Druckmeß Vorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Druckmeßvorrichtung mit einer Druckmeßzelle, insbesondere eine piezoresistive Druckmeßzelle nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Piezoresistive Druckmeßzellen bzw. -sensoren sind beispiels¬ weise aus der DE-OS 33 44 799.3 bekannt geworden . Sie be¬ stehen in der Regel aus einer dosenförmigen Druckmeßzelle mit auf einer Meßmembran vorgesehenen piezoresistiven Wider¬ ständen , wobei die Meßmembran über einen umlaufenden Sockelfuß mit einer darunter befindlichen Basisplatte fest verbunden ist. Die als Siliziumzelle ausgebildete Druckme߬ zelle ist insgesamt auf einem Träger aufgebaut. Diese Träger sind meist sog . Glasdurchführungen , durch die die einzel¬ nen zu Anschlußstellen auf der Meßmembran führenden getrenn- tenLeitungen isoliert hidurchgelegt und an den Anschlußstellen der Druckmeßzelle aufgelötet sind. Die Meßzelle kann so nur in trockener Luft oder in isolierender Flüssigkeit eingesetzt wer¬ den . Die Meßzellen werden deshalb in der Regel in ein Stahl¬ gehäuse eingebaut , in dem sie mit einer mediumtrennenden Membran von dem zu messenden elektrisch leitenden , feuchten oder aggressiven Druckmedium getrennt sind.

In dem so gebildeten , die Druckmeßzelle aufnehmenden Meßmem¬ bran-Innenraum ist zur weiteren Druckübertragung Öl ein¬ gefüllt. In einer derartigen gekapselten ölbefüllten Aus¬ führung werden aber die in der Regel als Gold- oder Alumi- niumdrähte ausgeführten Anschlußdrähte sehr stark durch die Erschütterung und Druckstöße beansprucht, so daß die Drähte oft zur Ermüdungsbrüche unterbrochen werden.

In der DE 35 00 613 AI ist daher eine Anschlußtechnik an der Druckmeßzelle in der sog. TAB-Technik (Tape Automated Bonding) vorgeschlagen worden, bei der um die Anschlu߬ stellen auf der Druckmeßzelle herum zwischen dem Kunststoff- Folienmaterialabsc nitt mit den Anschlußdrähten und der Me߬ membranoberseite jeweils um einen einzelnen oder aber um mehrere Anschlüsse gemeinsam eine dünne Dichtlippe ange¬ bracht ist. Dadurch könnte ohne Übertragungsmembran und ein entsprechendes Übertragungsmembrangehäuse grundsätz¬ lich die Druckmeßzelle direkt in feuchten und leitenden Me¬ dien eingesetzt werden. Dieses Verfahren hat sich aber grund- sätzlich aufgrund der technisch großen Probleme bei der

Aufbringung der dünnen Dichtelemente als nicht günstig er¬ wiesen .

Um die Verwendung eines Stahlgehäuses mit einer Übertra- gungsmembran zum Schutz der Druckmeßzelle vor dem zu mes¬ senden gegebenenfalls aggressiven Druckmedium aus Kosten¬ gründen zu vermeiden , ist deshalb auch schon versucht wor¬ den , die Meßzellenkontakte auf eine billigere Art zu schüt¬ zen , so daß sie auch in nichtisolierenden Medien eingesetzt werden können.

Dazu können die Meßzelle heute mit einem Gel , einer hoch¬ viskosen Flüssigkeit auf Silikonbasis beispielsweise in einem Beschichtungs- bzw . Bedampf ungsverfahren geschützt werden . Es handelt sich hierbei in der Regel um sog. bei Niedertem- peraturen verdampfbare , also in der Regel unter 700° ver¬ dampfbare Verdampfungsmaterialien » um die häufig aus Alu¬ minium bestehenden Anschlüsse nicht zu beeinträchtigen . Diese Lösung eignet sich für Anwendung in feuchten oder teilweise nassen Medien, aber nur bei relativ kleinen Drücken und vor allem bei nicht abrupten Druckänderungen. Bei abrupten Druckänderungen nämlich kann das Gel aus der Position ge¬ schleudert werden . Auch kann unter Druck und Temperatur das Gel die Feuchtigkeit nur bedingt und auf jeden Fall nicht auf Dauer zurückhalten .

