Piezoresistiver Drucksensor

Die Erfindung betrifft einen piezoresistiven Drucksensor für ein, insbesondere gasförmiges oder flüssiges, Medium. Sie betrifft weiter eine Tauchsonde zur Füllstandsmessung und/oder einen Druckmessumformer mit einem solchen piezoresistiven Drucksensor.

Piezoresistive (Keramik-)Drucksensoren, im Folgenden einfach Drucksensor genannt, werden in verschiedenen Anwendungen genutzt. Dabei ist eine Keramik, insbesondere eine praktisch reine Aluminiumoxid-Keramik, als Material zur Bildung eines Grundkörpers und einer Membran des Drucksensors besonders geeignet, insbesondere auf Grund seiner Korrosionsbeständigkeit gegenüber chemisch vergleichsweise aggressiven, insbesondere flüssigen oder gasförmigen, Medien. Des Weiteren ist die Herstellung eines solchen Drucksensors vergleichsweise kostensparend, wodurch dessen Nutzung in preissensitiven Anwendungen ermöglicht ist.

Der piezoresistive Drucksensor weist dabei auf der dem Medium zugewandten Seiten eine keramische Membran auf, welche sich auf Grund eines Drucks verformt, insbesondere verbiegt. Auf Grund dieser Verformung kann mittels geeigneter Strukturen des Drucksensors der an der Membran anliegende Druck ermittelt werden.

Jedoch kann eine solche Membran bei Überschreiten eines entsprechenden Biegemoments bei der Verformung brechen. So ist es denkbar, dass die Membran eines piezoresistiven Drucksensors aus Keramik, beispielsweise bei einer Anwendung in der Füllstandtechnik, einen vergleichsweise großen Durchmesser und ei- ne vergleichsweise geringen Dicke aufweist, so dass die Membran bereits bei vergleichsweise niedrigen Nenndrücken beschädigt werden bzw. brechen kann.

Des Weiteren weist eine solche, vergleichsweise dünne Membran eine entsprechend hohe mechanische Empfindlichkeit auf. Beispielsweise kann die Membran, insbesondere bei einer Tauchsonde mit einem solchen Drucksensor zur Füllstandmessung, durch einen Stoß oder durch ein Aufschlagen, etwa auf einen Untergrund oder auf eine Flüssigkeit, ein entsprechend hohes Biegemoment aufweisen, so dass die Membran beschädigt wird.

Zusätzlich zum Ausfall des Drucksensors ist es bei einer Beschädigung der Membran möglich, dass sich eine Leckage bildet und folglich das Medium über den beschädigten Drucksensor aus einem das Medium enthaltenden und den Drucksensor aufweisenden Behältnis ausläuft. Ist das Medium beispielsweise ätzend oder brennbar, so können dadurch vergleichsweise große Schäden an weiteren Komponenten oder eine Gefahr für einen Benutzer entstehen.

In Folge dessen wird der Keramik-Drucksensor aus Sicherheitsgründen nicht benutzt, obwohl dieser bezüglich dessen Resistenz gegen vergleichsweise aggressive Medien und bezüglich dessen Messgenauigkeit für viele Anwendungen sehr gut geeignet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen besonders geeigneten piezoresistiven Keramik-Drucksensor anzugeben. Vorzugsweise soll eine Biegung einer Membran des piezoresistiven Drucksensors beim Anlegen eines Drucks begrenzt sein, um eine Beschädigung der Membran zu verhindern, insbesondere bei Überschreiten einer Überlast aufgrund eines vergleichsweise hohen Drucks bzw. einer dadurch bedingten Biegebeanspruchung der Membran. Insbesondere soll ein piezoresistiver Keramik-Drucksensor mit möglichst hoher Überlastfestigkeit angegeben werden.

Des Weiteren soll eine Tauchsonde bzw. ein Druckmessumformer mit einem solchen Drucksensor angegeben werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1 . Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Bezüglich der Tauchsonde und des Druckmessumformers wird die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 9 bzw. 10.

