Membrananordnung zur Druck- oder Schallmessung mit einem Membranschutz

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Membrananordnung mit einer Membran zur Messung eines Druckes eines Mediums, eines akustischen Schalls oder dergleichen, wobei ein Membranträger mit einer Aufnahmevertiefung vorgesehen ist, in der die Membran aufgenommen ist, und wobei beabstandet zur Membran mess- seitig ein Deckelelement angeordnet ist.

Derartige Membrananordnungen mit einer Membran zur Messung eines Druckes eines Mediums oder eines akustischen Schalls sind hinreichend bekannt. Die Membran ist in einem Membranträger aufgenommen, wobei sich über dem Membranträger ein Deckelelement befindet, um die Membran vor äußeren Einflüssen zu schützen. Das Deckelelement befindet sich auf der Druckmessseite der Membrananordnung, so dass dieses mit mehreren Löchern durchsetzt ist, durch die das Medium, dessen Druck gemessen wird, hindurchtreten kann. Das Medium kann Luft sein, um einen Luftdruck zu messen, wobei analog zur Luftdruckmessung eine Schallmessung möglich ist. Ferner können mit derartigen Membrananordnun- gen Drücke von Flüssigkeiten gemessen werden, welche ebenfalls durch die Durchgangslöcher innerhalb des Deckelelementes treten können.

Auch wenn die Durchgangslöcher innerhalb des Deckelelementes sehr klein gewählt werden können, kann Staub, Schmutz und Wasser in den Raum zwischen dem Deckelelement und der Membran gelangen. Damit kann sich die Aufnahmevertiefung mit Wasser füllen, welches in Abhängigkeit der äußeren Bedingungen gefrieren kann. Sollte ein Wasservolumen innerhalb der Aufnahmevertiefung gefrieren, so dehnt es sich um ein Differenzvolumen aus, da Wasser in flüssiger Form eine größere Dichte aufweist als Wasser in gefrorener Form. Bei der Aus-

dehnung erfolgt eine mechanische Einwirkung auf die Membran des Sensors oder des Mikrofons, so dass sich diese durchbiegt. Membranen, die insbesondere bei hochempfindlichen Drucksensoren Anwendung finden, sind sehr sensitiv konstruiert, d.h., dass derartige Membranen mit einer möglichst großen Fläche eine sehr geringe Dicke aufweisen. Damit sind zwar Messungen von sehr kleinen Druckschwankungen möglich, jedoch sind derartige Membranen sehr empfindlich gegen mechanische Einwirkungen. Bildet sich durch die Eisbildung eine Volumenvergrößerung aus, so kann die maximale Durchbiegung der Membran überschritten werden, wodurch diese zerstört wird.

Aus der WO 01/88497 A1 ist eine Membrananordnung offenbart, welche eine Membran umfasst, die in einem Membranträger innerhalb eines Gehäuses aufgenommen ist. Auf der der Messseite gegenüberliegenden Seite der Membran ist ein elastisch nachgiebiges Ausgleichselement im Gehäuse aufgenommen, welches eine Zunahme des Volumens von eingetretenem Wasser bei seiner Erstarrung ausgleichen kann. Da jedoch das Gehäuse auch die Messseite der Membran in einem planparallelen Abschnitt überdeckt, besteht weiterhin die Gefahr, dass Wasser, welches sich zwischen dem Gehäuse auf der Messseite der Membran und der Membran selbst befindet, vereisen kann, und dabei die Membran zerstört. Damit bietet das elastisch nachgiebige Ausgleichselement auf der Rückseite der Membran keinen zuverlässigen Schutz vor einer Beschädigung der Membran bei zu Eis gefrierendem Wasser.

