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Title:
PRESSURE SENSOR HAVING A MEMBRANE HAVING SENSOR CHIPS HAVING MEASURING BRIDGES HAVING SENSOR ELEMENTS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2021/115516
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to pressure sensors having a membrane having sensor chips having measuring bridges having sensor elements, wherein the membrane is fastened in a housing, with a carrier or as part of a housing, to which membrane a working medium can be applied. The pressure sensors are characterised in particular in that the mechanical stresses resulting from a fastening and/or an installation of the pressure sensors do not influence the measurement result and/or the measurement signal. To this end, at least two sensor chips, which are spaced apart from one another and are offset at an angle to one another, are located at least on a side of the membrane that bends on application of pressure. The measuring bridges are designed and/or connected to a controller in such a manner that at least one force resulting from the fastening of the membrane and thus acting on the membrane is or will be compensated.

Inventors:
GISKE MARTIN (DE)
STURZEBECHER STEFFEN (DE)
ARNDT DIETMAR (DE)
Application Number:
PCT/DE2020/000344
Publication Date:
June 17, 2021
Filing Date:
December 13, 2020
Export Citation:
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Assignee:
PRIGNITZ MIKROSYSTEMTECHNIK GMBH (DE)
International Classes:
G01L9/00; G01L9/04; G01L19/06
Foreign References:
US20180010975A12018-01-11
DE102007033040A12008-01-31
DE10114862B32006-07-13
US20150377729A12015-12-31
DE102017214846A12019-02-28
DE202005021706U12009-07-02
EP3418707A12018-12-26
DE10114862B32006-07-13
US20150377729A12015-12-31
DE60028678T22007-05-24
Attorney, Agent or Firm:
KRAUSE, Wolfgang (DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Drucksensor mit einer Membran (1) mit Sensorchips (2, 3) mit Messbrücken mit Sensorelementen, wobei die Membran (1) mit einem Arbeitsmedium beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich wenigstens auf einer der sich bei Druckbeaufschlagung biegenden Seite der Membran (1) mindestens zwei beabstandet und winklig versetzt zueinander angeordnete Sensorchips (2, 3) befinden und dass die Messbrücken so ausgebildet und/oder mit einer Steuereinrichtung so verbunden sind, dass wenigstens eine aus einer Befestigung der Membran (1) resultierende und damit auf die Membran (1) wirkende Kraft und die mindestens eine daraus resultierende mechanische Spannung kompensiert ist oder wird.

2. Drucksensor nach Patentanspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Messbrücken der Sensorchips (2, 3) parallel zueinander geschalten sind, so dass wenigstens eine aus einer Befestigung der Membran (1) resultierende und damit auf die Membran (1) wirkende Kraft und die mindestens eine daraus resultierende mechanische Spannung kompensierbar ist.

3. Drucksensor nach Patentanspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Messbrücken der Sensorchips (2, 3) rechtwinklig zueinander versetzt angeordnet sind.

4. Drucksensor nach Patentanspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente der Messbrücken monolithische Siliziumbrückenanordnungen sind oder dass die Sensorelemente der Messbrücken aus einer Piezokeramik bestehen.

5. Drucksensor nach Patentanspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorchips (2, 3) auf der Membran (1) außer mittig angeordnet sind. 6. Drucksensor nach Patentanspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die

Sensorchips (2, 3) bei einer kreisförmigen Membran (1) auf einem Kreisring gleichen Durchmessers angeordnet sind. 7. Drucksensor nach Patentanspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die

Membran (1) so angeordnet ist, dass diese einseitig oder beidseitig mit einem Arbeitsmedium beaufschlagbar ist. 8. Drucksensor nach den Patentansprüchen 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich auf der dem Arbeitsmedium abgewandten Seite der einseitig mit dem Arbeitsmedium beaufschlagbaren Membran (1) die mindestens zwei beabstandet und winklig versetzt zueinander angeordneten Sensorchips (2, 3) mit den Messbrücken mit den Sensorelementen befinden.

