messmembran im Falle der darauf einwirkenden Überlast entspricht.According to a preferred embodiment of the invention, the measuring electrode and the measuring membrane facing end face of the glass filling for supporting the measuring diaphragm in the event of an overload acting on a shape, which corresponds to a bending contour of the measuring diaphragm in the case of the overload acting thereon.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung
- – ist ein elektrisch leitfähiger Kontaktstift vorgesehen,
- – ist der Kontaktstift mit einer von der Messmembran abgewandten Unterseite der Messelektrode mittels einer elektrisch leitfähigen mechanischen Verbindung, insb. mittels Schweißpunkten, verbunden,
- – verläuft der Kontaktstift durch die Glasfüllung hindurch, und
- – ist in einem von der Messmembran abgewandten Boden der Halbschale eine Durchführung, insb. eine Glasdurchführung, vorgesehen, durch die hindurch der Kontaktstift verläuft und elektrisch isoliert gegenüber der Halbschale kontaktierbar ist.
- An electrically conductive contact pin is provided,
- The contact pin is connected to an underside of the measuring electrode facing away from the measuring diaphragm by means of an electrically conductive mechanical connection, in particular by means of spot welds,
- - The contact pin passes through the glass filling, and
- - Is in a remote from the measuring membrane bottom of the half-shell, a passage, esp. A glass feedthrough, provided through which extends the contact pin and electrically insulated from the half shell is contacted.
Gemäß einer Weiterbildung der letztgenannten Weiterbildung
- – ist der Kontaktstift ein Hohlstift, und
- – weist die Messelektrode eine die Druckkammer mit einem Innenraum des Hohlstifts verbindende Ausnehmung auf.
- - The contact pin is a hollow pin, and
- - The measuring electrode has a the pressure chamber with an interior of the hollow pin connecting recess.
Gemäß einer Weiterbildung der letztgenannten Weiterbildung bildet der Hohlstift eine Druckzufuhr, über die die der Halbschale zugewandten Seite der Messmembran mit einem Druck beaufschlagbar ist.According to a development of the last-mentioned further development of the hollow pin forms a pressure supply, via which the half-shell facing side of the measuring diaphragm can be acted upon with a pressure.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist der äußere Rand der Messmembran mit einer der Messmembran zugewandten Stirnseite der Halbschale mittels einer druckdichten Fügung, insb. einer Schweißung, verbunden.According to one embodiment of the invention, the outer edge of the measuring diaphragm is connected to an end side of the half-shell facing the measuring diaphragm by means of a pressure-tight joint, in particular a weld.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Drucksensor als Differenzdrucksensor ausgebildet, indem
- – eine mit einem äußeren Rand einer zweiten Seite der Messmembran verbundene zweite Halbschale vorgesehen ist, die identisch zu der mit der ersten Seite der Messmembran verbundenen Halbschale ist,
- – in der zweiten Halbschale eine zweite Glasfüllung angeordnet ist, die identisch zu der Glasfüllung der mit der ersten Seite der Messmembran verbundenen Halbschale ist, und
- – auf der der Messmembran zugewandten Stirnseite der zweiten Halbschale eine zweite Messelektrode angeordnet ist, die identisch zu der in der mit der ersten Seite der Messmembran verbundenen Halbschale angeordneten Messelektrode ist.
- A second half-shell connected to an outer edge of a second side of the measuring membrane is provided which is identical to the half-shell connected to the first side of the measuring membrane,
- - In the second half-shell, a second glass filling is arranged, which is identical to the glass filling of the half-shell connected to the first side of the measuring diaphragm, and
- - On the end face of the second half-shell facing the measuring diaphragm a second measuring electrode is arranged, which is identical to the measuring electrode arranged in the half-shell connected to the first side of the measuring diaphragm.