Aus der WO 03/050416 A1 ist ein Drucksensor für eine Membranpumpe offenbart, welcher im Gehäuse der Membranpumpe angeordnet wird, wobei die Membranpumpe als Ausdehnungsgefäß zum Schutz des Drucksensors dient. Die Membran wird deshalb zur Vermeidung eines überdrucks im Drucksensor direkt im Pumpenkopf, d.h. oberhalb der Pumpenmembran der Membranpumpe angeordnet, so dass die beim Einfrieren eines Fluids innerhalb der Membranpumpe auftretende

Volumenzunahme durch eine Auslenkung der Pumpenmembran entgegen der Kraft einer Feder ausgeglichen wird und die Drucksensormembran vor einer Beschädigung geschützt ist. Eine derartige Anordnung einer Membran zur Messung eines Druckes ist auf den Anwendungsbereich einer Membranpumpe spezifiziert, wobei erkennbar ist, dass eine mechanische Schutzeinrichtung die Drucksensormembran bei Einfrieren des Fluids schützt.

Bei den bekannten Schutzeinrichtungen zum Schutz der Membran von Drucksensoren entsteht das Problem, dass diese sehr aufwendig ausgestaltet werden muss oder dass der Schutz der Membran bei Anwendung eines elastisch nachgiebigen Ausgleichselementes nicht grundsätzlich gewährleistet werden kann. Wird die Membran eines Druck- oder Schallmessgerätes zerstört, verliert diese ihre Funktion, so dass es zu einem Defekt der Messeinrichtung kommt. Auch beim Einsatz von Druckmessmembranen im Bereich von Luftfahrzeugen, beispielsweise beim Einsatz in Tragflächen oder Rotorblättern sind die Sensoren extremen Witterungseinflüssen wie Frost, wechselnden Temperaturen und einem wechselnden Luftdruck ausgesetzt. Wird der Druck- oder Schallmesssensor für mikrotechnische Anwendungen in sehr kleinen Dimensionen ausgeführt, entfällt zu dem eine wirtschaftlich umsetzbare mechanische Schutzvorrichtung der Membran, welche bei- spielsweise auf dem Prinzip einer nachgiebigen Feder beruht.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Membrananordnung zur Druck- oder Schallmessung mit einem Membranschutz zu schaffen, welcher die Nachteile des vorgenannten Standes der Technik überwindet und eine einfache Ausführung zum Schutz der Membran vor gefrierenden Flüssigkeiten bietet.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Membrananordnung gemäß des Oberbegriffs des Anspruchs 1 in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen ge-

löst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass innerhalb der Aufnahmever- tiefung zwischen der Membran und dem Deckelelement ein Pfropfenkörper angeordnet ist, um das Volumen vor in die Aufnahmevertiefung eindringenden Flüssigkeiten zu verringern.

Die Erfindung geht dabei von dem Gedanken aus, das freie Volumen innerhalb der Aufnahmevertiefung durch den Pfropfenkörper zu verringern, damit die Menge an Flüssigkeit, die in die Aufnahmevertiefung eindringen kann, minimiert wird. Folglich kann ein Grenzvolumen an Wasser definiert werden, welches zwischen dem Deckelelement und der Membran eintreten kann, und bei Erstarrung zu Eis die Membran nicht mehr zerstört, da das änderungsvolumen zwischen dem Ag- gregatzustand Wasser und dem Aggregatzustand Eis vom absoluten Volumen des eingedrungenen Wassers abhängt. Das Volumen des Pfropfenkörpers wird daher derart bestimmt, dass der Raum zwischen der Membran und dem Deckelelement kleiner wird als das Grenzvolumen. Erfindungsgemäß kann mit einem derartigen Pfropfenkörper vermieden werden, dass trotz eingedrungenem und zu Eis erstarr- tem Wasser eine Zerstörung der Membran verursacht wird.

Es ist von Vorteil, dass der Pfropfenkörper am Deckelelement angeordnet ist. Die Verbindung zwischen dem Pfropfenkörper und dem Deckelelement kann durch ein Kleben oder Bonden erfolgen, wobei grundsätzlich jede Art einer Stoff- oder form- schlüssigen Verbindung möglich ist. Gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels besteht ferner die Möglichkeit, den Pfropfenkörper am Deckelelement anzuformen, so dass dieser einstückig und materialeinheitlich mit dem Deckelelement ausgeführt ist.

