DE2630640A1 - Piezo-resistive absolute pressure transducer - has flexible silicon integrated circuit resistors mounted in pressure cell - Google Patents
Piezo-resistive absolute pressure transducer - has flexible silicon integrated circuit resistors mounted in pressure cellInfo
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Abstract
Description
Piezoresistive Druckmeßzelle Die Erfindung betrifft eine DruckmeBzeNle nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Derartige Zellen werden zum Messen und Überwachen von hydraulischen und pneumatischen Drücken eingesetzt. Piezoresistive pressure measuring cell The invention relates to a pressure measuring cell according to the preamble of claim 1. Such cells are used for measuring and Used to monitor hydraulic and pneumatic pressures.
Häufig, jedoch ohne Einschränkung auf den vorliegenden Erfindungsgegenstand, bestehen piezoresistive Druckmeßzellen aus einem Halbleiter-Schaltungsplättchen, insbesondere aus Silizium, wobei mittels mechanischer oder photochemischer Verfahren das Schaltungsplättchen an seiner Rückseite über den größeren Deil seiner Fläche mit einer Ausnehmung versehen wird, um die Dicke des Schaltung plättchens soweit zu reduzieren, daß dessen Flexibilität im Sinne der Bildung einer Plättchenmembran gesteigert wird.Frequently, but without limitation to the present subject matter of the invention, piezoresistive pressure measuring cells consist of a semiconductor circuit board, in particular made of silicon, using mechanical or photochemical processes the circuit board on its back over the larger part of its surface is provided with a recess to the thickness of the circuit plate so far to reduce that its flexibility in terms of the formation of a platelet membrane is increased.
Auf der Rückseite des Schaltungsplättchens und dessen Ausnehmung überdeckend ist ein zweites Plättchen fluiddicht angebracht, wodurch eine jbsolutdruckmeßzelle geschaffen wird.Covering the back of the circuit board and its recess a second plate is attached in a fluid-tight manner, creating an absolute pressure measuring cell is created.
Weist das zweitePlättchen hingegen ein Loch auf, welches eine Verbindung zu der Ausnehmung des Schaltungsplättchens herstellt, so ist eine Anwendung als Referenzdruckmeßzelle möglich.If, on the other hand, the second plate has a hole, which makes a connection to the recess of the circuit board produces, so is one Can be used as a reference pressure measuring cell.
Solcherart hergestellte Absolut- und Referenzdruckmeßzellen werden nun in verschiedene Aufnehmergehäuse eingebaut, um einen Druckfühler zu erhalten. So wird in einem verbreiteten und in Electronics (Zias et al. Low Gost Gransducers Dec 4, 1972) beschriebenen Druckfühler die Meßzelle in eine Hybridschaltung eingebaut. Die Kontakte zwischen den Dünnfilmschichten der Meßzelle und den aus dem Druckraum führenden Leiterbahnen des Hybrid werden mittels verschweißter Golddrähte hergestellt. Der Aufbau für die Referenzdruckmeßzelle enthält zwei Druckeinlässe.Absolute and reference pressure measuring cells produced in this way are now built into different transducer housings to get a pressure sensor. It is widely used in electronics (Zias et al. Low Gost Gransducers Dec 4, 1972), the pressure sensor described, the measuring cell built into a hybrid circuit. The contacts between the thin-film layers of the measuring cell and those from the pressure chamber The leading conductor tracks of the hybrid are produced by means of welded gold wires. The structure for the reference pressure measuring cell contains two pressure inlets.
Ein Druckeinlaß führt über ein Loch in der Hybridplatte auf die Rückseite der Membran der Meßzelle, die über diesem Loch dicht aufgeklebt ist. Der zweite Druckeinlaß führt direkt auf die Frontplatte. Nachteilig ist dabei, daß die Meßzelle und mit ihr die elektrischen Verbindungen dem Druckfluid ausgesetzt sind. Eine trennung des Druckfluids mittels einer trennendem Membran und einer druckübertragenden Ölfüllung kann nur mit einem zusätzlichen Gehäuse bewerkstelligt werden. Diese Art der trennung verlangt große, sehr elastische rennmembranen, die eine nachteilige Vergrößerung des Druckfühlers hervorrufen und für Unterdruckmessungen ungeeignet sind.A pressure inlet leads to the rear via a hole in the hybrid plate the membrane of the measuring cell, which is glued tightly over this hole. The second Pressure inlet leads directly to the front panel. The disadvantage here is that the measuring cell and with it the electrical connections are exposed to the pressurized fluid. A seperation of the pressure fluid by means of a separating membrane and a pressure-transmitting oil filling can only be done with an additional housing. This kind of separation requires large, very elastic racing membranes, which are disadvantageous in terms of enlargement of the pressure sensor and are unsuitable for negative pressure measurements.
