MOERSCH, Gilbert (Scharrstr. 28, Stuttgart, 70563, DE)
DUKART, Anton (Eichenweg 1, Gerlingen, 70839, DE)
MOERSCH, Gilbert (Scharrstr. 28, Stuttgart, 70563, DE)
| Ansprüche
1. Drucksensoranordnung mit einem Druckrohr (1), in dem eine Membran (2) als Druckaufnehmer angeordnet ist, und mit Mitteln (3) zum Erfassen der Membrandeformationen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Membran (2) mindestens zwei in einem Winkel zueinander orientierte Membranabschnitte (21, 22) umfasst, dass ein erster Membranabschnitt als Trennmembran (21) im Querschnitt des Druckrohrs (1) angeordnet ist, - dass mindestens ein zweiter Membranabschnitt als Seitenwandmembran (22) einen Bereich der Wandung des Druckrohrs (1) bildet und dass die Mittel (3) zum Erfassen der Membrandeformationen auf der Außenseite des Druckrohrs (1) auf der Seitenwandmembran (22) angeordnet sind.
2. Drucksensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Membranabschnitte (21, 22) im Wesentlichen senkrecht zueinander orientiert sind, insbesondere so, dass die Membran (2) im Schnitt T-förmig oder H- förmig ausgebildet ist.
3. Drucksensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckrohr (1), die Trennmembran (21) und die mindestens eine Seitenwandmembran (22) einstückig aus einem einheitlichen Material gefertigt sind.
4. Drucksensoranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckrohr (1), die Trennmembran (21) und die Seitenwandmembran (22) aus einem
Halbleitermaterial, Metall oder Kunststoff gefertigt sind.
5. Drucksensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (3) zum Erfassen der Membrandeformationen vier Dehnmess- elemente (Rl bis R4) umfassen, die zu einer Wheatstoneschen Brücke verschaltet sind. |
Beschreibung
Titel Drucksensoranordnung
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Drucksensoranordnung mit einem Druckrohr, in dem eine Membran als Druckaufnehmer angeordnet ist, und mit Mitteln zum Erfassen der Membrandeformationen.
Derartige Sensoranordnungen werden beispielsweise im Rahmen der überwachung von Diesel- Partikelfiltern eingesetzt, um den Abgasdruck vor und hinter dem Partikelfilter zu messen und so den Stand seiner Beladung zu ermitteln. Auf der Grundlage dieser Informationen kann dann u. a. das zyklische Freibrennen des Partikelfilters gesteuert werden. Für diese Anwendung sollte die Sensoranordnung einen Messbereich von etwa 1 bar haben.
Es ist bekannt, zur überwachung von Diesel- Partikelfiltern Sensorelemente zu verwenden, die als Differenzdrucksensoren ausgelegt sind. Die Druckerfassung erfolgt hier mit Hilfe einer Membran, die beidseitig mit Druck beaufschlagt wird. Diese Sensoranordnung ist zwar kostengünstig, erweist sich aber in der Praxis als problematisch, da nicht nur die Membranrückseite sondern auch die Membranvorderseite dem Messmedium ausgesetzt ist. In der Regel sind auf der Membranvorderseite Schaltungselemente zum Umwandeln der Membrandeformationen in elektrische Signale angeordnet, wie z.B. eine piezoresisti- ve Messbrücke. Durch den Kontakt mit aggressiven Messmedien wird die Funktionsfähigkeit einer solchen Schaltungsanordnung beeinträchtigt.
Offenbarung der Erfindung
Mit der vorliegenden Erfindung wird eine kostengünstige Drucksensoranordnung der eingangs genannten Art vorgeschlagen, die eine räumliche Trennung zwischen dem auf die Membran einwirkenden Messmedium und den Mitteln zum Erfassen der Membrandeformationen ermöglicht.
Dazu umfasst die Membran der erfindungsgemäßen Drucksensoranordnung mindestens zwei in einem Winkel zueinander orientierte Membranabschnitte. Ein erster Membranabschnitt ist als Trennmembran im Querschnitt des Druckrohrs angeordnet und wird mit dem zu erfassenden Druck bzw. dem Messmedium beaufschlagt, während mindestens ein zweiter Membranabschnitt als Seitenwandmembran einen Bereich der Wandung des Druckrohrs bildet. Die Mittel zum Erfassen der Membrandeformationen sind erfindungsgemäß auf der Außenseite des Druckrohrs auf der Seitenwandmembran angeordnet.