Um die Verdrängung des Wassers durch den Pfropfenkörper innerhalb der Aufnahmevertiefung zu verbessern, ist der Pfropfenkörper der Form der Aufnahmevertiefung angepasst. Zur Herstellung des Pfropfenkörpers kann beispielsweise vorgesehen sein, diesen durch einen Abformprozess in der Aufnahmevertiefung selbst herzustellen. Wird der Pfropfenkörper mit einem Abstand zur Membran o- berhalb dieser angeordnet, so ist der Pfropfenkörper optimal der Form der Aufnahmevertiefung angepasst, um zu verhindern, dass das Freivolumen bei Einsatz des Pfropfenkörpers in die Aufnahmevertiefung unnötig vergrößert wird.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Aufnahmevertiefung weist diese einen trapezförmigen oder einen trichterförmigen Querschnitt auf, der sich in Richtung zur Membran verjüngt. Durch die trapez- oder trichterförmige Ausbildung weist die Aufnahmevertiefung zwischen der Ebene der Membran und der Ebene, auf der das Deckelelement aufgebracht ist, eine Schrägung auf, welche auf den Prozesseigenschaften des jeweiligen Materials des Messelementes beruht.

Vorteilhafterweise ist der Pfropfenkörper aus einem nachgiebigen Material, umfassend ein Silikonmaterial oder einem elastischen Kunststoff oder Kunststoffschaum ausgebildet. Das elastische Material bietet die Eigenschaft, bei einem Ausdehnen des erstarrenden Wassers innerhalb des Freivolumens eine Nachgiebigkeit zu ermöglichen, so dass die durch die Volumenzunahme auf die Membran wirkenden Kräfte minimiert werden. Das Ausweichvolumen, welches durch die Volumenzunahme bei der Erstarrung des Wassers erforderlich ist, kann daher in Richtung des Pfropfenkörpers eingenommen werden, so dass die Membran selbst vor einer überhöhten Krafteinwirkung verschont bleibt.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist zwischen dem Pfropfenkörper und der Membran sowie zwischen dem Pfropfenkörper und dem Membranträger ein Spaltabstand ausgebildet. Der Spaltabstand zwischen dem Pfropfenkörper und der

Membran kann größer sein als der Spaltabstand zwischen dem Pfropfenkörper und dem Membranträger im Bereich der relativ zur Membran schräg ausgerichteten Wandungen. Diese geometrische Ausbildung der Spaltabstände mit der Differenz zwischen dem Spaltabstand zum Membranträger und zur Membran selbst entsteht durch die Ausbildung des Pfropfenkörpers, wenn dieser innerhalb der Aufnahmevertiefung zur Herstellung abgeformt ist. Der aus Silikon bestehende Pfropfenkörper kann auch bei komplizierten geometrischen Formen der Aufnahmevertiefung leicht konstruiert werden, indem die Aufnahmevertiefung selbst als Gussform verwendet wird. Nachdem der individuell innerhalb der Aufnahmevertie- fung abgeformte Pfropfenkörper abgelöst wird, wird er mit dem genannten Spaltabstand über der Membran am Deckelelement befestigt.

Sobald die Membranvertiefung geradlinig bis zur Membran verläuft, z. B. als Zylinder oder Kubus, kann auch der Verformungskörper dementsprechend angepasst werden. Es ist jedoch dann bei der Herstellung des Verformungskörpers nicht mehr der Einguss in die Membranvertiefung als Gussform verwendbar.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist im Deckelelement wenigstens ein Durchgangsloch eingebracht, durch das der Druck des Mediums oder des Schalls an die Membran gelangen kann. Einerseits können die Durchgangslöcher neben dem Bereich angeordnet sein, an dem der Pfropfenkörper am Deckelelement befestigt ist, wobei ferner die Durchgangslöcher auch im Befestigungsbereich des Pfropfenkörpers eingebracht sein können, so dass diese sich durch das Deckelelement und durch den Pfropfenkörper hindurch erstrecken. Die Durch- gangslöcher sind vorzugsweise mit einem kleinen Durchmesser auszuführen, welcher beispielsweise die Hälfte der Dicke des Deckelelementes aufweist. Je kleiner der Durchmesser der Durchgangslöcher gewählt wird, desto geringer ist die Menge an Verunreinigungen, die zwischen das Deckelelement und die Membran gera-

ten können. Die Anzahl der Durchgangslöcher wird dabei mit kleinerem Durchmesser der Durchgangslöcher erhöht.