In einem Artikel vonil. W. Keller in Messen+Prüfen (Nr.- 2 und 3 1974) ist ein piezoresistiver Druckfühler beschrieben worden, wo eine Absolutdruckmeßzelle in ein Meßkopfgehäuse mit Glasdurchführungen eingebaut ist. Der Meßkopf ist mit einer aufgeschweißten Membran abgeschlossen, wobei Ol durch eine Einfüllschraube in den Meßkopf eingebracht hat, das den Neßdruck von der Membran auf die Siliziummembran überträgt. Daraus ergeben sich gewisse Vorteile, wie hohe Bigenfrequenz dank kleinstem Abstand zwischen Druckbeaufschlagung sowie Siliziummembran und ein sehr kleines Olvolumen dank kompakter Anordnung im Meßkopf, was den Einbau einer Stahlmembran ermöglicht, die den Einsatz der AuSnehmer in allen nicht toxischen Medien und zudem für Unterdruckmessungen erlaubt.In an article by il. W. Keller in Measuring + Testing (No. -2 and 3 1974) a piezoresistive pressure sensor has been described where an absolute pressure measuring cell is built into a measuring head housing with glass feedthroughs. The measuring head is with a welded membrane closed, with oil through a filler screw has introduced into the measuring head that the Neßdruck from the membrane to the silicon membrane transmits. This results in certain advantages, such as high low frequency thanks to the smallest Distance between pressurization as well as silicon membrane and a very small volume of oil thanks to the compact arrangement in the measuring head, which makes the installation of a Steel membrane allows the use of the exceptions in all non-toxic Media and also allowed for negative pressure measurements.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer gegenüber dem Stand der technik verbesserten Druckmeßzelle, welche in einem Druckfühler universell sowohl für Absolutdruckmessungen als auch Referenzdruckmessungen anwendbar ist, und zwar bei kleinstem Raumbedarf und unter Aufrechterhaltung eines stabilen Aufbaus. Erreicht wird dies durch den Sennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1.The object of the invention is to create a compared to the prior the technology-improved pressure measuring cell, which is both universal in a pressure sensor is applicable for absolute pressure measurements as well as reference pressure measurements, namely with the smallest space requirement and while maintaining a stable structure. Achieved this is indicated by the identification part of claim 1.
Durch den Erfindungsgegenstand läßt sich die angestrebte universelle Anwendbarkeit in Druckfühlern verschiedener Bauart erreichen, so daß für verschiedenste Arten von Druckfühlern nur eine einzige universelle Druckmeßzelle benötigt wird, die gegebenenfalls leicht austauschbar ist.Through the subject matter of the invention, the desired universal Achieve applicability in pressure sensors of various types, so that for the most diverse Types of pressure sensors only a single universal pressure measuring cell is required, which can be easily exchanged if necessary.
Dies ergibt Vorteile bei der Herstellung großer Stückzahlen und auch bei Reparaturen.This gives advantages in the production of large numbers and also for repairs.
Weiterbildungen der Erfindung nach den Patentansprüchen 3 - 8 betreffen besondere Gestaltungen von Druckfühlern unter Anwendung einer erfindungsgemäßen Druckmeßzelle.Developments of the invention according to claims 3-8 relate to special designs of pressure sensors using an inventive Pressure measuring cell.
Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 ein Auführungsbeispiel einer erfindungsgemaßen Druckmeßzelle im Axialschnitt, Fig. 2 die Druckmeßzelle von Fig. 1 in Draufsicht, wobei eine fluiddicht aufgesetzte Schxatskappe der besseren tbersicht halber weggelassen ist, Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel eines Druckfühlers unter Anwendung einer Druckmeßzelle gemäß Fig. 1, 2 im Axialschnitt, Fig. 4 ein gegenüber Fig. 3 abgewandeltes Ausführungs beispiel eines Druckfühlers in Deildarstellung während des Herstellungsganges, in einem gegenüber Fig. 3 wesentlich vergrößerten Axialschnitt, Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel eines gegenüber Fig. 3 ausgestalteten Druckfühlers mit eingebautem Steckerkontakt sockel, im Axialschnitt, Fig. 6 ein gegenüber Fig. 5 abgewandeltes Ausführungsbeispiel eines Druckfühlers mit seitlich herausgeführten Steckerkontakten, im Axialschnitt, Bigo 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Druckfühlers mit seitlich herausgeführten Sockelkontakten, ebenfalls im Axialschnitt, In der Zeichnungsindbei den verschiedenen Ausführungsbeispielen für gleichartige oder äquivalente Bauelemente der besseren Übersicht halber stets gleiche Bezugsziffern verwendet.The invention is explained in more detail below with reference to the drawing. The figures show: FIG. 1 an exemplary embodiment of a pressure measuring cell according to the invention Axial section, Fig. 2 the pressure measuring cell of Fig. 1 in plan view, with a fluid-tight attached Schxatskappe is omitted for the sake of clarity, Fig. 3 shows an embodiment of a pressure sensor using a pressure measuring cell 1, 2 in axial section, FIG. 4 shows an embodiment that is modified from FIG example of a pressure sensor in detail during the manufacturing process, in an axial section, which is significantly enlarged compared to FIG. 3, FIG. 5 shows an exemplary embodiment a pressure sensor designed with respect to FIG. 3 with a built-in plug contact base, in axial section, FIG. 6 shows an exemplary embodiment which is modified from FIG. 5 of a pressure sensor with laterally led out plug contacts, in axial section, Bigo 7 is another embodiment of a pressure sensor with laterally led out Socket contacts, also in axial section, in the drawing are the various Embodiments for similar or equivalent components of the better The same reference numbers are always used for the sake of clarity.
Gemäß Fig. 1, 2 besteht eine Druckmeßzelle aus zwei Siliziumplättchen. Das eine Plättchen ist ein Schaltungsplättchen 1, z.B. aus n-dotiertem Silizium, mit einer integrierten Schaltung umfassend p-typ-Widerstände 2, die mittels Metalldünnfilmschichten 3 kontaktiert werden. Diese Dünnfilmschichten 3 liegen auf einer isolierenden Glasschicht und sind an Orten 5 der Kontaktierung geöffnet.According to Fig. 1, 2, a pressure measuring cell consists of two silicon wafers. One plate is a circuit plate 1, e.g. made of n-doped silicon, with an integrated circuit comprising p-type resistors 2, which by means of metal thin film layers 3 to be contacted. These thin film layers 3 lie on an insulating glass layer and are open at locations 5 of the contact.