Der, insbesondere für ein gasförmiges oder flüssiges Medium vorgesehenen und eingerichtete, piezoresistive Drucksensor weist einen, vorzugsweise zylinderförmigen, Grundkörper sowie auf dessen dem Medium zugewandten Seite eine aus einer Keramik gebildete und durch den Druck des Mediums verformbare Membran (Keramik-Membran) auf. Zwischen dem Grundkörper und der Membran ist ein Stützelement oder eine Stützstruktur angeordnet, welches eine Biegung der Membran zum Grundkörper hin begrenzt. Geeigneterweise weist der piezoresistive Drucksensor mindestens ein auf der dem Grundkörper zugewandten Seite der Membran angeordnetes, verformungsabhängiges Widerstandselement zur Bestimmung des Drucks des Mediums auf.

Das Stützelement ist zweckmäßigerweise zentral bezüglich der dem Grundkörper zugewandten Seite (Bodenseite, Grundkörperboden) der Membran angeordnet. Das Stützelement ist im Wesentlichen ringförmig ausgebildet. Auch kann das Stützelement, insbesondere bei vergleichsweise kleinen Abmessungen bzw. geringer Baugröße, durch stabförmige Stützstrukturen gebildet sein.

Das Stützelement ist vorzugsweise an der Membran angeordnet, kann jedoch auch am Grundkörper vorgesehen sein. Dabei ist das Stützelement zweckmäßigerweise mittels eines Siebdruckverfahrens auf den Grundkörper bzw. auf der Membran aufgebracht. Vorzugsweise ist bei letzterer Variante in den Boden des Grundköpers auf dessen der Membran zugewandten Seite in den Grundkörper (Grundkörperboden) eine sickenartige Vertiefung eingebracht, in welche Widerstandselemente des Drucksensors eindringen können, wenn die Widerstandselemente die Stützstruktur überragen. Das Stützelement bzw. die Stützstruktur stützt sich dann bei einer Biegeverformung der Membran am umfangsseitigen Rand der Vertiefung ab. Der piezoresistiver Drucksensor eignet sich besonders für eine Tauchsonde zur Füllstandsmessung, insbesondere von Flüssigkeiten. Zudem eignet sich piezoresistiver Drucksensor für einen Druckmessumformer zur Erfassung des Drucks von Gasen, Dämpfen oder Flüssigkeiten.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 in perspektivischer Darstellung einen piezoresistiven Drucksensor mit einem Grundkörper und mit einer am Grundkörper angeordneten elektrischen bzw. elektronischen Schaltung (Elektronik),

Fig. 2 in Seitenansicht den piezoresistiven Drucksensor mit einer Keramikmembran,

Fig. 3 in Draufsicht auf den Grundkörper des piezoresistiven Drucksensors mit Leiterbahnen und, insbesondere passiven, elektrischen (elektronischen) Bauteilen,

Fig. 4 die Membran mit einem Glaslot und mit einem Stützelement, und

Fig. 5 in schematischer Darstellung den piezoresistiven Drucksensor in einer Wandung eines Tauchrohrs oder eines Druckmessunformers.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt einen zylinderförmigen piezoresistiven Drucksensor 2, im Folgenden einfach als Drucksensor bezeichnet. Dieser weist einen, insbesondere aus einer Keramik wie beispielsweise einer vergleichsweise reinen Aluminiumoxid-Keramik, gebildeten Grundkörper 4 auf, wobei auf einer einem insbesondere gasförmigen oder flüssigen Medium M abgewandten Seite 6 des Grundkörpers 4 eine nachfolgend als Elektronik bezeichnete elektronische oder elektronische Schaltung 8, insbesondere eine Platine, aufgebracht ist (Fig. 5). Dabei weist der Drucksensor 2 auf der dem Medium M zugewandten Seite 10 eine (Keramik-)Membran 12 auf, welche am Grundkörper 4 insbesondere stoffschlüssig und mit diesem insbesondere im Wesentlichen fluchtend gehalten und insbesondere aus einer vergleichsweise reinen Aluminiumoxid-Keramik gebildet ist.

Der zylinderförmige Drucksensor 2 weist einen Durchmesser a zwischen 10 mm und 40 mm, beispielsweise zwischen 30 mm und 35 mm, insbesondere 32,4 mm, auf. Der Drucksensor 2 ist entsprechend des vorgesehenen Messbereichs des Drucks P ausgebildet. So beträgt die Dicke b von der dem Medium M zugewandten Seitel O zur der dem Medium M abgewandten Seite 6 des Drucksensors 2 zwischen 4 mm und 10 mm, beispielsweise zwischen 5 mm und 6 mm, insbesondere zwischen 5,25 mm und 5,51 mm.