Der Membranträger kann zur Aufnahme auf ein Trägerelement angebracht sein, wobei das Trägerelement ein Substrat bilden kann. Insbesondere bei mikrotechnischen Anwendungen besteht die Möglichkeit, die Membrananordnung auf der O- berfläche eines Wafers aufzubauen, sodass das Substrat als Siliziumsubstrat oder als Glassubstrat ausgeführt ist, wobei auch der Membranträger auf ähnliche Weise hergestellt werden kann. Das Substrat kann im Bereich der Membran eine Aus- nehmung aufweisen, um eine Beweglichkeit der Membran zu schaffen. Der durch die Ausnehmung gebildete Raum befindet sich auf der Rückseite der Membran, wobei dieser vorzugsweise durch einen ätzprozess oder mechanischen Prozess in das Substrat eingebracht werden kann.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Membrananordnung ist die Aufnahmevertiefung durch einen ätzprozess im Membranträger hergestellt, wobei die Membran mit dem Membranträger materialeinheitlich ausgebildet ist. Die Membran bildet dabei den Bodenbereich der Aufnahmevertiefung, so dass der Sensor nach dem Prinzip eines kapazitiven oder piezoresistiven Sensors arbeitet. Das Substrat kann dabei je nach verwendetem Messprinzip aus Silizium oder einem Material mit ähnlichen Eigenschaften, wie beispielsweise Borosilikatglas ausgebildet sein. Zur Herstellung der Verbindung zwischen dem Substrat und dem Membranträger kann ein Bondverfahren angewendet werden, wobei auch zwischen dem Deckelelement und dem Membranträger ein Bondverfahren zur Verbindung ver- wendet werden kann. Derartige Verfahren eignen sich insbesondere zur Herstellung von Drucksensoren für mikrotechnische Anwendungen, und können als On- The-Chip-Sensoren ausgebildet sein.

Derartige Membrananordnungen finden in einem Mikrofon oder einem Drucksensor Anwendung, wobei derartige Sensoren insbesondere in der Luftfahrttechnik auf Tragflächen eines Luftfahrzeugs oder im Rotorblatt eines Hubschraubers angeordnet werden können, da sie konzeptionell eine hohe Robustheit gegen die Umwelteinflüsse im jeweiligen Einsatzspektrum besitzen.

Weitere, die Erfindung verbessernden Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.

Es zeigt:

Figur 1 eine perspektivische Ansicht der Membrananordnung, wobei das Deckelelement sowie der Pfropfenkörper zur Ansicht der Aufnahmevertie- fung entfernt sind; und

Figur 2 eine schematische Querschnittsansicht der erfindungsgemäßen Membrananordnung, bei der ein Pfropfenkörper innerhalb der Aufnahmevertiefung eingebracht ist.

Die in Figur 1 gezeigte Membrananordnung 1 weist eine Membran 2 auf, welche in einem Membranträger 3 aufgenommen ist. Im Membranträger 3 ist eine Aufnahmevertiefung 4 eingebracht, wobei die Membran 2 den Bodenbereich der Aufnahmevertiefung 4 bildet. Gemäß dieses Ausführungsbeispiels ist die Membran 2 und der Membranträger 3 einteilig ausgeführt, wobei die Aufnahmevertiefung 4 lediglich in das Material des Membranträgers 3 eingebracht ist. Der Membranträger 3 ist durch ein Substrat 9 aufgenommen, das als Trägermaterial für die Membrananordnung 1 dient.

In Figur 2 ist eine schematische Querschnittsansicht der Membrananordnung 1 gezeigt. Die Membran 2 ist im Membranträger 3 aufgenommen, und bildet den Bodenbereich der Aufnahmevertiefung 4, welche als Vertiefung innerhalb des Membranträgers 3 eingebracht ist. Oberhalb des Membranträgers 3 ist ein De- ckelelement 5 angeordnet, wobei zwischen der Oberseite des Membranträgers 3 und dem Deckelelement 5 ein Spalt 11 ausgebildet ist. Der Bereich oberhalb des Deckelelementes 5 bildet die Außenseite der Membrananordnung 1 , auf der sich das Medium befindet, dessen Druck gemessen werden soll. Die Verbindung zwischen der Membran 2 und der Außenseite oberhalb des Deckelelementes 5 wird durch Durchgangslöcher 8 gebildet, welche benachbart zur Aufnahmevertiefung 4 angeordnet sind und durch die der Druck oder der Schall an die Membran 2 gelangen kann.

