THAM ANH TUAN (DE)
DE2052515A1 | 1971-05-06 | |||
DE2825437A1 | 1978-12-21 | |||
JPS59174730A | 1984-10-03 | |||
EP1394521A1 | 2004-03-03 |
Patentansprüche 1. 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 (1 1 ), und - einem kapazitiven elektromechanischen Wandler zur messtechnischen Erfassung einer druckabhängigen Verformung der Messmembran (1 ), mit einer auf der Glasfüllung (1 1 ) angeordneten Messelektrode (15) und einer durch die metallische Messmembran (1 ) gebildete Gegenelektrode, der dadurch gekennzeichnet ist, dass - die Messelektrode (15) ein auf einer der Messmembran (1 ) zugewandten Stirnseite der Glasfüllung (1 1 ) angeordnetes Tiefziehteil ist. 2. Drucksensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Messelektrode (15) und die der Messmembran (1 ) zugewandte Stirnseite der Glasfüllung (1 1 ) zur Abstützung der Messmembran (1 ) im Falle einer darauf einwirkenden Überlast eine Formgebung aufweisen, die einer Biegekontur der Messmembran (1 ) im Falle der darauf einwirkenden Überlast entspricht. Drucksensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass - ein elektrisch leitfähiger Kontaktstift (17, 25) vorgesehen ist, - der Kontaktstift (17, 25) mit einer von der Messmembran (1 ) abgewandten Unterseite der Messelektrode (15) mittels einer elektrisch leitfähigen mechanischen Verbindung, insb. mittels Schweißpunkten, verbunden ist, - der Kontaktstift (17, 25) durch die Glasfüllung (1 1 ) hindurch verläuft, und - in einem von der Messmembran (1 ) abgewandten Boden (5) der Halbschale (3) eine Durchführung (19), insb. eine Glasdurchführung, vorgesehen ist, durch die hindurch der Kontaktstift (17, 25) verläuft und elektrisch isoliert gegenüber der Halbschale (3) kontaktierbar ist. 4. Drucksensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass - der Kontaktstift (25) ein Hohlstift ist, und - die Messelektrode (15) eine die Druckkammer (5) mit einem Innenraum des Hohlstifts verbindende Ausnehmung (27) aufweist. Drucksensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlstift eine Druckzufuhr bildet, über die die der Halbschale (3) zugewandten Seite der Messmembran (1 ) mit einem Druck beaufschlagbar ist. Drucksensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Rand der Messmembran (1 ) mit einer der Messmembran (1 ) zugewandten Stirnseite der Halbschale (3) mittels einer druckdichten Fügung (9), insb. einer Schweißung, verbunden ist. 7. Drucksensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er als Differenzdrucksensor ausgebildet ist, indem - eine mit einem äußeren Rand einer zweiten Seite der Messmembran (1 ) verbundene zweite Halbschale (3) vorgesehen ist, die identisch zu der mit der ersten Seite der Messmembran (1 ) verbundenen Halbschale (3) ist, - in der zweiten Halbschale (3) eine zweite Glasfüllung (1 1 ) angeordnet ist, die identisch zu der Glasfüllung (1 1 ) der mit der ersten Seite der Messmembran (1 ) verbundenen Halbschale (3) ist, und - auf der der Messmembran (1 ) zugewandten Stirnseite der zweiten Halbschale (3) eine zweite Messelektrode (15) angeordnet ist, die identisch zu der in der mit der ersten Seite der Messmembran (1 ) verbundenen Halbschale (3) angeordneten Messelektrode (15) ist. 8. Drucksensor gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Messmembran (1 ) abgewandten Unterseiten der beiden Messelektroden (15) jeweils mit einem elektrisch leitfähigen Kontaktstift (25) verbunden sind, - der durch die Glasfüllung (1 1 ) der jeweiligen Halbschale (3) hindurch verläuft, - der über eine in einem von der Messmembran (1 ) abgewandten Boden (5) der jeweiligen Halbschale (3) angeordnete Durchführung (19) elektrisch isoliert gegenüber der jeweiligen Halbschale (3) kontaktierbar ist, - der als Hohlstift ausgebildet ist, - dessen Innenraum über eine Ausnehmung (27) in der mit dem jeweiligen Kontaktstift (25) verbundenen Messelektrode (15) mit der an die jeweilige Messelektrode (15) angrenzenden