Meistens werden mehrere solcher Schaltungsplättchen 1 gleichzeitig im Waferverband hergestellt und die Schaltung plättchen 1 nach dem Herstellungsprozeß für die integrierten Schaltungen durch Diamantscheiben voneinander getrennt. Die so vorbearbeiteten Schaltungsplättchen 1 werden auf der Rückseite sacklochförmig ausgearbeitet. Bür diesen Prozeß sind verschiedene Methoden erfolgreich anzuwenden, wie sätzen, Austragen mittels Ultraschall-Bohrrüsseln unter Zugabe eines Abreibmittels oder Ausdrehen mittels einer Diamantschneide. Durch diesen Prozeß wird der mittlere Teil des Schaltungsplättchens 1 zu einer Plättchenmembran 6 ausgebildet. Das Schaltung plättchen 1 wird nun mit einer zweiten Siliziumplatte, der Rückplatte 7, dicht zusammengefügt. Für diesen Prozeß werden hauptsächlich ein Gold-Silizium-Eutektikum-Lötprozeß oder eine Verbindung mit niederschmelzenden Glasloten angewendet. Die Rückplatte 7 ist äe nach Anwendung ganz oder in der Mitte mit einem Loch 8 versehen. Das entstandene Gebilde mit ganzer Rückplatte 7 ist eine Absolutdruckmeßzelle, dasjenige mit einem Loch 8 in der Rückplatte 7 eine Referenzdruckmeßzelle. Bei der Absolutdruckmeßzelle ist der Außenraum vom Innenraum der Zelle dicht abgetrennt. Eine Veränderung des Außendruckes bewirkt eine mechanische Spannung in der Plättchenmembran 6, auf der die Widerstände 2 so angeordnet sind, daß diese mechanischen Spannungen möglichst große und einfach zuzuordnende Widerstandsänderungen bewirken. Die Referenzdruckmeßzelle wird zur DiEerenzzessung beidseitig sich verändernder Drücke eingesetzt. Der Einsatz derselben verlangt drucktrennende Vorrichtungen0 Es ist auch bekannt, daß die Schaltungsplättchen 1 im Waferverband durch Ätzmethoden auf der Rückseite ausgearbeitet werden. worauf der so bearbeitete Wafer mit einer zweiten Siliziumplatte verbunden wird, und daß erst dann die fertigen Zellen aus dem Waferverband mittels Diamantsägen getrennt werden.Usually several such circuit chips 1 simultaneously produced in the wafer association and the circuit plate 1 after the manufacturing process for the integrated circuits separated from each other by diamond disks. the Circuit platelets 1 pre-machined in this way are shaped like a blind hole on the rear side worked out. Various methods can be used successfully for this process, as set, discharge using an ultrasonic drill bit with the addition of an abrasive or boring with a diamond cutter. Through this process becomes the middle one Part of the circuit board 1 is designed to form a board membrane 6. The circuit Plate 1 is now tightly joined to a second silicon plate, the back plate 7. A gold-silicon eutectic soldering process or a connection with low-melting glass solders is used. The back plate 7 is After use, provide a hole 8 in the whole or in the middle. The resulting Structure with a whole back plate 7 is an absolute pressure measuring cell, the one with one Hole 8 in the back plate 7 is a reference pressure measuring cell. With the absolute pressure measuring cell the outside space is tightly separated from the inside of the cell. A change in the External pressure causes a mechanical tension in the platelet membrane 6, on the the resistors 2 are arranged so that these mechanical stresses as possible cause large and easily assignable resistance changes. The reference pressure measuring cell is used to process pressures that change on both sides. The use the same requires pressure separating devices0 It is also known that the circuit chips 1 can be worked out in the wafer bond by etching methods on the back. on what the wafer thus processed is connected to a second silicon plate, and that only then are the finished cells separated from the wafer assembly using diamond saws will.
Eine fertiggestellte Druckmeßzelle umfaßt eine Preßglasdurchführung bestehend aus einem vollen Metall-Sockelscheibchen 10, in das für werden Sockelstift 13 oder je eine Gruppe von Sockelstiften 13 ein Loch 11 gestanzt ist, in dem eingeschmolzenes Glas 12 die Sockelstifte 13 zu den Sockelscheibchen 10 fixiert und isoliert Im Zentrum des kreisförmigen Sockelscheibchens 10 ist ein Loch 14 vorgesehen, in das ein Durchführungsrohr 15 isoliert eingeschmolzen ist. An äußeren Rand des Sockelscheibchens 10 ist zur Aufnahme eines O-Rings oder einer metallischen Ring- oder Flachdichtung eine Dichtungsnut 16 ringförmig eingelassen. Die Meßzelle 17 ist mittels einer Epoxy- oder Lötverbindung 18 an das Durchführungs rohr 15 geheftet. Eine dichte Epoxy-Verbindung wird so hergestellt, daß dickflüssiges Epoxyharz durch Anlegen eines Vakuums am anderen Ende des Durchführungsrohres 15 gegen einen Innenraum 23 der Meßzelle 17 gesogen wird.A completed pressure measuring cell comprises a pressed glass bushing Consists of a full metal base washer 10 into which the base pin will be 13 or a group of base pins 13, a hole 11 is punched in which the melted Glass 12 fixes the base pins 13 to the base washers 10 and isolates them in the center of the circular base washer 10, a hole 14 is provided into which a lead-through tube 15 is melted in isolation. At the outer edge of the base plate 10 is to Acceptance of an O-ring or a metallic ring or flat seal, a sealing groove 16 recessed in a ring. The measuring cell 17 is by means of an epoxy or solder connection 18 tacked to the feed-through tube 15. A tight epoxy connection is made in such a way that that viscous epoxy resin by applying a vacuum at the other end of the duct 15 is sucked against an interior 23 of the measuring cell 17.