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es von daher , eine Druckmeßvorrichtung zu schaffen , die insgesamt gegenüber dem Stand der Technik einfacher aufgebaut ist und bei der die Druckmeßzelle ohne stahlgekapseltes Gehäuses , d.h . auch ohne zu dem stahlgekapselten Gehäuse gehörender Über¬ tragungsmembran vor allem auf dem Gebiet der Hydraulik aber auch in anderen feuchten, leitenden oder gar aggres¬ siven Medien eingesetzt werden kann , wo insbesondere sehr schnelle und abrupte Druckänderungen vorkommen , wobei die Druckmeßzelle auch bei diesen Anforderungen bei konstruktiv einfachem Aufbau langfristig und vor allem bei hoher Druck¬ genauigkeit problemlos verwend- und einbaubar ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß entsprechend den im An- spruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Aus¬ gestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen an¬ gegeben .

Durch die vorliegende Erfindung wird eine Druckmeßvorrich¬ tung mit einer Druckmeßzelle geschaffen, die nicht nur sehr einfach herzustellen ist, sondern die vor allem einen Einsatz in sehr vielen Anwendungen erlaubt, bei denen bisher nur in stahlgekapselte Schutzgehäuse eingebaute Drucksensoren eingesetzt werden konnten. Dabei erlaubt die erfindungsge¬ mäße Druckmeßzelle hohe Meßgenauigkeiten vor allem auch bei schnellen und abrupten Druckänderungen. Ferner sind die Anschlußdrähte an der Druckmeßzelle auch bei starken Erschütterungen und Druckstößen in dem zu messenden Druck¬ medium sehr gut geschützt, so daß auch ansonsten festzustel¬ lenden Ermüdungsbrüche vermieden werden. Diese Vorteile werden schließlich ohne Verwendung eines gekapselten Auf¬ baues mit einer Übertragungsmembran erzielt.

Die erfindungsgemäße Druckmeßvorrichtung weist eine Druck¬ meßzelle auf , deren obere in der Regel mit piezoresistiven Widerständen versehene Meßmembran über eine Schutzschicht in der Regel aus widerstandsfähigem und nicht angreifba- rem Glas besteht. Im Bereich der Anschlüsse jedoch , wo die Glas-Schutzschicht entfernt oder aber weggelassen ist, ist die Druckmeßzelle vollständig mit einer Vergußmasse ein¬ gegossen , um somit die Anschlüsse wie die hier weggehenden Anschlußleitungen gegenüber dem Druckmedium vollständig und sicher abzudichten.

Durch diese Vergußmasse kann auch eine Fixierung und Hal- terung für die Sensorzelle gewährleistet werden .

In einer bevorzugten Ausführungsform steht die aus einer obenliegenden Meßmembran und einer darunter befindlichen Basisplatte gebildete Druckmeßzelle nicht mit ihrer Ober¬ oder Unterseite, sondern mit einer Seitenwand auf einem Trä-

ger, wobei die Vergußmasse dann von der Trägerfläche über eine Teilhöhe der quer zum Träger liegenden Meßmembran vergossen ist.

Der Träger kann beispielsweise becher- oder boxenförmig gebildet sein , wobei die Vergußmasse vorzugsweise bis zum oberen Umlaufrand des becher- oder boxenförmigen Trägers vergossen wird. Dabei soll ^' die Vergußmasse vorzugsweise nicht nur die Anschlüsse , sondern zusätzlich auch in einem gewissen Bereich die Glasschutzschicht auf der Me߬ membran mit überdecken .