9. Drucksensor nach den Patentansprüchen 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorchips (2, 3) auf der Membran (1) so angeordnet sind, dass die Sensorchips (2, 3) mit den gleichen vom Arbeitsmedium ausgehenden mechanischen Spannungen beaufschlagt werden.

10. Drucksensor nach Patentanspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (1) in einem Gehäuse (4) angeordnet ist, dass das Gehäuse (4) einen mit einem Bereich der Membran (1) überdeckten Hohlraum aufweist, welcher eine Öffnung und/oder einen Kanal zum Durchtritt eines Arbeitsmediums besitzt, wobei sich der Hohlraum auf der der Seite mit den Sensorchips (2, 3) gegenüberliegenden Seite der Membran (1) befindet.

11. Drucksensor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (1) eine Wand oder ein Teil einer Wand eines Gehäuses (4) ist, dass das Gehäuse (4) einen mit der Wand überdeckten Hohlraum aufweist und dass sich die Sensorchips (2, 3) auf der in den Hohlraum weisenden Oberfläche der Membran (1) befinden.

12. Drucksensor nach Patentanspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (1) kegelförmig oder kegelstumpfförmig ausgebildet ist oder dass sich die Membran (1) in einem kegelstumpfförmigen Ring befindet.

Description:
Drucksensor mit einer Membran mit Sensorchips mit Messbrücken mit Sensorelementen

Die Erfindung betrifft Drucksensoren mit einer Membran mit Sensorchips mit Messbrücken mit Sensorelementen, wobei die Membran in einem Gehäuse, mit einem Träger oder als Bestandteil eines Gehäuses befestigt ist und mit einem Arbeitsmedium beaufschlagbar ist.

Durch die Druckschrift DE 10 2017 214 846 A1 ist eine gehäustes MEMS Bauteil mit Störgrößenkompensation bekannt. Dazu ist das MEMS Bauteil in einem Gehäuse angeordnet und das MEMS Bauteil ist mit mindestens 50% einer MEMS Bauteiloberfläche mit dem Gehäuse in unmittelbarem mechanischem Kontakt. Zur Störgrößenkompensation sind zwei Messanordnungen vorgesehen, wobei eine ein Bestandteil des MEMS Bauteils und die andere ein Bestandteil des Gehäuses sind. Durch Kombination der daraus ermittelten Messgrößen wird eine störgrößenkompensierte Messgröße erhalten.

Die Druckschrift DE 20 2005 021 706 U1 beinhaltet ein Sensorelement mit zumindest einem Messelement und einem Kompensationselement, welche piezoelektrische und pyroelektrische Eigenschaften aufweisen und mit Messelektroden ausgestattet sind. Aus dem Kompensationselement ist ein Korrektursignal ableitbar, welches zur Kompensation eines Störsignals im Messsignal dient.

Die Druckschrift EP 3418 707 A1 offenbart einen montagefähigen Drucksensor mit einer zweiteiligen Ausführung der Wandung eines Druckkanals, der mit einer Messmembran verbunden ist. Durch die zweikomponentige Ausführung des Druckkanals kann das Material eines Druckeingangselements gezielt auf das Fluid und mit dem Fluid verknüpfte chemische, thermische und mechanische Belastungen eingestellt werden. Die in diesen Druckschriften aufgeführten Drucksensoren verwenden symmetrische Anordnungen von Messelementen, die robust gegenüber äußeren parasitären Fehlereinflüssen sind. Diese Lösungen sind allerdings in ihrer Sensitivität gegenüber dem eigentlich zu messenden Druck eingeschränkt, mithin ist die erzielbare Genauigkeit limitiert.