Druckkammer (13) verbundenen ist, und - über den die dem jeweiligen Kontaktstift (25) zugewandte Seite der Messmembran (1 ) mit einem Druck (p-i , p2) beaufschlagbar ist. 9. Verfahren zur Herstellung eines Drucksensor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - die eine Bohrung (21 ) in deren Boden (5) aufweisende Halbschale (3) gefertigt wird, - die Messelektrode (15) durch Tiefziehen aus einem Metallblech als Tiefziehteil gefertigt wird, - der Kontaktstift (17, 25), insb. mittels einer oder mehrerer Punktschweißungen, mit der Messelektrode (15) verbunden wird, - eine vorgegebene Menge Glaslot (29) derart in die Halbschale (3) eingebracht wird, dass die Bohrung (21 ) im Boden (5) der Halbschale (3) und ein Teilbereich des Innenraums der Halbschale (3) mit Glaslot (29) befüllt sind, - das eingebrachte Glaslot (29) in der Halbschale (3) auf eine über einem Erweichungspunkt und unterhalb eines Schmelzpunkts des Glaslots (29) liegende Verarbeitungstemperatur erwärmt wird, bei der das Glaslot (29) eine weiche und unter Druck verformbare Masse bildet, - die Messelektrode (15) zusammen mit dem damit verbundenen Kontaktstift (17, 25) in das weiche Glaslot (29) eingesetzt wird, und - sich das Glaslot (29) aufgrund des dabei von der Messmembran (15) auf das Glaslot (29) ausgeübten Drucks an eine Formgebung der Messelektrode (15) anpasst. 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass - die Messelektrode (15) beim Einsetzen mittels eines Stempels (31 ), insb. eines Stempels (31 ) aus Graphit, auf das weiche Glaslot (29) gedrückt wird, und - der Stempel (31 ) auf dessen Stirnseite einen Bereich (33) aufweist, dessen Größe und Formgebung der Größe und der Formgebung der Messelektrode (15) entspricht. 1 1. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass überschüssiges Glaslot (29) beim Einsetzen der Messmembran (15) und des damit verbundenen Kontaktstifts (17, 25) durch die Bohrung (21 ) im Boden (5) der Halbschale (3) austritt. 12. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass - die Halbschale (3) eine Absatzfläche (31 ) aufweist, und - die Messelektrode (15) mittels des Stempels (31 ) so weit in das weiche Glaslot (29) gedrückt wird, dass ein äußerer Rand (37) des Stempels (31 ) auf der Absatzfläche (35) aufliegt. 13. Verfahren nach Anspruch 9, 10, 1 1 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass - der Kontaktstift (25) ein Hohlstift ist, und - ein Innenraum des Hohlstifts vor dem Einsetzten in das weiche Glaslot (29) mittels eines Stifts (39), insb. eines Stifts (39) aus Graphit, verschlossen wird, und der Stift (39) nach dem Erkalten des Glaslots (29) wieder entfernt wird. |
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. Drucksensoren werden in der industriellen Messtechnik zur Messung von Drücken eingesetzt.
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.
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. 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. 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.
In der US 3, 618,390 ist ein Differenzdrucksensor beschrieben, der zwei metallische Halbschalen umfasst. Zwischen den beiden Halbschalen ist eine metallische Messmembran vorgesehen, die mit den beiden Halbschalen verschweißt ist. Die Innenräume der Halbschalen sind unter Freilassung eines durch die Messmembran in zwei Druckkammern unterteilten Teilbereichs mit Glas gefüllt. Dabei sind die der Messmembran zugewandten Seiten der Glasfüllungen derart abgeschliffen, dass das Glas im Inneren der jeweiligen Halbschale ein konkaves Membranbett bildet, das dazu dient die Messmembran im Überlastfall abzustützen. 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. 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. Vor der ersten Inbetriebnahme werden die beiden Druckmittler über diese Röhrchen mit der Druck übertragenden Flüssigkeit befüllt, und die Röhrchen anschließend verschlossen.