Erfindungsgemäß ist zunächst erkannt worden, dass innerhalb eines Druckrohres auch nicht flächige Membranen zur Druckerfassung eingesetzt werden können und dass sich dafür insbesondere Membranen mit mehreren zueinander abgewinkelten Membranabschnitten eignen. Bei derartigen Membranen übertragen sich nämlich Deformationen eines Membranabschnitts auch auf die angrenzenden Membranabschnitte. Dies wird bei der erfindungsgemäßen Drucksensoranordnung ausgenutzt, indem ein Membranabschnitt als Trennmembran im Querschnitt des Druckrohrs angeordnet wird und ein dazu abgewinkelter Membranabschnitt als Seitenwandmembran einen Bereich der Druckrohrwandung bildet. Die zu erfassenden Druckverhältnisse innerhalb des Druckrohrs führen in erster Linie zu einer Deformation der Trennmembran. Diese Deformation überträgt sich auf die Seitenwandmembran, so dass die dadurch bedingten Deformationen der Seiten- wandmembran ebenfalls die Druckverhältnisse innerhalb des Druckrohrs wiedergeben. Die Seitenwandmembran steht aber im Gegensatz zur Trennmembran nur einseitig in Kontakt zu dem Messmedium innerhalb des Druckrohrs. Erfindungsgemäß wird deshalb vorgeschlagen, die Mittel zum Erfassen der Membrandeformationen auf der Außenseite der Seitenwandmembran anzuordnen. Auf diese Weise kann die erfindungsgemäße Drucksensoranordnung sowohl als Absolutdrucksensor eingesetzt werden als auch als Differenzdrucksensor, je nach dem, ob auf der einen Seite der Trennmembran ein definierter Referenzdruck anliegt oder die Trennmembran beidseitig mit einem Messdruck beaufschlagt wird.
Um eine möglichst große Deformation der Seitenwandmembran bei Deformation der Trennmembran zu erzielen, sind diese beiden Membranabschnitte bevorzugt im Wesentlichen senkrecht zueinander orientiert. Dafür ist es außerdem vorteilhaft, wenn die Trennmembran möglichst mittig auf die Seitenwandmembran/en trifft, wenn die Membran also im Schnitt T-förmig oder H-förmig ausgebildet ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Drucksensoranordnung sind das Druckrohr, die Trennmembran und die mindestens eine Seitenwandmembran einstückig aus einem einheitlichen Material gefertigt. Dabei kann es sich je nach den Druck- und Temperaturverhältnissen am Einsatzort um ein Halbleitermaterial, wie Silizium, Metall oder Kunststoff handeln. Der Messbereich der erfindungsgemäßen Drucksensoranordnung hängt vom Material der Membran ab und kann durch die Wahl der Membranabmessungen, insbesondere der Dicke und des Durchmessers der Trennmembran und der Seitenwandmembran, eingestellt werden.
Wie bereits erläutert werden bei der erfindungsgemäßen Drucksensoranordnung die Deformationen der Seitenwandmembran erfasst. In einer bevorzugten Variante der Erfindung werden dazu vier resistive Dehnmesselemente verwendet, die auf der dem Messmedium abgewandten Seite der Seitenwandmembran angeordnet sind und zu einer Wheatstoneschen Brücke verschaltet sind. Dadurch kann der Gleichanteil der beiderseits auf die Trennmembran wirkenden Drücke, der ebenfalls zu einer Deformation der Seitenwandmembran führt, kompensiert werden. Auch Temperatureinflüsse können so kompensiert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Wie bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die dem unabhängigen Patentanspruch nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnungen verwiesen.