Mit einer Golddraht-Ultraschallschweißanlage werden dünne Golddrähte 19 auf die Kontaktierungsorte 5 des Schaltungsplättchens 1 geschweißt, die mit einer Pinzettenschweißung an die Sockelstifte 13 geschweißt werden. Zur Isolierung der Meßzelle 17 von der Platte 10, zur Fassung der Meßzelle 17 und zum Schutz der Golddrähte 19 ist ein Isolierteilchen 20 eingebaut, welches die Meßzelle 17 auf den Seiten, wo keine Drähte 13 sind, einfaßt und einen Boden mit Loch zur Trennung von Meßzelle 17 und Sockelscheibchen 10 enthält. Dieseitliche Fassung des Isolierteilchens 20 ragt etwa 0,2 mm über die Oberfläche der Meßzelle 17 hinaus.With a gold wire ultrasonic welding system, thin gold wires are made 19 welded to the contacting locations 5 of the circuit board 1, which with a Tweezer welding to be welded to the base pins 13. To isolate the Measuring cell 17 from the plate 10, to the setting of the measuring cell 17 and to protect the gold wires 19 an insulating particle 20 is installed, which the measuring cell 17 on the sides, where there are no wires 13, and a bottom with a hole for the separation of the measuring cell 17 and base washer 10 contains. The lateral version of the insulating particle 20 protrudes about 0.2 mm beyond the surface of the measuring cell 17.
Eine Isolierkappe 21 umgibt den inneren Aufbau der Meßzelle 17 und wird sowohl seitlich als auch in der Tiefe von dem Isolierteilchen 20 gehalten. Damit sind die Golddrähte 19 geschützt. Die seitliche Fassung durch das Isolierteilchen 20 verhindert, daß sie auf die Frontplatte der Meßzelle 17 gedrückt werden Das Isolierteilchen 20 wird aus eloxiertem Keramikmaterial oder eloxiertem Aluminium gefertigt.An insulating cap 21 surrounds the internal structure of the measuring cell 17 and is held both laterally and in depth by the insulating particle 20. The gold wires 19 are thus protected. The lateral socket through the insulating particle 20 prevents them from being pressed onto the front plate of the measuring cell 17 The insulating particle 20 is made of anodized Ceramic material or anodized aluminum manufactured.
Für die Verwendung als Absolut-Druckfühler wird eine Referenz-Druckmeßzelle 17 gemäß der vorangehenden Beschreibung hergestellt, anschließend der Innenraum 23 der Meßzelle 17 durch das Durchführungsrohr 15 evakuiert und das Durchführungsrohr 15 dicht abgeschlossen. Ferner ist das Glasdurchführungsrohr 15 so kurz, daß das Loch 14 wegfallen kann. Die Meßzelle 17 wird mit einem Kleber auf das Isolierteilchen 20 und dieses auf das Sockelscheibchen 10 geklebt.A reference pressure measuring cell is required for use as an absolute pressure sensor 17 produced according to the preceding description, then the interior 23 of the measuring cell 17 evacuated through the duct 15 and the duct 15 tightly closed. Furthermore, the glass lead-through tube 15 is so short that the Hole 14 can be omitted. The measuring cell 17 is attached to the insulating particle with an adhesive 20 and this is glued to the base plate 10.
Gegenüber anderen Halterungen für Druckmeßzellen hat der beschriebene Aufbau vor allem den Vorteil eines einfachen und raumsparenden Einbaus für viele Arten von Druckmessungen. Dies geht besonders aus der Darkellung der Anwendung in piezoresistiven Druckfühlern hervor. Herstellungsmäßig bringt der Aufbau Preisvorteile, da das Sockelscheibchen 10 mit einem Stanzwerkzeug hergestellt werden kann und sich somit zur Massenproduktion eignet. Weitere technische Vorteile, die sich aus der Trennung von Druckmeßzelle und Aufnehmerkörper ergeben, werden nachfolgend in Anwendungsbeispielen dargelegt. Es versteht sich, daß die Erfindung auch andere Methoden zur Herstellung der MeB-zellen umschließt, so etwa, wenn die Widerstände mit anderen Halbleiter-Herstellverfahren, wie z B. durch epitaxische Schichten oder mittels eines Aufdampf- oder Sputterverfahrens, hergestellt werden; oder geh z.B wenn die in Entwicklung begriffene Technik von Siliconon-Saphire (SOS) die Herstellung von Saphir-Meßzellen möglich macht.Compared to other mounts for pressure measuring cells, the one described has Construction especially the advantage of a simple and space-saving installation for many Types of pressure measurements. This is particularly evident from the dark version of the application in piezoresistive pressure sensors. In terms of manufacturing, the structure brings price advantages, since the base plate 10 can be made with a punching tool and thus suitable for mass production. Further technical advantages resulting from the Separation of the pressure measuring cell and transducer body are shown below in application examples set out. It should be understood that the invention also includes other methods of manufacture of the measuring cells, for example if the resistors are made with other semiconductor manufacturing processes, such as by epitaxial layers or by means of a vapor deposition or sputtering process, getting produced; or leave, for example, if the technology under development is lost Siliconon-Saphire (SOS) makes the production of sapphire measuring cells possible.