Die Vergußmasse kann je nach Einsatzzwecken elastisch , teil- oder leichtelastisch oder auch aus hartem unelastischem Material bestehen . Je härter allerdings die Vergußmasse ist, umso eher können durch die Trägeranordnung verursachte Spannungen auf die Druckmeßzelle eingeleitet werden , die vielleicht zu einer gewissen Verfälschung des Meßsignals führen könnten . Dem kann aber problemlos dadurch entgegen- gewirkt werden , daß die Druckmeßzelle in zumindest einer

Seitenrichtung verlängert ausgebildet ist , so daß die an der Trägerfläche anliegende Seitenfläche der Druckmeßzelle möglichst weit von den eigentlichen piezoresistiven Druckme߬ elementen entfernt liegt. Hierfür eignen sich insbesondere Harze wie Epoxy .

Aus der DE 36 16 308 AI ist zwar grundsätzlich auch ein Sensor bekannt geworden, der aber auf den spezifischen Ein¬ satzzweck zur Erfassung von physikalischen Vorgängen im Brennraum einer Brennkraftmaschine ausgerichtet und zuge¬ schnitten ist . Von daher besteht dieser vorbekannte Sensor aus zwei die Meßmembranen umfassende Saphirteilchen aus aipha-kristallinem Aluminiumoxid und nicht wie üblicher-

weise, wie im vorliegenden Falle auch , aus einem Silizium- plättchen mit der integriert ausgearbeiteten Meßmembran , wel¬ ches am günstigsten und einfach en mit einem Glassockel zur Druckmeßzelle verbindbar ist. Darüber hinaus sind bei dem aus der DE 36 16 308 AI vorbekannten und auf den speziel¬ len Einsatzzweck zur Überwachung des Brennraumes einer Brennkraftmaschine ausgerichteten Sensor auf dessen Me߬ membran in der sog. Silicon on saphire-Technologie (SOS- Technologie) die dehnungsempfindlichen Widerstände aufge- bracht. Schließlich ist die gesamte Meßmembran mit den da¬ rauf befindlichen Widerständen und den Anschlußleitern mittels einer durchgängigen Glasschicht isoliert und geschützt, die gleichzeitig an einem verlängerten Abschnitt den gesamten Sensor umgibt und gleichzeitig als Trag- und Gußmasse den Sensor in einem Gehäuseabschnitt 12 sichert und stützt.

Die Herstellung eines derartig spezifischen Sensors ist aber äußerst schwierig und erfordert eine komplizierte Verbindungs¬ methode, die schwer handhabbar ist. Die Herstellung ist also technologisch sehr anspruchsvoll und verlangt ein großes

Maß an Know-how.

Demgegenüber ist bei der vorliegenden Erfindung die Herstel¬ lung des Sensors für den Einsatz bei feuchten Medium, ins- besondere in der Hydraulik, Tauchtechnik etc. vergleichs¬ weise einfach bei insgesamt hohem Handhabungs- und Me߬ komfort. Die vom Sensor ausgehenden Anschlußdrähte können mittels konventioneller Gold- oder Aluminiumdrähte oder mit¬ tels der sog. TAB (Tape Automated Bonding) -Technologie durchgeführt werden, bei der die Leitungsabschnitte auf einem elastisch biegbarem Filmmaterialabschnitt aufgebracht bzw. integriert sind. Insbesondere bei dieser Technik kann in der vorzugsweise aus Epoxy bestehenden Vergußmasse zur Isolierung und Halterung des Sensors auch noch ein elektronischer Print zur Datenauswertung integriert sein. Bei

Verwendung als Referenzdruckmesser kann schließlich auch noch ein elastisches Druckrohr bis in das Innere der Druck¬ meßzelle hinein verlegt sein , welches ebenfalls durch die Vergußmasse fixiert und gehalten wird.

Weitere Vorteile, Einzelheiten und Merkmale der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen nä¬ her erläutert. Dabei zeigen im einzelnen:

Figur 1 : eine schematische Längsschnittdarstellung durch ein erstes Ausführungsbeispiel der Druckme߬ vorrichtung ;

Figur 2 : eine schematische vereinfachte Darstellung in Längsschnittdarstellung ;

Figur 3 : ein weiteres Ausführungsbeispiel in Längs¬ schnittdarstellung ;

Figur 4 : ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Re¬ ferenzdruckmessung .