Gemäß einer Weiterbildung der letztgenannten Ausgestaltung sind die von der Messmembran abgewandten Unterseiten der beiden Messelektroden jeweils mit einem elektrisch leitfähigen Kontaktstift verbunden,
- – der durch die Glasfüllung der jeweiligen Halbschale hindurch verläuft,
- – der über eine in einem von der Messmembran abgewandten Boden der jeweiligen Halbschale angeordnete Durchführung elektrisch isoliert gegenüber der jeweiligen Halbschale kontaktierbar ist,
- – der als Hohlstift ausgebildet ist,
- – dessen Innenraum über eine Ausnehmung in der mit dem jeweiligen Kontaktstift verbundenen Messelektrode mit der an die jeweilige Messelektrode angrenzenden Druckkammer verbundenen ist, und
- – über den die dem jeweiligen Kontaktstift zugewandte Seite der Messmembran mit einem Druck beaufschlagbar ist.
- Passing through the glass filling of the respective half shell,
- - Is electrically contacted via a arranged in a remote from the measuring membrane bottom of the respective half-shell implementation opposite the respective half-shell,
- - Is designed as a hollow pin,
- - The interior of which is connected via a recess in the measuring electrode connected to the respective contact pin with the adjoining the respective measuring electrode pressure chamber, and
- - Over which the respective contact pin facing side of the measuring membrane can be acted upon with a pressure.
Weiter umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Drucksensors, das sich dadurch auszeichnet, dass
- – die eine Bohrung in deren Boden aufweisende Halbschale gefertigt wird,
- – die Messelektrode durch Tiefziehen aus einem Metallblech als Tiefziehteil gefertigt wird,
- – der Kontaktstift, insb. mittels einer oder mehrerer Punktschweißungen, mit der Messelektrode verbunden wird,
- – eine vorgegebene Menge Glaslot derart in die Halbschale eingebracht wird, dass die Bohrung im Boden der Halbschale und ein Teilbereich des Innenraums der Halbschale mit Glaslot befüllt sind,
- – das eingebrachte Glaslot in der Halbschale auf eine über einem Erweichungspunkt und unterhalb eines Schmelzpunkts des Glaslots liegende Verarbeitungstemperatur erwärmt wird, bei der das Glaslot eine weiche und unter Druck verformbare Masse bildet,
- – die Messelektrode zusammen mit dem damit verbundenen Kontaktstift in das weiche Glaslot eingesetzt wird, und
- – sich das Glaslot aufgrund des dabei von der Messmembran auf das Glaslot ausgeübten Drucks an eine Formgebung der Messelektrode anpasst.
- The one half-shell having a bore is produced in the bottom thereof,
- - The measuring electrode is made by deep drawing of a metal sheet as a deep-drawn part,
- The contact pin, in particular by means of one or more spot welds, is connected to the measuring electrode,
- A predetermined amount of glass solder is introduced into the half shell such that the bore in the bottom of the half shell and a partial region of the interior of the half shell are filled with glass solder,
- The introduced glass solder in the half shell is heated to a processing temperature above a softening point and below a melting point of the glass solder at which the glass solder forms a soft and compressible mass,
- - The measuring electrode is inserted together with the associated contact pin in the soft glass solder, and
- - The glass solder adapts to a shape of the measuring electrode due to the pressure exerted by the measuring membrane on the glass solder pressure.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens
- – wird die Messelektrode beim Einsetzen mittels eines Stempels, insb. eines Stempels aus Graphit, auf das weiche Glaslot gedrückt, und
- – der Stempel weist auf dessen Stirnseite einen Bereich auf, dessen Größe und Formgebung der Größe und der Formgebung der Messelektrode entspricht.
- - When inserting the measuring electrode by means of a punch, esp. A punch made of graphite, pressed on the soft glass solder, and
- - The stamp has on the end face an area whose size and shape corresponds to the size and shape of the measuring electrode.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens tritt überschüssiges Glaslot beim Einsetzen der Messmembran und des damit verbundenen Kontaktstifts durch die Bohrung im Boden der Halbschale aus.According to a further preferred embodiment of the method according to the invention, excess glass solder exits through the bore in the bottom of the half-shell when inserting the measuring diaphragm and the associated contact pin.
Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens
- – weist die Halbschale eine Absatzfläche auf, und
- – wird die Messelektrode mittels des Stempels so weit in das weiche Glaslot gedrückt, dass ein äußerer Rand des Stempels auf der Absatzfläche aufliegt.
- - Has the half-shell on a sales area, and
- - The measuring electrode is pressed by means of the punch so far into the soft glass solder that an outer edge of the punch rests on the shoulder surface.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens
- – ist der Kontaktstift ein Hohlstift ist, und
- – wird ein Innenraum des Hohlstifts vor dem Einsetzten in das weiche Glaslot mittels eines Stifts, insb. eines Stifts aus Graphit, verschlossen, und wird der Stift nach dem Erkalten des Glaslots wieder entfernt.
- - The contact pin is a hollow pin, and
- - An interior of the hollow pin is sealed before insertion into the soft glass solder by means of a pin, esp. A pencil made of graphite, and the pin is removed after cooling of the glass solder again.
Die Erfindung und deren Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen drei Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert. Gleiche Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.The invention and its advantages will now be explained in more detail with reference to the figures of the drawing, in which three embodiments are shown. Identical elements are provided in the figures with the same reference numerals.
Die Messmembran
Ein von der Messmembran
Unter der Messmembran
Der Drucksensor umfasst einen kapazitiven elektromechanischen Wandler, der dazu dient, die druckabhängige Verformung der Messmembran
Der Wandler weist eine Messelektrode
Erfindungsgemäß ist die Messelektrode
Die Stirnseite der Glasfüllung
Zum elektrischen Anschluss der Messelektrode
Im Boden
Der erfindungsgemäße Drucksensor kann – wie in
Alternativ kann der erfindungsgemäße Drucksensor als Relativdrucksensor ausgebildet sein, der den zu messenden Druck p bezogen auf einen Referenzdruck pref, z. B. den Atmosphärendruck, misst. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel hierzu ist in
Alternativ kann der erfindungsgemäße Drucksensor als Differenzdrucksensor ausgebildet sein, der eine Druckdifferenz Δp zwischen einem ersten Druck p1 und einem zweiten Druck p2 misst. Ein Ausführungsbeispiel hierzu ist in
Die Kontaktstifte
Die erfindungsgemäßen Drucksensoren weisen den Vorteil auf, dass sie auf einfache Weise kostengünstig herstellbar sind. Dabei werden die Messelektroden
Die Halbschalen
Nachfolgend wird in jede metallische Halbschale
Anschließend wird das eingebrachte Glaslot
Das nach dem Einsetzen von Messelektrode
Vorzugsweise weisen die Halbschalen
Bei der Herstellung von Drucksensoren mit als Hohlstift ausgebildeten Kontaktstiften
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet den Vorteil, dass sowohl die Glasfüllung
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Messmembranmeasuring membrane
- 33
- Halbschalehalf shell
- 55
- Bodenground
- 77
- HalbschalenwandHalf shell wall
- 99
- Fügungcoincidence
- 1111
- Glasfüllungglass panel
- 1313
- Druckkammerpressure chamber
- 1515
- Messelektrodemeasuring electrode
- 1717
- Kontaktstiftpin
- 1919
- Durchführungexecution
- 2121
- Bohrungdrilling
- 2323
- Füllung aus GlasFilling of glass
- 2525
- Kontaktstiftpin
- 2727
- Ausnehmungrecess
- 2929
- Glaslotglass solder
- 3131
- Stempelstamp
- 3333
- BereichArea
- 3535
- Absatzflächeshoulder surface
- 3737
- Randedge
- 3939
- Stiftpen
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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2015
- 2015-02-23 WO PCT/EP2015/053675 patent/WO2015132089A1/en active Application Filing
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