Bigo 3 zeigt die Anwendung einer Druckmeßzelle in einem Druckfühler. Der Druckfühler umfaßt eine Meßzelle 17, ein Gehäuse 31 und einen Gewindering 32. Das Gehäuse 31 ist hinten zu einem Sechskant 28 ausgebildet, hat ein Außengewinde 33 und einen Dichtring 34 zum Einschrauben und Abdichten eines (nicht gezeigten) Druckbehälters sowie ein Innengewinde zur Aufnahme des Gewinderinges 32. Auf das Gehäuse 31 ist stirnseitig eine Membran 35 dicht aufgeschweißt oder aufgelötet.Bigo 3 shows the application of a pressure measuring cell in a pressure sensor. The pressure sensor comprises a measuring cell 17, a housing 31 and a threaded ring 32. The housing 31 is formed at the rear to form a hexagon 28 has an external thread 33 and a sealing ring 34 for screwing in and sealing a (not shown) pressure vessel and an internal thread for receiving the threaded ring 32. A membrane 35 is welded or sealed onto the end face of the housing 31 soldered on.
Da die Membran 35 sehr dünn sein muß (etwa 0,05 mm), muß bei einer Membranschweißung mit einem schützenden Schweißring 37 gearbeitet werden. Bekannt ist eine Schweißung, bei der die Membran 35 zwischen einer Ringstirnfläche des Gehäuses 31 und dem Schweißring 37 eingeklemmt ist und die Schweißung seitlich ges Umfanff zt ist. Nun sind solcherart geschweißte Membranen mit Nachteilen behaftet. Für eine einwandfreie Funktion muß die Membran 35 frei von mechanischen Spannungen mit dem Körper verbunden sein, da sie sie sonst unter Temperatur einfluß leicht verändert. Solche Spannungs änderungen bewirken Druckveränderungen im Innenraum des Gehäuses 31, die von Druckfühler als Fehlermessung registriert werden. Nun ist es aber bei derart geschweißten Membranen unumgänglich, daß durch die während der Schweißung auftretenden hohen Temperaturdifferenzen im Schweißstück bei der Abkühlung mechanische Spannungen hervorgerufen werden. Ein weiterer ungünstiger Faktor liegt in dem Umstand, daß innenseitig zwischen der Membran 35 und dem Schweißring 37 ein dünner Spalt entsteht, in dem sich Schmutz ansammeln kann, der den Spannungszustand der Membran 35 wiederum beeinflussen kann.Since the membrane 35 must be very thin (about 0.05 mm), must be at a Membrane welding can be worked with a protective welding ring 37. Known is a weld in which the membrane 35 is between an annular end face of the housing 31 and the welding ring 37 is clamped and the weld laterally total circumference nt is. Such welded membranes have disadvantages. For one The membrane 35 must function properly, free of mechanical stresses with the Body, otherwise it changes it slightly under the influence of temperature. Such voltage changes cause pressure changes in the interior of the housing 31, which are registered by the pressure sensor as an error measurement. But now it is at such welded membranes inevitable that by the during the welding occurring high temperature differences in the welding piece during cooling mechanical Tensions are caused. Another unfavorable factor is the fact that the inside between the membrane 35 and the welding ring 37 is a thin gap arises in which dirt can accumulate, which reduces the stress state of the membrane 35 in turn can influence.
Bei einer Lötverbindung nach Fig. 4 erhält man demgegenüber den Vorteil, daß das ganze Gehäuse 31 während des Prozesses die gleiche Temperatur hat. Außerdem kann das Lot so gewählt werden, daß die Arbeitstemperatur des Lotes bei der Ausglühtemperatur der Stahlmembran liegt. Dies bringt bei sorgfältiger Abkühlung während des Lötprozesses spannungsfrei gelagerte Membranen 35. Das Gehäuse 31 weist einen Zentrierabsatz 42 auf, in dem die Membran 35 und ein Zentrierring 43 gehalten werden. Die Membran 35 wird von dem Zentrierring 43 mittels eines Stahlbandes 45, das mit einem zweiten Stahlband 46 unter mechanischer Vorspannung verschweißt ist, auf einen etwa 0,3 mm breiten und 0,2 mm hohen ringförmigen Membranabsatz 44 gedrückt.In contrast, a soldered connection according to FIG. 4 has the advantage that that the entire housing 31 has the same temperature during the process. aside from that the solder can be chosen so that the working temperature of the solder is at the annealing temperature the steel membrane lies. This teaches careful cooling Tension-free mounted membranes 35 during the soldering process. The housing 31 has a centering shoulder 42 in which the membrane 35 and a centering ring 43 are held will. The membrane 35 is held by the centering ring 43 by means of a steel band 45, which is welded to a second steel band 46 under mechanical pretension, pressed onto an approximately 0.3 mm wide and 0.2 mm high annular membrane shoulder 44.