In der beigefügten Figur 1 ^• ist ausschnittsweise ein Ge- . häuse 1 einer Druckmeßvorrichtung gezeigt , in dem in der Zeichnung rechts liegend beispielsweise auch die elektroni¬ sche Auswert- und/oder eine Anzeigeeinrichtung vorgesehen sein kann .

An der in Figur 1 dargestellten Gehäusewand ist eine Durchtrittsöffnung 3 und ein Schulteransatz 5 ausgebildet , von dem ein Rohransatz 7 ausgeht, an dem beispielsweise ein Druckschlauch anschließbar ist , über den das zu mes¬ sende Druckmedium an den Drucksensor 9 herangeführt wird.

Der Drucksensor 9 besteht aus einer piezoresistiven Druck¬ meßzelle mit z. B. einer oberen Meßmembran 11 aus Silizium ,

die über einen umlaufenden Sockel mit einer Basisplatte 13 beispielsweise aus Glas fest verbunden ist.

Die auf der oberen Meßmembran 11 vorgesehenen piezoresisti- 5 ven Sensorelemente sind über eine Schutzschicht, im gezeigten

Ausführungsbeispiel mit einer Glasschutzschicht 15 geschützt, die auch einen langfristigen Schutz vor allem auch bei Auftreten von Feuchtigkeit gewährleistet.

jlO Die Druckmeßzelle 9 ist an ihrer einen Seite, also nicht in

Richtung ihrer Meßmembran oder in Richtung ihrer Boden¬ platte, sondern quer dazu mit einem Verlängerungsansatz 17 versehen , über welchen die Meßmebran 11 auf einem Träger 19 aufliegt. Grundsätzlich kommen für den Träger 19 alle Materia-

15 lien in Betracht, auch Metall, Metallegierungen, Kunststoff etc.

Bevorzugt werden allerdings isolierende Materialien wie bei¬ spielsweise geeignete Kunststoffe oder aber vor allem Keramik¬ bzw . Keramikpreßteile, da diese mit optimalen Eigenschaften äußerst billig und preiswert herstellbar sind.

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Der Träger 19 weist eine Öffnung bzw. Schlitz 21 an seinem Boden auf , um hier die zur Elektronik führenden Anschlu߬ leitungen 23 hindurchzuführen . Die Anschlußleitungen 23 können im einzelnen durch die Öffnung 21 hindurchgeführt

25 werden oder aber beispielsweise auf einem Kunststoff olienmaterial- abschnitt ausgebildet sein. Auch insoweit wird auf den Of¬ fenbarungsgehalt der vorbekannten DE-OS 35 00 613 verwie¬ sen .

30 Der Träger 19 ist topf- bzw . boxenförmig ausgebildet. Der mit seiner Seitenfläche 25 auf dem Boden des becher- bzw. boxenförmigen Trägers 19 eingesetzte Sensor wird dann bis

zur Höhe des umlaufenden Randes 27 des Trägers 19 mit Ver¬ gußmaterial 29 vergossen . Die Anordnung ist dabei derart , daß die Vergußmasse 28 die auf der Oberseite der Druck¬ meßzelle 9 ausgebildeten Anschlußstellen , an der die Glas- Schutzschicht entfernt oder von Anfang an weggelassen wor¬ den ist und von der die Anschlußleitungen 23 ausgehen , durch die Vergußmasse 29 völlig überdeckt ist, um hier eine hermetische Abdichtung zu gewährleisten . Dabei überdeckt in einem bestimmten Überlappungsbereich die Vergußmasse 29 auch noch die Glasschutzschicht 15 , um einen optimalen

Schutz zu gewährleisten .

Die Höhe des umlaufenden Randes 27 vereinfacht dabei auch das Einbringen der Vergußmasse 29 , da hierdurch eine Höhen- anzeige gewährleistet ist, bei deren Auffüllen die Anschlu߬ stellen sicher mit Vergußmasse überdeckt werden .