Sowohl das Abschleifen der Glasfüllungen als auch die metallische Beschichtung der geschliffenen konkaven Membranbetten stellen Zeit und Kosten intensive
Arbeitsgänge dar.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung einen kostengünstig herstellbaren kapazitiven Drucksensor anzugeben.
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.
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.
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. 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. 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.
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.
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.
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. 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.
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. 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.
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.
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.
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.
Fig. 1 zeigt: einen erfindungsgemäßen Absolutdrucksensor;
Fig. 2 zeigt: einen erfindungsgemäßen Relativdrucksensor;
Fig. 3 zeigt: einen erfindungsgemäßen Differenzdrucksensor; und Fig. 4 zeigt: eine Explosionsdarstellung zur Veranschaulichung eines Verfahrens zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Drucksensors.
Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drucksensors. Dieser umfasst eine im Messbetrieb mit einem zu messenden Druck p zu beaufschlagende metallische Messmembran 1 , die sich in Abhängigkeit von dem darauf einwirkenden Druck p elastisch verformt.
Die Messmembran 1 ist auf einer topfförmigen metallischen Halbschale 3
angeordnet. Die Halbschale 3 umfasst einen Boden 5 und eine daran anschließende, vorzugsweise im Wesentlichen zylindrische, die Messmembran 1 tragende
Haibschalenwand 7. Messmembran 1 und Halbschale 3 sind mittels einer druckdichten Fügung 9 miteinander verbunden. Hierzu ist ein äußerer Rand einer der Halbschale 3 zugewandten ersten Seite der Messmembran 1 mit einer dieser Seite der Messmembran 1 zugewandten ringscheibenförmigen Stirnseite der
Haibschalenwand 7 druckdicht verbunden, insb. verschweißt.
Ein von der Messmembran 1 beabstandeter, an den Boden 5 angrenzender
Teilbereich des Innenraums der Halbschale 3 ist mit einer Glasfüllung 1 1 ausgefüllt.
Unter der Messmembran 1 ist in der Halbschale 3 eine Druckkammer 13
eingeschlossen, die durch die Messmembran 1 und eine der Messmembran 1 zugewandte Stirnseite der Glasfüllung 1 1 begrenzt ist.
Der Drucksensor umfasst einen kapazitiven elektromechanischen Wandler, der dazu dient, die druckabhängige Verformung der Messmembran 1 messtechnisch zu erfassen.
Der Wandler weist eine Messelektrode 15 und eine durch die metallische
Messmembran 1 gebildete Gegenelektrode auf. Messelektrode 15 und
Messmembran 1 bilden einen Kondensator, dessen Kapazität von der
druckabhängigen Durchbiegung der Messmembran 1 abhängig ist. Die
Druckmessung erfolgt zum Beispiel, indem die Kapazität dieses Kondensators mittels einer hier nicht dargestellten Kapazitätsmessschaltung bestimmt und anhand einer vorab im Rahmen eines Kalibrationsverfahrens ermittelten Kennlinie einem auf die Messmembran 1 einwirkenden zu messenden Druck p zugeordnet wird.
Erfindungsgemäß ist die Messelektrode 15 ein auf der der Messmembran 1 zugewandten Stirnseite der Glasfüllung 1 1 angeordnetes aus einem Metallblech durch Tiefziehen gefertigtes Tiefziehteil. Das Metallblech weist vorzugsweise eine Dicke kleiner gleich einem Zehntelmillimeter auf, und besteht z.B. aus einem Stahl. Tiefziehteile können in großen Stückzahlen extrem kostengünstig hergestellt werden.