Zwischen dem Zentrierabsatz 42 und dem Membranabsatz 43 ist ein 0,2 mm breiter und ebenso tiefer Graben, in den ein Lotring 47 eingelegt ist. Während des Lötvorganges schießt das Lot zwischen der Membran 35 und dem Membranabsatz 4Z, der Membran 35 und dem Zentrierring 43, sowie dem Zentrierring 43 und dem Zentrierabsatz 42. Dies garantiert eine doppelte Dichtigkeit und eine definierte Membranhalterung zwischen der Membran 35 und dem Zentrierring 43. Als Lote sind 30/kl sp in Schutzgas sowie VH 950 in Vakuum erfolgreich angewendet worden. Als Material für das Gehäuse. 31 und die Membran 35 dient rostfreier Stahl (Deutsche Werkstoffnorm Nr. 1.4306). Nach der Lötung wird der Zentrierring 43 auf die Höhe des Zentrierabsatzes 42 zurückbearbeitet.Between the centering shoulder 42 and the membrane shoulder 43 there is a 0.2 mm wide and just as deep trench in which a solder ring 47 is inserted. While During the soldering process, the solder shoots between the membrane 35 and the membrane shoulder 4Z, the membrane 35 and the centering ring 43, as well as the centering ring 43 and the centering shoulder 42. This guarantees double tightness and a defined membrane holder between the membrane 35 and the centering ring 43. The solders are 30 / kl sp in protective gas as well as VH 950 have been successfully used in vacuum. As a material for the housing. 31 and the membrane 35 is made of stainless steel (German material standard no. 1.4306). After the soldering, the centering ring 43 is machined back to the level of the centering shoulder 42.
Der Zusammenbau des Druckfühlers nach Fig, 3 geht wie folgt vor sich. Die Meßzelle 17 wird mit einer Kupferdichtung 29 versehen und in das Gehäuse 31 geschoben, Der Anziehring 32 wird mittels eines Spezialschlüssels, der vier hervorstehende Stäbe hat, die in Löcher 27 des Anziehringes 32 greifen, bis eine volle Drehung vor Anschlag eingeschraubt.The assembly of the pressure sensor according to FIG. 3 proceeds as follows. The measuring cell 17 is provided with a copper seal 29 and is inserted into the housing 31 The tightening ring 32 is pushed using a special key, the four protruding Has rods that engage holes 27 of the tightening ring 32 until a full turn screwed in before the stop.
Nun wird das Gehäuse 31 in ein Gefäß gelegt, das evakuiert und anschließend mit entgastem Silikonöl gefüllt wird. Das Gefäß wird für einige Minuten in ein Ultraschallbad gelegt, was einerseits die Restentgasung, andererseits den Oleinlauf in einen Meßzellenraum 26 zwischen der Membran 35 und der Maßzelle 17 beschleunigt. Schließlich wird das Vakuum wieder geflutet, das Gefäß geöffnet und der Anziehring mit dem Spezialschlüssel so fest angezogen, daß zwischen dem Gehäuse 31 und der Meßzelle 17 eine einwandfreie Dichtung entsteht. Bei einer maximalen Rauheit der Dichtungsflächen von einem Mikrometer und mit weichgeglühten Kupferdichtungen 29 läßt sich dies schon mit kleinen Anziehkräften bewerkstellagen. Nun ist der Neßzellenraum 26 mit dem Öl 25 gefüllt, das den Meßdruck, der die Membran 35 beaufschlägt, von dieser auf die Meßzelle 17 überträgt.Now the housing 31 is placed in a vessel, which is evacuated and then is filled with degassed silicone oil. The vessel is placed in an ultrasonic bath for a few minutes placed, which on the one hand the residual degassing, on the other hand the oil inlet in a measuring cell room 26 between the membrane 35 and the measuring cell 17 accelerated. Eventually that will Vacuum flooded again, the vessel opened and the tightening ring with the special key so tight that between the Housing 31 and the measuring cell 17 a perfect seal is created. With a maximum roughness of the sealing surfaces one micrometer and with soft-annealed copper seals 29 can do this manage with small forces of attraction. Now the Neßzelleraum 26 is with the Oil 25 filled, which the measuring pressure, which acts on the membrane 35, from this the measuring cell 17 transmits.
Dieser so hergestellte Druckfühler läßt sich in ein Druckgefäß einbauen und zur Messung von Drücken einsetzen, wobei die Verbindung zu den Widerständen 2 über die hinten aus dem Körper ragenden Glasdurchführungsdrähte mittels einfacher Löt- oder Steckverbindungen herstellbar ist. Wird ein solcher Druckfühler jedoch mit einem Stecker versehen, so werden die Steckerkontakte zu den Sockelstiften 13 mit flexiblen, isolierten Drähten verbunden, die im offenen Zustand verlötet werden. Nachher werden Steckergehäuse und Gehäuse ineinandergeschoben und verschweißt.This pressure sensor produced in this way can be installed in a pressure vessel and used to measure pressures, with the connection to the resistors 2 via the glass lead-through wires protruding from the back of the body using a simple Soldered or plug connections can be produced. However, such a pressure sensor will provided with a plug, the plug contacts become the socket pins 13 connected with flexible, insulated wires, which are soldered in the open state. Then the connector housing and housing are pushed into one another and welded.
Bei dem Aufbau nach Fig. 5 ist ein Druckfühler durch einen Steckerkörper 92 gefaßt, und die Sockelstifte 13 sind direkt an Steckerkontakte 94 gelöstet. Der Einbau erfolgt so, daß zuerst die Sockelstifte 13 im richtigen Abstand an die Steckerkontakte 94 gelöstet werden. Ein Steckerinnenteil 95 ist dabei vom Steckerkörper 92 getrennt. Diese Vormontage wird in das Steckergehäuse 92 geschoben und danach bei einer Einfassung 96 sowie einer Steckerinnenteilfassung 97 verklebt. Der Steckerkörper 92 wird schließlich in das Gehäuse 91 geschraubt, mit Öl abgefüllt und angezogen.In the structure of Fig. 5, a pressure sensor is through a plug body 92 taken, and the socket pins 13 are released directly from plug contacts 94. Of the Installation is carried out so that first the socket pins 13 are at the correct distance from the plug contacts 94 can be solved. An inner connector part 95 is separated from the connector body 92. This pre-assembly is pushed into the connector housing 92 and then in an enclosure 96 and a connector inner part socket 97 glued. The connector body 92 will eventually screwed into the housing 91, filled with oil and tightened.