Fig. 1 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße
Drucksensoranordnung 10,
- A -
Fig. 2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt der Schnittdarstellung in Fig. 1,
Fig. 3 zeigt eine schematische Draufsicht auf die in Fig. 2 dargestellte Seiten- wandmembran mit einer Anordnung von vier Dehnmesselementen,
Fig. 4 zeigt ein Schaltbild mit den in den Figuren 2 und 3 dargestellten Dehnmesselementen und
Fig. 5 zeigt eine Möglichkeit der Serienfertigung von erfindungsgemäßen Drucksensoranordnungen.
Ausführungsformen der Erfindung
Die in Fig. 1 dargestellte Drucksensoranordnung 10 ist in Form eines Druckrohrs 1 realisiert, in dem eine Membran 2 als Druckaufnehmer angeordnet ist. Erfindungsgemäß um- fasst die Membran 2 zwei in einem Winkel zueinander orientierte Membranabschnitte 21 und 22. Der Membranabschnitt 21 ist als Trennmembran im Querschnitt des Druckrohrs 1 angeordnet, während der Membranabschnitt 22 als Seitenwandmembran einen Bereich der Wandung des Druckrohrs 1 bildet. Die Trennmembran 21 und die Seitenwandmembran 22 sind im hier dargestellten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen senkrecht zueinander orientiert, so dass die Membran 2 insgesamt im Schnitt T-förmig ausgebildet ist.
Die Drucksensoranordnung 10 dient als Differenzdrucksensor, Die beiden Enden des Druckrohrs 1 bilden hier jeweils einen Druckanschluss. Dementsprechend wird die Trennmembran 21 auf der einen Seite mit einem Messdruck pl und auf der anderen Seite mit einem Messdruck p2 beaufschlagt. Im hier dargestellten Fall ist pl größer als p2, so dass die Deformation der Trennmembran 21 also der Differenz pl-p2 entspricht. Diese Deformation der Trennmembran 21 überträgt sich auf die Seitenwandmembran 22 und resultiert in einer asymmetrische Verformung der Seitenwandmembran 22, die hier ebenfalls die Druckverhältnisse innerhalb des Druckrohrs 1 wiedergibt. Erfindungsgemäß wird diese Deformation der Seitenwandmembran 22 erfasst und in elektrische Signale umgewandelt. Dazu ist ein Chip 3 mit vier Dehnungsaufnehmern auf der Seitenwandmembran 22 angeordnet, und zwar auf der Außenseite des Druckrohrs 1, so dass dieser Chip 3
nicht mit den Messmedien in Kontakt tritt. Der druckbeaufschlagte Zustand der Membran 2 ist in Fig. 1 gestrichelt dargestellt.
Der Chip 3 ist kraft- und formschlüssig auf die Seitenwandmembran 22 gebondet, wie z.B. durch Kleben oder Löten, vorzugsweise durch Sealglaslöten. Eine derartige Bondschicht bildet eine gute elektrische Isolation zwischen dem Chip 3 und der Seitenwandmembran 22. Die Figuren 2 und 3 veranschaulichen die Anordnung der vier piezoresistiven Dehnungsaufnehmer Rl bis R4 auf dem Chip 3. Aufgrund ihrer Anordnung im Dehnungsbzw. Stauchbereich der Seitenwandmembran 22 verändern sich der Widerstand der Deh- nungsaufnehmer Rl und R3 gegenläufig, wenn ein Differenzdruck vorliegt, d.h. wenn pl und p2 ungleich sind und die Seitenwandmembran 22 asymmetrisch deformiert wird. Da die Dehnungsaufnehmer R2 und R4 direkt im Stoßbereich der Trennmembran 21 angeordnet sind, ist ihr Widerstand unabhängig vom Differenzdruck pl-p2 innerhalb des Druckrohrs 1. R2 und R4 sind lediglich temperaturabhängig und abhängig von Deformati- onen der Seitenwandmembran 22, die auf den Gleichanteil der beiden Drücke pl und p2 zurückzuführen sind. Diese Einflüsse auf das Messsignal UBr können durch Verschaltung von Rl bis R4 in einer Wheatstoneschen Brücke, wie in Fig. 4 dargestellt, kompensiert werden. Ist pl größer als p2, so ist das Brückensignal UBr positiv und proportional zu pl- p2. Ist pl kleiner als p2, so ist das Brückensignal UBr negativ und ebenfalls proportional zu pl-p2. Sind pl und p2 gleich, so wird die Seitenwandmembran 22 allenfalls symmetrisch deformiert. In diesem Fall entsteht kein Brückensignal UBr.