Die Stirnseite der Glasfüllung 1 1 und die Messelektrode 15 sind formgleich und vorzugsweise als Membranbett ausgebildet, das die Messmembran 1 im Falle einer darauf einwirkenden Überlast abstützt. Hierzu weisen sie eine Formgebung auf, die der Biegekontur der Messmembran 1 im Falle einer darauf einwirkenden Überlast entspricht. Die Messmembran 1 kommt somit im Falle einer darauf einwirkenden Überlast auf der Messelektrode 15 und der Stirnseite der Glasfüllung 1 1 zur Auflage, und wird hierdurch abgestützt. Der Drucksensor ist somit überlastfest.
Zum elektrischen Anschluss der Messelektrode 15 an eine, hier nicht dargestellte, die Kapazitätsmessschaltung umfassende Messelektronik ist ein elektrisch leitfähiger Kontaktstift 17 vorgesehen. Dieser ist mit einer von der Messmembran 1
abgewandten Unterseite der Messelektrode 15 mittels einer elektrisch leitfähigen mechanischen Verbindung verbunden, und verläuft durch die Glasfüllung 1 1 hindurch. Die Verbindung besteht zum Beispiel aus einem oder mehreren die Messmembran 1 mit dem Kontaktstift 17 elektrisch und mechanisch verbindenden Schweißpunkten. Im Boden 5 der Halbschale 3 ist eine Durchführung 19 vorgesehen, durch die der Kontaktstift 17 hindurch führt, und über die der Kontaktstift 17 elektrisch isoliert gegenüber der Halbschale 3 kontaktierbar ist. Die Durchführung 19 ist vorzugsweise eine Glasdurchführung. Hierzu weist der Boden 5 eine durchgehende Bohrung 21 auf, durch die der Kontaktstift 17 hindurch führt. Ein zwischen einer Innenwand der Bohrung 21 und dem Kontaktstift 17 bestehender ringzylindrischer Hohlraum ist mit einer Füllung 23 aus Glas ausgefüllt.
Der erfindungsgemäße Drucksensor kann - wie in Fig. 1 dargestellt - als
Absolutdrucksensor ausgebildet sein, der den zu messenden Druck p absolut, gegenüber einem Vakuum misst. In dem Fall ist der Kontaktstift 17 ein massiver Stift, und die unter der Messmembran 1 eingeschlossene Druckkammer 13 ist evakuiert.
Alternativ kann der erfindungsgemäße Drucksensor als Relativdrucksensor ausgebildet sein, der den zu messenden Druck p bezogen auf einen Referenzdruck p r e f , z.B. den Atmosphärendruck, misst. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel hierzu ist in Fig. 2 dargestellt. Der in Fig. 2 dargestellte Relativdrucksensor unterscheidet sich von dem in Fig. 1 dargestellten Absolutdrucksensor dadurch, dass anstelle des massiven Kontaktstifts 17 ein als Hohlstift ausgebildeter Kontaktstift 25 vorgesehen ist, und die Messelektrode 15 eine den Innenraum der Druckkammer 13 mit dem Innenraum des Hohlstifts verbindende Ausnehmung 27 aufweist. Der als Hohlstift ausgebildete Kontaktstift 25 bildet eine Druckzufuhr, über die die der Halbschale 3 zugewandte erste Seite der Messmembran 1 mit einem Druck - hier dem
Referenzdruck p ref - beaufschlagbar ist. Der Referenzdruck p ref wird der
Druckmesskammer 13 über den zugleich den elektrischen Anschluss der
Messelektrode 1 bewirkenden Kontaktstift 25 zugeführt. Eine separate mit zusätzlichem Herstellungsaufwand und zusätzlichen Herstellungskosten verbundene Referenzdruckzufuhr ist nicht erforderlich.
Alternativ kann der erfindungsgemäße Drucksensor als Differenzdrucksensor ausgebildet sein, der eine Druckdifferenz Δρ zwischen einem ersten Druck p-ι und einem zweiten Druck p 2 misst.