Ein solcherart hergestellter Druckfühler mit Stecker eignet sich vor allem für Absolutdruckfühler. Soll der gleiche Aufbau für Referenzdruckfühler eingesetzt werden, so muß der Ausgleichsdruck oder Referenzdruck in einen Aufnehmerinnenraum 98 geführt werden, was bei feuchter Referenzdruckatmosphäre zu Kurzschlüssen der elektrischen Verbindungen führen kann. Dieses Problem wrd durch den Aufbau nach Fig. 6 gelöst. Das Gehäuse ist hier in zwei Teile aufgeteilt,- nämlich ein Außengehäuse 50 und Membrangehäuse 51. Das Außengehäuse 50 hat vorne einen Gewindeanschluß 57 zur Aufnahme eines Drucknippels. Ein Absatz 58 am Gewindeende verhindert, daß der Nippel auf die Membran 35 drücken kann. Das Membrangehäuse 51, bestehend aus einer Fassung 51 und der Membran 35, wird mit der Meßzelle 17 in das Außengehäuse 50 gelegt und nach Ölabfüllung mit einem Anziehring 32 in dem Außengehäuse 50 fixiert. Durch diese Fixierung und einen Dichtring 59 wird sowohl eine Abdichtung zwischen Außengehäuse 50 und Membrangehäuse 51 als auch zwischen dem Membrangehäuse 51 und der Rückplatte 7 hergestellt. Seitlich wird in das Außengehäuse 50 ein Stecker 60 in ein dafür vorgesehenes Gewindeloch geschraubt. Ein Steckergehäuse 61 wird gegen das Außengehäuse 50 mit einer Stahldichtung 62 abgedichtet.A pressure sensor manufactured in this way with a plug is suitable especially for absolute pressure sensors. Should the same structure be used for reference pressure sensors the equalization pressure or reference pressure must be in the interior of the transducer 98 are performed, which is in a humid reference pressure atmosphere to Short circuits in the electrical connections. This problem would go through the structure according to FIG. 6 solved. The housing is divided into two parts here - namely an outer housing 50 and membrane housing 51. The outer housing 50 has a threaded connection at the front 57 to accommodate a pressure nipple. A shoulder 58 at the end of the thread prevents the nipple can press on the membrane 35. The membrane housing 51, consisting of a holder 51 and the membrane 35, with the measuring cell 17 in the outer housing 50 and fixed with a tightening ring 32 in the outer housing 50 after the oil has been filled. This fixation and a sealing ring 59 is both a seal between Outer housing 50 and membrane housing 51 as well as between the membrane housing 51 and the back plate 7 made. A plug 60 is laterally inserted into the outer housing 50 screwed into a threaded hole provided for this purpose. A connector housing 61 is against the outer housing 50 is sealed with a steel gasket 62.
Die Glasdurchführungsdrähte 13 werden in die Steckerkontakte 94 gesteckt und mit diesen verlötet. Die Drähte 13 sind dabei so zu führen, daß sie nicht mit einem Distanzring 55 oder einem Referenznippel 56 in Berührung kommen. Nun wird der Distanzring 55 eingeschoben; beim Stecker 60 ist dieser durchgehend ausgefräst. Ueber das Glasdurchführungsrohr 15 wird ein O-Ring 65 eingelegt. Nun wird der Referenznippel 56 eingeschraubt, der über einen Innensechskant 66 leicht angezogen werden kann. Der Referenznippel 56 drückt dabei über den Distanzring 55 auf den Anziehring 32 und sichert damit diese Verschraubung. Ein Druckauseichsrohr 67 des Referenznippels 56 hat unten eine konische AuSweitung 68 zur Aufnahme des O-Ringes 65. Die Länge des Druckausgleichsrohrs 67 muß dabei so ausgelegt werden, daß dieses nicht auf der Platte 53 des Einbauelementes aufstößt und daß trotzdem eine einwandfreie Dichtung des O-Ringes 65 gewährleistet ist. Eine Flachdichtung 69 aus einem elastischen Material liegt zwischen dem Referenznippel 56 und dem Außengehäuse 50. Sie dichtet den Aufnehmerinnenraum vom Referenzdruckraum ab.The glass lead-through wires 13 are plugged into the plug contacts 94 and soldered to these. The wires 13 are to be guided so that they are not with a spacer ring 55 or a reference nipple 56 come into contact. Well will the spacer ring 55 pushed in; the connector 60 is milled out throughout. An O-ring 65 is inserted over the glass lead-through tube 15. Now the reference nipple 56 screwed in, which can be easily tightened via a hexagon socket 66. The reference nipple 56 presses on the tightening ring 32 via the spacer ring 55 and thus secures this screw connection. A pressure calibration tube 67 of the reference nipple 56 has a conical widening 68 at the bottom for receiving the O-ring 65. The length of the pressure equalization pipe 67 must be designed so that this does not the plate 53 of the built-in element pushes open and that still a perfect seal of the O-ring 65 is guaranteed. A flat seal 69 from one elastic Material lies between the reference nipple 56 and the outer housing 50. It seals the interior of the transducer from the reference pressure chamber.