Weiterhin sind kompakte Siliziumchips mit integrierten Brückenstrukturen bekannt, die eine höhere Sensitivität aufweisen. So ist durch die Druckschrift DE 101 14862 B3 eine Drucksensoreinrichtung mit einer Membran und einem Sensorchip bekannt. Die Membran ist einseitig mit einem Arbeitsmedium beaufschlagt. Der Sensorchip ist auf der dem Arbeitsmedium abgewandten Seite der Membran angeordnet. Dieser weist eine Messbrücke mit vier Sensorelementen auf, die zwei parallel angeordnete Paare bilden, die rechtwinklig zueinander angeordnet sind. Der Sensorchip ist am Rand der Membran angeordnet, was zu einem unsymmetrischen Aufbau führt. Zur

Redundanz kann ein zweiter Sensorchip angeordnet sein, so dass ein sicherer Betrieb der Drucksensoreinrichtung gewährleistet ist. Das hat den Nachteil, dass infolge dieses Aufbaues mechanische Spannungen, die beispielsweise aus dem Einschrauben der Drucksensoreinrichtung oder einer anderweitigen mechanischen Belastung des Sensorgehäuses herrühren, Auswirkungen auf die Messergebnisse sowie die Ausgangssignale des Sensors vorhanden sein können.

Durch die Druckschrift US 2015/0377729 A1 ist eine Druckerfassungseinrichtung bekannt, welche in einem Messzielinstrument montiert ist. Eine bei der Montage hervorgerufene Verformung eines Dehnungserfassungselements wird über mehrere Widerstandsbrücken als ein Druckwert erfasst und zur Korrektur eines durch ein Medium hervorgerufenen und zu messenden Drucks verwendet wird.

Die Druckschrift DE 60028678 T2 beinhaltet ein System zum Bestimmen von Fehlern oder Abnormalitäten eines Messfühlers, eingebaut in ein Gerät zur Messung einer physikalischen oder dynamischen Größe. Das System ist geeignet, eine Sensorfehlfunktion zu erfassen, wenn sich der Widerstandswert in einer Brückenschaltung aufgrund von Problemen oder Beschädigungen verändert hat. Dazu erfolgt eine Fehlfunktionsbeurteilung der Brückenschaltung auf der Grundlage einer Spannungsdifferenz zwischen zwei Mittenpunkten der Brückenschaltung sowie einer Spannungsdifferenz zwischen einem

Spannungspegel von einem der zwei Mittenpunkten der Brückenschaltung und einem Referenzspannungspegel einer

Referenzspannungsquelle. Eine aus einer Befestigung einer Membran resultierende und auf den Messfühler wirkende Kraft wird nicht erfasst.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drucksensor so auszubilden, dass die aus einer Befestigung und/oder einem Einbau des Drucksensors resultierenden mechanischen Spannungen das Messergebnis und/oder das Messsignal nicht beeinflussen.

Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.

Die Drucksensoren mit einer Membran mit Sensorchips mit Messbrücken mit Sensorelementen, wobei die Membran in einem Gehäuse, mit einem Träger oder als Bestandteil eines Gehäuses befestigt ist und mit einem Arbeitsmedium beaufschlagbar ist, zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass die aus einer Befestigung und/oder einem Einbau der Drucksensoren resultierenden mechanischen Spannungen das Messergebnis und/oder das Messsignal nicht beeinflussen.

Dazu befinden sich wenigstens auf einer der sich bei Druckbeaufschlagung biegenden Seite der Membran mindestens zwei beabstandet und winklig versetzt zueinander angeordnete Sensorchips. Die Messbrücken sind so ausgebildet und/oder so mit einer Steuereinrichtung verbunden, dass wenigstens eine aus einer Befestigung der Membran resultierende und damit auf die Membran wirkende Kraft und die mindestens eine daraus resultierende mechanische Spannung kompensiert ist oder wird. Bei einer Platzierung und/oder Befestigung des Drucksensors entstehen mechanische Spannungen, die zu Messfehlern führen. Dabei hat sich gezeigt, dass eine auf das Gehäuse aufgebrachte Biegespannung je nach Kraftangriffspunkt unterschiedliche Effekte hervorruft. Mit der winkligen und beabstandeten Anordnung der Sensorchips wird bewirkt, dass die Veränderungen der Brückenspannung aus der Biegebelastung in den beiden Sensorchips nahezu gleich und von der Amplitude aber unterschiedlich im Vorzeichen sind. So weist die aus der Biegebelastung resultierende Spannung auf der Membran bei gleichem Radius und rechtwinklig zueinander angeordneten Messbrücken und damit der Sensorchips den gleichen Betrag aber umgekehrte Vorzeichen auf. Wohingegen die vom zu messenden Druck hervorgerufenen Spannungen an den Messbrücken der Sensorchips von gleichem Vorzeichen sind. Durch Parallelschaltung der auf gleichem Radius der Membran und rechtwinklig zueinander angeordneten Messbrücken liefern diese somit zwei Spannungen, welche durch die Parallelschaltung gemittelt werden. Die aus der Biegung resultierenden Spannungen der Messbrücken heben sich dabei durch die unterschiedlichen Vorzeichen auf, so dass diese sich kompensieren. Damit ist diese Anordnung geeignet, wenigstens eine durch auf die Membran wirkende Kraft und die daraus resultierende auftretende mechanische Spannung oder Spannungen zu kompensieren. Die aus dem Druck resultierenden Spannungen der Messbrücken haben in beiden Sensorchips gleiche Vorzeichen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 11 angegeben.