Die Keramikmembran 12 des Drucksensors 2 weist entsprechend des vorgesehenen Messbereichs des Drucks P eine Dicke c zwischen 100 μιτι und 1000 μιη, beispielsweise zwischen 180μιτι und 500μιτι, insbesondere zwischen 210 μιτι und 470 μιτι, auf.

Der Drucksensor 2 ist derart für eine Verwendung bei einem Nenndruck von beispielsweise 50 mbar bis 10 bar, beispielsweise 250 mbar, 500 mbar, 1 bar oder 2 bar vorgesehen.

Insbesondere ist dabei die Dicke b des Drucksensors 2 und die Dicke c der Keramikmembran 12 größer für einen vorgesehenen Messbereich mit vergleichsweise großem Druck P als für einen vorgesehenen Messbereich mit vergleichsweise kleinem Druck P.

Fig. 3 zeigt den Drucksensor 2 ohne die Elektronik 8. Der schraffiert dargestellte Bereich des Grundkörpers 4 des Drucksensors 2 ist zur Befestigung des Drucksensors 2 in einer Wandung 14 vorgesehen und hierzu besonders geeignet. Des Weiteren weist der Grundkörper 4 elektrische Leiter 18, insbesondere aus Silber oder Gold, sowie elektrische Widerstandselemente 20 auf, welche insbesondere am Grundkörper 4 angeordnet sind. Die Widerstandselemente 20 dienen als Temperatursensoren und sind vorzugsweise als PTC-Widerstände (Kaltleiter mit positivem Temperaturkoeffizient) ausgeführt.

Fig. 4 zeigt die dem Grundkörper 4 zugewandte Seite der Membran 12 und ein an dieser Seite der Membran 12 vorgesehenes, insbesondere ringförmiges Glaslot 22, das im Wesentlichen mit der Keramikmembran 12 fluchtet. Die Membran 12 ist am Grundkörper 4, insbesondere mittels des Glaslotes 22 mit einem entsprechenden, an der der Membran 12 zugewandten Seite 10 des Grundkörpers 4 vorgesehenen, nicht dargestellten weiteren Glaslot stoffschlüssig gehalten. Mit anderen Worten ist Glaslot geeigneterweise auf beiden beteiligten Teilen, nämlich der Membran 12 und dem Grundkörper 4 vorgesehen, um die stoffschlüssige Verbindung zwischen diesen Teilen herzustellen bzw. vorzunehmen. Insbesondere ist auf Grund der Ringform des Glaslotes 22 und des am Grundköper 4 vorgesehenen Glaslotes die Membran 12 im vom Glaslot nicht abgedeckten Bereich beabstandet zum Grundkörper 4 und zu diesem hin verbiegbar gehalten.

An der Membran 12 sind elektrische Leiter 18 angeordnet, welche insbesondere aus Silber oder Gold gebildet sind. Diese verbinden verformungsabhängige elektrische Widerstandselemente 24 über insbesondere im Grundkörper 4 angeordnete Leiterelemente oder Leiterbahnen 26 und über die an der dem Medium abgewandten Seite 6 des Grundkörpers 4 angeordneten Leiter 18 mit der Elektronik 8. Insbesondere erfolgt die Verschaltung der verformungsabhängigen elektrischen Widerstandselemente 24 nach Art einer so genannten Wheatstone-Brücke (wheatstone'sche-Messbrücke). Verbiegt sich die Membran 12 auf Grund eines Drucks P des Mediums M, so verformen sich die Widerstandselemente 24. Eine Veränderung des Betrags des elektrischen Widerstands der Widerstandselemente 24 wird erfasst und in Folge dessen der Druck P bestimmt. Diese Messumformung und Druckermittlung oder -bestimmung erfolgt mittels der Elektronik 8. Auf Grund der vergleichsweise geringen Dicke c bei vergleichsweise großem Durchmesser a der Keramikmembran 12 kann diese bereits bei einer vergleichsweise geringen Biegebeanspruchung beschädigt werden. Um eine Beschädigung der Membran 12 zu vermeiden, ist zwischen dem Grundkörper 4 und der Membran 12 ein Stützelement 28 angeordnet, welches eine Biegung der Membran 1 2 zum Grundkörper 4 hin begrenzt. Dadurch ist eine Überlast und somit eine Beschädigung auf Grund eines vergleichsweise hohen Drucks P bzw. eines dadurch bedingten hohen Biegemoments der Membran 12 verhindert.