Die Verbindung verläuft von den Durchgangslöchern 8 über den Spalt 11 zur Membran 2, wobei oberhalb der Membran 2 erfindungsgemäß ein Pfropfenkörper 6 angeordnet ist. Zwischen dem Pfropfenkörper 6 und der Membran 2 ist ein Spaltabstand 7a ausgebildet, wobei zwischen dem Pfropfenkörper 6 und dem Membranträger 3 der Spaltabstand 7b ausgebildet ist. Der Verlauf des Mediums, dessen Druck zu messen ist, erstreckt sich somit vom Spalt 11 zur Membran 2 durch den Spaltabstand 7b.

Das Volumen, welches gebildet wird durch den Spaltabstand 7a und 7b, bildet das verbleibende Freivolumen, welches durch die Anordnung des Pfropfenkörpers 6 minimiert wird. Die Wahl des optimalen Spaltabstandes 7a und 7b ist dabei derart gewählt, dass eine Beeinträchtigung des Messvorgangs zur Messung des Druckes oberhalb des Deckelelementes 5 durch die Membran 2 nicht beeinträchtigt wird, wobei lediglich eine derart geringe Menge an Wasser in den Freiraum zwischen dem Pfropfenkörper 6 und der Membran 2 eindringen kann, das diese bei einer Vereisung die Membran 2 nicht beschädigen kann.

Damit eine Auslenkung der Membran 2 in Richtung zum Substrat 9 erfolgen kann, ist in dieses eine Ausnehmung 10 eingebracht, welche im Bereich unterhalb der Membran 2 ausgebildet ist. Der Pfropfenkörper 6 ist aus einem Silikonmaterial oder ähnlichem hergestellt, so dass dieser eine hohe Nachgiebigkeit aufweist. Aufgrund dieser Nachgiebigkeit kann bei Erstarrung des Wassers innerhalb des Freivolumens zwischen der Membran 2 und dem Pfropfenkörper 6 eine Ausdehnung des Volumens des Wassers bei Erstarrung in Richtung des Pfropfenkörpers 6 erfolgen. Folglich wird die maximal auf die Membran 2 wirkende Kraft durch die Erstarrung des Wassers begrenzt, so dass diese nicht beschädigt werden kann.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders ge- arteten Ausführungen Gebrauch macht. Folglich besteht die Möglichkeit, alternativ zur Anbringung des Pfropfenkörpers 6 das Deckelelement 5 beispielsweise durch einen Tiefziehvorgang in Richtung der Aufnahmevertiefung 4 auszuprägen, so dass das Deckelelement 5 das Volumen innerhalb der Aufnahmevertiefung 4 über der Membran 2 einnimmt. Folglich ist der Bereich des Deckelelementes 5 derart dicht beabstandet über der Membran 2 angeordnet, dass das Freivolumen über der Membran 2 ebenfalls minimiert wird. Wird das Deckelelement 5 aus einem ätzbaren Material hergestellt, so kann es derart angeätzt werden, dass es auf gleiche Weise wie auch der Pfropfenkörper 6 in das Volumen der Aufnahmevertiefung 4 hineinragt. Beim ätzen des Deckelelementes 5 kann bedingt durch den ätzpro- zess die gleiche ätzschräge hergestellt werden, wie diese auch beim ätzen des Membranträgers 3 entsteht. Folglich ist die Erfindung nicht auf einen einzelnen Pfropfenkörper 6 beschränkt, der am Deckelelement 5 befestigt wird und durch einen Abguss in der Aufnahmevertiefung 4 hergestellt ist.

Bezugszeichenliste

1 Membrananordnung

2 Membran

3 Membranträger

4 Aufnahmevertiefung

5 Deckelelement

6 Pfropfenkörper

7 Spaltabstand

8 Durchgangsloch

9 Substrat

10 Ausnehmung

11 Spalt