Die Messbrücken der Sensorchips sind optional parallel zueinander geschalten, so dass wenigstens eine aus einer Befestigung der Membran resultierende und damit auf die Membran wirkende Kraft und die mindestens eine daraus resultierende mechanische Spannung kompensierbar und damit kompensiert ist oder kompensiert wird. Die Messbrücken der Sensorchips sind optional rechtwinklig zueinander versetzt angeordnet.

Die Sensorelemente der Messbrücken können monolithische Siliziumbrückenanordnungen sein oder aus einer Piezokeramik bestehen.

Die Sensorchips sind optional auf der Membran außer mittig angeordnet.

Die Sensorchips können bei einer kreisförmigen Membran auf einem Kreisring gleichen Durchmessers angeordnet sein.

Die Membran ist optional so angeordnet, dass diese einseitig oder beidseitig mit einem Arbeitsmedium beaufschlagbar ist.

Auf der dem Arbeitsmedium abgewandten Seite der einseitig mit dem Arbeitsmedium beaufschlagbaren Membran können sich die mindestens zwei beabstandet und winklig versetzt zueinander angeordneten Sensorchips mit den Messbrücken mit den Sensorelementen befinden.

Die Sensorchips sind optional auf der Membran so angeordnet, dass die Sensorchips mit den gleichen vom Arbeitsmedium ausgehenden mechanischen Spannungen beaufschlagt werden.

Die Membran ist optional in einem Gehäuse angeordnet. Das Gehäuse weist einen mit einem Bereich der Membran überdeckten Hohlraum auf, welcher eine Öffnung und/odereinen Kanal zum Durchtritt eines Arbeitsmediums besitzt, wobei sich der Hohlraum auf der der Seite mit den Sensorchips gegenüberliegenden Seite der Membran befindet.

Die Membran kann eine Wand oder ein Teil einer Wand eines Gehäuses sein. Das Gehäuse weist dazu einen mit der Wand mit der Membran oder als Membran überdeckten Hohlraum auf. Die Sensorchips befinden sich auf der in den Hohlraum weisenden Oberfläche der Membran. Die Membran ist so frontseitig einsetzbar. Damit kann die Membran auch ein Teil beispielsweise einer Behälterwand sein.

Die Membran ist optional kegelförmig oder kegelstumpfförmig ausgebildet oder befindet sich in einem kegelstumpfförmigen Ring.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Membran eines Drucksensors,

Fig. 2 ein Drucksensor mit einem Gehäuse und einem Gewindestück als Befetigungselement,

Fig. 3 den Drucksensor mit einer Membran und

Fig. 4 ein Drucksensor mit einer frontseitigen Membran.

Ein Drucksensor besteht im Wesentlichen aus einer Membran 1 mit Sensorchips 2, 3 mit Messbrücken mit Sensorelementen.

Die Fig. 1 zeigt eine Membran 1 eines Drucksensors in einer prinzipiellen Darstellung.