Dazu ist das Stützelement 28 vorgesehen, das bezüglich der dem Grundkörper 4 zugewandten Seite der Membran 12, vorzugsweise zentral bezüglich der dem Grundkörper 4 zugewandten Seite der Membran 12, angeordnet ist. Das Stützelement 28 ist im Wesentlichen ringförmig und somit linienförmig ausgebildet. Insbesondere bei vergleichsweise kleiner Baugröße kann das Stützelement 28 auch in Form von Stützstiften und somit punktförmig ausgebildet sein. Das Stützelement 28 kann somit auch eine Stützstruktur aus mehreren Elementen sein. Mittels des Stützelementes 28 bzw. der Stützstruktur ist ein auf die Membran 12 wirkendes vergleichsweise großes Biegemoment verhindert und ein entsprechend span- nungsbegrenztes oder spannungsarmes Abstützen der Membran 12 ermöglicht.

Vorzugsweise ist das Stützelement 28 an der Membran 12 angeordent, kann jedoch auch am Grundkörper 4 vorgesehen sein. Dazu ist das Stützelement 28 mittels eines Siebdruckverfahrens auf die Membran 12 bzw. auf den Grundkörper 4 aufgebracht. Mittels des Siebdruckverfahrens ist eine Genauigkeitsanforderung an die Höhe des Stützelements 28 senkrecht zum Grundkörper 4 erfüllt. Zudem ist eine vergleichsweise kostensparende Herstellung des Stützelements 28 realisiert.

Fig. 5 zeigt schematisch den in der Wandung 14 montierten Drucksensor 2. Die Wandung 14 ist eine Wandung oder ein Boden einer Tauchsonde (Füllstandssonde) zur vorzugsweise kontinuierlichen Füllstands- und Pegelmessung von Flüssigkeiten, insbesondere von Wasser und dünnflüssigen Medien. Alternativ kann die Wandung 14 auch die Wandung oder der Boden eines Druckmessumformers sein, welcher den Druck von Gasen, Dämpfen oder Flüssigkeiten erfasst. Das jeweilige Medium M übt einen Druck P auf die Keramikmembran 12 aus und verformt diese. Insbesondere biegt sich die Keramikmembran 12 zum Grundköper 4 hin, wobei das Stützelement (die Stützstruktur) 28 die Biegung begrenzt, indem sich das Stützelement (die Stützstruktur) 28 am Grundkörper 4, d. h an dessen der Membran 12 zugewandten Seite (Bodenseite) 10 abstütz. Dort ist geeigneterweise eine an die Kontur des Stützelement (der Stützstruktur) 28 angepasste, beispielsweise sickenartige Vertiefung 16 vorgesehen. In diese sickenartige Vertiefung 16 können die innerhalb des Stützelements (der Stützstruktur) 28 angeordneten Widerstandselemente 24 eintauchen, falls diese das Stützelement (die Stützstruktur) 28 überragen. Das Stützelement (die Stützstruktur) 28 stütz sich dann an der Umrandung der Vertiefung 16 ab, wie dies in Fig. 2 veranschaulicht ist.

Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den Ausführungsbei- spielen beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.

Bezugszeichenliste

2 Drucksensor

4 Grundkörper

6 Seite des Grundkörpers

8 elektrische/elektronische Schaltung/Elektronik

10 Seite/Boden des Grundkörpers

12 Membran

14 Wandung

16 Vertiefung

18 elektrische Leiter

20 elektrisches Widerstandselement

22 Glaslot

24 verformungsabhängiges Widerstandselement

26 Leiterelement/-bahnen

28 Stützelement/-struktur a Durchmesser des Drucksensors

b Dicke des Drucksensors

c Dicke der Keramikmembran

M Medium

P Druck