Durch die Vergußmasse wird auch der Öffnungsschlitz 21 am Boden des Trägers 29 mit ausgegossen . Schließlich kann noch auf der Bodenunterseite des Trägers 19 in der Durchtritts¬ öffnung 3 der Gehäusewand 1 noch ergänzend und zusätz¬ lich weitere Vergußmasse 29 eingespritzt sein .

Als Vergußmasse eignen sich alle bekannten Materialien , z.B . Harze, Epoxyharze, Silikonkautschukmassen etc . Die

Vergußmassen können dabei hart oder aber auch elastisch oder teilelastisch sein . Je höher der Verlängerungsansatz 17 und damit der Abstand der eigentlichen mit den piezo¬ resistiven Drucksensor-Elementen versehenen Meßmembran zur Vergußmasse ist , desto geringer sind die möglichen Gefah¬ ren , daß über den Träger bzw . die Vergußmasse Spannun¬ gen und damit Fehlersignale auf den Drucksensor eingeleitet werden können . Eine Anpassung kann auch entsprechend den gewünschten Einsatzbedingungen vorgenommen werden .

Im übrigen ergibt sich durch den konstruktiven Aufbau prob¬ lemlos auch eine vollständige hermetische Abdichtung eines Gehäuseinnenraumes gegenüber dem Sensor. Dabei kann zu¬ sätzlich noch der Träger im Rohransatz 7 bzw. am Schul- teransatz 5 mit abgedichtet, eingepaßt und/oder verklebt sein, um hier die Abdichtung gegenüber dem Gehäuse noch zu verbessern.

Der nur in Seiten- und nicht auch in Draufsicht gezeigte Drucksensor 9 kann beliebige gewünschte Umrißformen auf¬ weisen. Im gezeigten Falle kommt beispielsweise eine in Draufsicht rechteckförmige Gestaltung in Betracht, so daß dadurch die quer zur Längsrichtung verlaufende Seitenfläche 25 gebildet ist, auf der der Sensor 9 auf dem Träger 19 aufliegt.

Gleichwohl ist aber auch beispielsweise eine in Draufsicht dosenförmige runde Gestaltung des Sensors 9 möglich, wobei sich dann empfiehlt, ein Kreissegment unter Bildung einer ebenen Anlagefläche 25 wegzulassen. Auch in diesem zuletzt genannten Falle einer dosenförmigen Gestaltung des Sensors 9 kann der eigentliche Meßbereich grundsätzlich durchaus zentrisch ausgebildet sein. Vorzuziehen ist aber eine azen- trische Anordnung, so daß bei geringerem Materialaufwand der Abstand zwischen der Seitenfläche 25 zu dem eigentlichen

Meßbereich möglichst groß ist.

In Figur 2 ist eine schematische Abwandlung insofern gezeigt, als hier der Sensor über einen harten Kleber, beispielsweise in Form von Epoxy, an seinem verlängerten Ansatz 17 vergos¬ sen und ohne direkte Berührung auf einem Träger ausgeführt ist. Aber auch hier sind, wie in Figur 1 gezeigt, die im Bereich der Meßmembran 11 vorgesehenen Widerstände 16 über

Metallverbindungen 18 mit den entsprechenden Anschlüssen im Kontaktbereich 20 des Verlängersansatzes 17 versehen , an dem dann die z. B. in Form herkömmlicher Gold- oder Alumi¬ niumdrähte als Anschlußleitung 23 angelötet sein können . Die Anschlußstellen für die Anschlußleitungen 23 am Kontaktbereich

20 sind ohne die Glas-Schutzschicht 15 ausgebildet.