Ein Ausführungsbeispiel hierzu ist in Fig. 3 dargestellt. Der Differenzdrucksensor unterscheidet sich von dem in Fig. 2 dargestellten
Relativdrucksensor dadurch, dass auf der zweiten Seite der Messmembran 1 eine zweite metallische Halbschale 3 vorgesehen ist, die identisch zu der mit der ersten Seite der Messmembran 1 verbundenen Halbschale 3 ist. Die der Messmembran 1 zugewandte Stirnseite der zweiten Halbschale 3 ist mit einem äußeren Rand der zweiten Seite der Messmembran 1 mittels einer druckdichten Fügung 9 verbunden, insb. verschweißt. In der zweiten Halbschale 3 ist eine Glasfüllung 1 1 und eine mit einem vorzugsweise als Hohlstift ausgebildeten Kontaktstift 25 verbundene zweite Messelektrode 15 vorgesehen. Der Kontaktstift 25 ist auch hier durch eine
Durchführung 19 im Boden 5 der zweiten Halbschale 3 elektrisch isoliert gegenüber der zweiten Halbschale 3 kontaktierbar. Glasfüllung 1 1 , Kontaktstift 25, Messelektrode 15 und Durchführung 19 der zweiten Halbschale 3 sind identisch zu den entsprechenden in der ersten Halbschale 3 vorgesehenen Elementen, so dass der Differenzdrucksensor bezogen auf die Messmembran 1 insgesamt symmetrisch aufgebaut ist.
Die Kontaktstifte 25 sind auch hier vorzugsweise als Hohlstifte ausgebildeten, die zugleich als Druckzufuhr dienen, über die im Messbetrieb die erste Seite der Messmembran 1 mit dem ersten Druck p-ι und die zweite Seite der Messmembran 1 mit dem zweiten Druck p 2 beaufschlagt wird. Dabei werden der erste und der zweite Druck p-i , p 2 jeweils über den Innenraum des jeweiligen Hohlstifts und die
Ausnehmung 27 in der jeweiligen Messelektrode 15 der jeweiligen Druckkammer 13 zugeführt.
Die erfindungsgemäßen Drucksensoren weisen den Vorteil auf, dass sie auf einfache Weise kostengünstig herstellbar sind. Dabei werden die Messelektroden 1 als
Tiefziehteil vorgefertigt, und jeweils mit dem gewünschten Kontaktstifttyp über eine elektrisch leitfähige mechanische Verbindung, insb. mittels einer oder mehrerer Punktschweißungen, zu einem Modul verbunden. Zur Herstellung von
Absolutdrucksensoren werden hierzu massive Kontaktstifte 17, zur Herstellung von Relativ- oder Differenzdrucksensoren vorzugsweise als Hohlstift ausgebildete Kontaktstifte 25 eingesetzt.
Die Halbschalen 3 werden vorzugsweise genau wie die Module in großen
Stückzahlen und damit kostengünstig vorgefertigt.
Nachfolgend wird in jede metallische Halbschale 3 eine vorgegebene Menge Glaslot 29 derart eingebracht, dass die Bohrung 21 im Boden 5 der jeweiligen Halbschale 3 und einen Teilbereich des Innenraums der jeweiligen Halbschale 3 vollständig mit Glaslot 29 befüllt ist. Dieser Zustand ist in der das Herstellungsverfahren
veranschaulichenden Explosionsdarstellung in Fig. 4 dargestellt. Die vorgegebene Menge ist mindestens gleich, vorzugsweise geringfügig größer als die insgesamt für die Glasfüllung 1 1 und die Füllung 23 der Glasdurchführung 19 benötigte Menge.