Im Betrieb des Druckfühlers von Fig. 6 wird der Referenzdruck durch das Druckausgleichsrohr 67 des Referenznippels 56 und durch das Glasdurchführungsrohr 15 auf die Rückseite der Siliziummembran 6 geleitet. Ein solcher Aufbau eignet sich somit für Druckmessungen, bei denen das Druckfluid die Membran 35 und das Referenzdruckfluid die Plättchenmembran 6 nicht angreifen. Es kann auch ein Einsatz für Differenzdruckmessungen erfolgen, indem in den Referenznippel 56 ein Gewinde zur Aufnahme eines vom Umgebungsdruck verschiedenen Referenz druckes eingebaut wird.In operation of the pressure sensor of Fig. 6, the reference pressure is through the pressure equalization tube 67 of the reference nipple 56 and through the glass duct 15 passed to the rear of the silicon membrane 6. Such a structure is suitable thus for pressure measurements in which the pressure fluid is the membrane 35 and the reference pressure fluid do not attack the platelet membrane 6. It can also be used for differential pressure measurements take place by a thread in the reference nipple 56 for receiving an ambient pressure different reference pressure is installed.
Der beschriebene Aufbau läßt sich jedoch mit einfachen Veränderungen auch für Differenzdruckmessungen von Fluiden einsetzen, die Silizium angreifen. Fig. 7 zeigt die Ausbildung der hinteren Partie des Aufbaues nach Fig. 6 für den Differenzdruckaufnehmer. Der Referenzdrucknippel 56 von Fig. 6 ist aufgeteilt in einen Differenzmembrankörper 75 und einen Gewindenippel 76. Der Differenzmembrankörper 75 bildet mit dem Innenteil der Meßzelle und dem Glasdurchführungsrohr 15 einen mit Öl 81 gefüllten Raum, der von dem O-Ring 65 dicht abgeschlossen ist. Zur Montage werden das Außengehäuse 50 mit dem eingebauten und am Stecker angeschlossenen Druckfühler sowie der Differenzmembrankörper 75 wieder in ein Gefäß gelegt, das evakuiert und dann mit Öl gefüllt wird. Das Gefäß wird wieder geöffnet und im Ol der Differenzmembrankörper 75 in das Außengehäuse 50 geschoben, wonach der Gewindenippel 76 fest im Körper 50 verschraubt wird. Dabei drückt der Differenzmembrankörper 75 über den Distanzring 55 auf den Anziehring 32 und sichert diese Verschraubung. Zwischen dem Gewindenippel 76 und dem Differenzmembrankörper 75 ist eine metallische Flachdichtung 77 eingelegt, die beim Anziehen die Abdichtung des Referenzdruckmediums herstellt. Zur Abdichtung des Gewindenippels 76 gegenüber dem Außenraum wird eine Flachdichtung 78 eingelegt, die während des Anziehens zwischen dem Außengehäuse und dem Gewindenippel 76 gepreßt wird. Der Gewindenippel 76 wird durch eine seitlich in dem Außengehäuse 50 eingeführte Innensechskant-Arretierschraube 80 fixiert.However, the structure described can be modified with simple changes can also be used for differential pressure measurements of fluids that attack silicon. Fig. 7 shows the formation of the rear part of the structure of FIG. 6 for the Differential pressure transducer. The reference pressure nipple 56 of FIG. 6 is divided into a differential diaphragm body 75 and a threaded nipple 76. The differential diaphragm body 75 forms with the inner part of the measuring cell and the glass lead-through tube 15 one with oil 81 filled space, which is tightly sealed by the O-ring 65. For assembly the outer housing 50 with the built-in pressure sensor connected to the plug and the differential diaphragm body 75 placed back in a vessel that evacuates and then filled with oil. The vessel is opened again and the differential membrane body in the oil 75 pushed into the outer housing 50, after which the threaded nipple 76 is firmly in the body 50 is screwed. The differential diaphragm body 75 presses over the spacer ring 55 on the tightening ring 32 and secures this screw connection. Between the threaded nipple 76 and the differential diaphragm body 75 a metallic flat seal 77 is inserted, the creates the seal of the reference printing medium when tightening. For sealing of the threaded nipple 76 opposite the outer space, a flat seal 78 is inserted, which is pressed between the outer housing and the threaded nipple 76 during the tightening will. The threaded nipple 76 is inserted laterally in the outer housing 50 Hexagon socket locking screw 80 fixed.
Dies soll verhindern, daß beim Ausschrauben eines Drucknippels aus dem Gewindenippel 76 dieser gelöst wird.This is to prevent a pressure nipple from being unscrewed the threaded nipple 76 of this is released.
Bei der Herstellung von Absolutdruckaufnehmern nach dem Aufbau von Fig. 6 wird das Außengehäuse 50 hinten mit einer geschlossenen Scheibe abgedichtet, die wieder über den Distanzring 55 auf den Anziehring 32 drückt und damit diese Verschraubung sichert.When manufacturing absolute pressure transducers according to the structure of 6, the outer housing 50 is sealed at the rear with a closed disk, which again presses on the tightening ring 32 via the spacer ring 55 and thus this Screw connection secures.
Es versteht sich, daß im Interesse einer billigeren Fertigung einige oder alle der vorangehend beschriebenen Bauelemente auch aus Plastikmaterial anstelle von Metall hergestellt werden können, insbesondere auch Flachdichtungen und Dichtungsringe.It is understood that in the interests of cheaper manufacture some or all of the components described above are also made of plastic material instead can be made of metal, in particular flat gaskets and sealing rings.
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