Die Dehnungsaufnehmern Rl bis R4 können in Form einer entsprechenden Dotierung in den Chip 3 integriert sein oder auch in Dünnschichttechnik auf dem Chip 3 realisiert sein. Die Auswerteschaltung kann ebenfalls auf dem Chip 3 angeordnet werden. Es kann aber auch ein eigener separater Chip für die Auswerteschaltung vorgesehen werden. Die Dehnungsaufnehmer können aber auch in Form von Siliziumwiderständen oder metallischen Widerständen, z.B. aus NiCr, auf einer Trägerfolie realisiert sein, die auf der Außenseite der Seitenwandmembran angeordnet wird, in jedem Fall müssen die Deh- nungsaufnehmer kraftschlüssig auf der Seitenwandmembran montiert werden. Dies kann je nach Art der Dehnungsaufnehmer durch eine Bondverbindung wie Kleben oder Löten erfolgen oder auch mit Hilfe eines speziellen Zweikomponentenklebers im Fall von auf Pl- Folie basierenden Dehnmessstreifen. Silizium-Dehnungsaufnehmer können auf einen
Pyrexsockel gebondet werden oder, im Fall einer Stahlmembran, mit Glaslot aufgelötet werden.
Um eine möglichst gute übertragung der Deformationen der Trennmembran 21 auf die Seitenwandmembran 22 zu gewährleisten, ist das Druckrohr 1 mit der Trennmembran 21 und der Seitenwandmembran 22 einstückig aus einem einheitlichen Material gefertigt, wie z.B. aus Silizium oder einem anderen Halbleitermaterial, Metall oder Kunststoff. So kann die gesamte Struktur auch mikromechanisch in einem Chip realisiert sein, in dem zwei nebeneinanderliegende Kavernen ausgebildet sind, die durch eine im Schnitt T-förmige Membran voneinander getrennt sind. Vorteilhafterweise sind hier auch die Dehnungsaufnehmer in Form von entsprechenden Dotierungen in den Chip integriert. Die Auswahl des Materials hängt im Wesentlichen vom Einsatzort der Drucksensoranordnung, von der Art der Messmedien und der Umgebungstemperatur ab sowie vom angestrebten Druck- Messbereich der Drucksensoranordnung. Der Durchmesser bl des Druckrohrs 1 bzw. der Trennmembran 21 liegt üblicherweise in der Größenordnung von 8-10mm, während der Durchmesser b2 der Seitenwandmembran 22 in der Größenordnung von 4-5mm liegt. Der Messbereich der Drucksensoranordnung 10 kann außerdem über die Dicken dl und d2 der Trennmembran 21 und der Seitenwandmembran 22 beeinflusst werden.
Fig. 5 veranschaulicht eine Möglichkeit der Serienfertigung von erfindungsgemäßen Drucksensoranordnungen ausgehend von einem Al-Stranggussteil 50 mit einem Zweikammerprofil. Die Mittelwand dieses Stranggussteils 50 bildet eine Trennmembran 51, während die Seitenwand über der Mittelwand eine Seitenwandmembran 52 bildet. Im Bereich der Seitenwandmembran 52 über der Trennmembran 51 wird mit Hilfe eines Klebe- stempeis 55 ein Tape 53 mit Dehnmessstreifenanordnungen 54 aufgebracht. Anschließend wird das Stranggussteil 50 an den perforiert gekennzeichneten Trennstellen 56 aufgetrennt. In der linken Bildhälfte ist ein so vereinzeltes Bauteil 60 dargestellt. Das rückwärtige offene Ende des Bauteils 60 wurde mit einem Deckel 61 druckdicht verschlossen. Die Druckzuführung erfolgt über einen zweiten Deckel 62, der auf das vordere offene En- de des Bauteils 60 aufgesetzt ist und mit zwei Druckanschlüssen 63 und 64 versehen ist. An diesen Deckel 62 können nachträglich noch Druckanschlussstutzen angespritzt werden.