Bei der Ausführungsform gemäß Figur 3 wird der Aufbau im genaueren Detail beispielsweise unter Verwendung eines elektro- nischen Printes 31 gezeigt. Mit einer ersten Glasschutzschicht 15 ' ist die Membran 11 mit Ausnahme einer Anschlußöffnung überdeckt , von der die Metallverbindungen 18 , die durch die äußere Glasschutzschicht 15" überdeckt sind, von den Wider¬ ständen 16 zum Kontaktbereich 20 ausgehen . Im Kontaktbereich 20 wird über eine erste Zinnlötung 22 zu den in Form von Metallisierungen auf einem Folie nmaterialabschnitt 23 ' aus gebildeten Anschlußleitungen 23 und davon über eine zweite Zinnlötung 35 eine Verbindung zu den auf dem Print 31 aus¬ gebildeten Metalleitern 33 hergestellt. Es handelt sich hierbei um die sog. TAB-(Tape automatic bonding )Technologie, bei der die Anschlußleitungen 23 über das eigentliche Plastikmaterial zur Vereinfachung der Lötung überstehen können.

In Figur 4 schließlich ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt , bei dem der Sensor auoh als Referenzdruckmesser eingesetzt werden kann . Der Innenraum 37 der Meßzelle ist mit einem Loch in der Basisplatte 13 versehen , durch welches ein fle¬ xibler Schlauch 39 , vorzugsweise ein Plastikschlauch , in das Innere der Meßzelle eingeführt und hermetisch abgedichtet ist. Der Schlauch kann aus einem hochelastischen Silikon¬ schlauch von 1 mm Durchmesser bestehen , der beispielsweise über einen Silikonkleber z . B. nach Art der Dow Corning

96083 heiß härtend verklebt werden kann . Der elatische Schlauch 39 ist zu einem durch die Basisplatte 41 eines offenen Gehäusetopfes geführt und wird durch das Verguß ^¬ material 29 gemeinsam mit dem Sensor umgössen.

Durch die eigentliche Basisplatte 41 ist ein festes Rohr 45 geführt und dicht verankert, so daß der flexible Schlauch 39 auf das über die Basisplatte 41 geringfügig überstehen¬ de feste Rohr aufgesteckt werden kann.

Bei Verwendung des Sensors als Absolutdruckmesser ohne den flexiblen Schlauch 39 kann der Aufbau bei ansonsten ver¬ schlossener Meßmembran ähnlich sein. In diesem wie im Falle des Referenzdruckmessers ist in dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4 der Sensor mittels der vorstehend genannten

TAB-Technik unter Verwendung von auf einem flexiblen Folien- materialabschnitt 23' vorgesehenen Anschlußleitungen 23 mit Glasdurchführungsdrähten 47 verbunden und an diese angelötet. Diese Glasdurchführungsdrähte führen durch entsprechende Bohrungen in der aus Stahl bestehenden Basisplatte 41 , auch Glas- durchführungs-Sockel 49 genannt, von dem sie durch das erwähnte Glas 51 isoliert sind. Der Sockel ist in das offene Gehäuse 43 an einem umlaufenden Schulterring angeschweißt. Der so gebil¬ dete Gehäusetopf wird, wie bereits erwähnt , mit der Vergu߬ masse, vorzugsweise einem harten Epoxy-Kleber vergossen.

Die besonders günstigen und geeigneten Epoxy-Harze sind bei¬ spielsweise in der COB (Chip On Board) -Technik bekannt und bewährt. Besonders günstig ist dabei eine Vergußmasse aus Epotec 353ND. Es garantiert durch seine angepaßte Tempera¬ turausdehnung eine minimale Ausfallrate von Drahtrissen auch bei feinsten Drähten .

Die gezeigten Ausführungsbeispiele wurden anhand einer Meßmembran bestehend aus Silizium und einer Basisplatte bestehend aus einem Glassockel erläutert. Es können aber auch Materialien wie Silizium-Silizium, Saphir-Glas oder Saphir -Silizium oder irgendwelche andere geeignete Materia¬ lien oder Aufbauten in Betracht kommen , bei denen die Lei¬ tungsdrähte zu den Sensorwiderstanden sowie die Sensorwider¬ stände selbst durch Isolieren der Schichten abgedeckt sind.