Anschließend wird das eingebrachte Glaslot 29 in der Halbschale 3 auf eine über dem Erweichungspunkt und unterhalb des Schmelzpunkts liegende
Verarbeitungstemperatur erwärmt, bei der das Glaslot 29 eine weiche, unter Druck verformbare Masse bildet. Anschließend wird die Messelektrode 15 zusammen mit dem damit verbundenen Kontaktstift 17 bzw. 25 in das weiche Glaslot 29 eingesetzt. Hierzu wird vorzugsweise ein Stempel 31 verwendet, durch den die Messelektrode 15 in der in Fig. 4 durch Pfeile dargestellten Richtung auf das weiche Glaslot 29 gedrückt wird. Dabei durchdringt der Kontaktstift 17 bzw. 25 das Glaslot 29 zumindest soweit, dass dessen freies Ende nach dem Eindrücken mittig durch die Bohrung 21 hindurch verläuft. Der Stempel 31 besteht vorzugsweise aus Graphit oder einem anderen Werkstoff, der mit Glas keine Verbindung eingeht. Der Stempel 31 weist auf dessen Stirnseite einen Bereich 33 auf, dessen Größe und Formgebung der Größe und der Formgebung der Messelektrode 15 entspricht. Hierdurch wird die Messelektrode 15 beim Einsetzen in das Glaslot 29 flächig abgestützt, und ist somit vor Verformungen geschützt. Aufgrund des beim Einsetzen von der Messelektrode 15 auf das Glaslot 29 ausgeübten Drucks passt sich das weiche Glaslot 29 an die Formgebung der Messelektrode 15 an, und erhält auf diese Weise die der
Biegekontur der Messmembran 1 im Falle einer darauf einwirkenden Überlast entsprechende Formgebung. Während des Eindrückens kann überschüssiges Glaslot 29 durch die Bohrung 21 im Boden 5 der Halbschale 3 austreten. Das nach dem Einsetzen von Messelektrode 15 und Kontaktstift 17 bzw. 25 wieder erkaltete Glaslot 29 bildet die Glasfüllung 1 1 und die Füllung 23 der
Glasdurchführung 19.
Vorzugsweise weisen die Halbschalen 3 eine im fertig gestellten Drucksensor von der Messmembran 1 beabstandte, die Glasfüllung 1 1 außenseitlich umschließende, und bündig mit der Glasfüllung 1 1 abschließende Absatzfläche 35 auf, und der Stempel 31 ist mit einem den messelektrodenförmigen Bereich 33 außenseitlich umgebenden äußeren Rand 37 ausgestattet. Die Messelektrode 15 wird mittels des Stempels 31 so weit in das weiche Glaslot 29 hinein gedrückt, dass der Rand 37 des Stempels 31 auf der Absatzfläche 35 aufliegt. Die Absatzfläche 35 bildet somit einen definierten Anschlag für den Stempel 31. Hierdurch wird erreicht, dass die
Messelektrode 15 im fertig gestellten Drucksensor einen definierten und
reproduzierbar herstellbaren Abstand zur Messmembran 1 aufweist. Bei der Herstellung von Drucksensoren mit als Hohlstift ausgebildeten Kontaktstiften 25, werden die Innenräume der Hohlstifte vor dem Einsetzten in das weiche Glaslot 29 verschlossen, um ein Eindringen von Glaslot 29 in den Innenraum zu verhindern. Hierzu wird vorzugsweise ein Stift 39 in den Innenraum des Kontaktstifts 25 eingesetzt, der nach dem Erkalten des Glaslots 29 wieder entfernt wird. Hierzu besteht der Stift 39 aus Graphit oder einem anderen mit dem Metall des Kontaktstifts 25 keine Verbindung eingehenden Material.
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet den Vorteil, dass sowohl die Glasfüllung 1 1 als auch die Einglasung des Kontaktstifts 17 bzw. 25 in einem einzigen Arbeitsgang erzeugt werden. In diesem Arbeitsgang wird zugleich auch die das Membranbett bildende, vorzugsweise der Biegekontur der Messmembran 1 entsprechende Formgebung der der Messmembran 1 zugewandten Stirnfläche der Glasfüllung 1 1 erzeugt.
1 Messmembran
3 Halbschale
5 Boden
7 Halbschalenwand
9 Fügung
1 1 Glasfüllung
13 Druckkammer
15 Messelektrode
17 Kontaktstift
19 Durchführung
21 Bohrung
23 Füllung aus Glas
25 Kontaktstift
27 Ausnehmung
29 Glaslot
31 Stempel
33 Bereich
35 Absatzfläche
37 Rand
39 Stift