Auf der Membran 1 sind zwei beabstandet und winklig versetzt zueinander angeordnete Sensorchips 2, 3 angeordnet. Die Messbrücken der Sensorchips 2, 3 sind so ausgebildet und/oder so mit einer Steuereinrichtung verbunden, dass wenigstens eine aus einer Befestigung der Membran 1 resultierende und damit auf die Membran 1 wirkende Kraft kompensierbar und damit kompensiert ist oder kompensiert wird. Dazu können die Messbrücken parallel zueinander geschalten sein, so dass mechanische Störgrößen kompensierbar sind. Die Messbrücken können weiterhin rechtwinklig zueinander versetzt angeordnet sein. Die Sensorelemente der Messbrücken sind monolithische Siliziumbrückenanordnungen. Die aus einer Befestigung der Membran 1 resultierenden und damit auf die Membran 1 wirkenden Kräfte sind insbesondere mechanische Störgrößen aus mechanischen Spannungen annähernd gleicher Amplitude und entgegengesetzter Wirkrichtung in den Sensorchips 2, 3. So weist die aus der Biegebelastung resultierende Spannung auf der Membran bei gleichem Radius und rechtwinklig zueinander angeordneten Messbrücken und damit der Sensorchips den gleichen Betrag aber umgekehrte Vorzeichen auf.

Wohingegen die vom zu messenden Druck hervorgerufenen Spannungen an den Messbrücken der Sensorchips von gleichem Vorzeichen sind. Durch Parallelschaltung der auf gleichem Radius der Membran und rechtwinklig zueinander angeordneten Messbrücken liefern diese somit zwei Spannungen, welche durch die Parallelschaltung gemittelt werden. Die aus der Biegung resultierenden Spannungen der Messbrücken heben sich dabei durch die unterschiedlichen Vorzeichen auf, so dass diese sich kompensieren.

Es zeigen die Fig. 2 ein Drucksensor mit einem Gehäuse 4 und einem Gewindestück 5 als Befetigungselement und die Fig. 3 den Drucksensor mit einer Membran 1 jeweils in einer prinzipiellen Darstellung.

Die Membran 1 ist in einem Gehäuse 4 mit einem Gewindestück 5 und einem Sechskant 6 befestigt. Das Gehäuse 4 weist einen mit einem Bereich der Membran 1 überdeckten Hohlraum auf, welcher eine Öffnung und/oder einen Kanal zum Durchtritt eines Arbeitsmediums besitzt. Der Hohlraum befindet sich auf der der Seite mit den Sensorchips 2, 3 gegenüberliegenden Seite der Membran 1 .

Beim Einschrauben des Gehäuses 4 mit der Drucksensoreinrichtung beispielsweise in einen Motorblock entstehen mechanische Spannungen und damit zu auf die Membran 1 wirkende Kräfte, die zu Messfehlern führen. Mit der winkligen und beabstandeten Anordnung der Sensorchips 2, 3 wird bewirkt, dass die Veränderungen der Brückenspannung aus der Biegebelastung in den beiden Sensorchips 2, 3 nahezu gleich und von der Amplitude aber unterschiedlich im Vorzeichen sind. Damit ist diese Anordnung geeignet, die aus einer Befestigung der Membran 1 resultierenden Biegespannungen und damit die auf die Membran 1 wirkenden Kräfte zu kompensieren. Die aus dem Druck resultierenden Spannungen haben in beiden Sensorchips 2, 3 gleiche Vorzeichen.

Die Fig. 4 zeigt einen Drucksensor mit einer frontseitigen Membran 1 in einer prinzipiellen Darstellung.

In einer Ausführungsform kann die Membran 1 eine Wand oder ein Teil einer Wand eines Gehäuses 4 sein. Das Gehäuse 4 weist einen mit der Membran 1 als Wand überdeckten Hohlraum auf. Die Sensorchips 2, 3 befinden sich auf der in den Hohlraum weisenden Oberfläche der Membran 1. Dazu kann die Membran 1 kegelstumpfförmig ausgebildet sein oder sich in einem kegelstumpfförmigen Ring befinden.