Drucksensoren kommen in vielen Bereichen der Technik, insbe- sondere bei der Verfahrenstechnik, zur Anwendung, um in flüssigen oder gasförmigen Fluiden Drücke zu messen.

Aus dem Datenblatt"Drucksensor der Serie PD 1000/2000"der Firma Metallux ist ein Drucksensor der eingangs genannten Art bekannt und besitzt einen Monolithkörper, der einen kreisringförmigen Tragkörper und eine Membran umfasst. Auf die Membran ist mittels Dickschichttechnik im Siebdruckver- fahren eine Brückenschaltung aus Dehnmeßstreifen aufge- druckt. Die Dehnmeßstreifen sind dabei aus einer ausgehärte- ten, leitfähigen Hochtemperaturpaste hergestellt. Eine der- artige Hochtemperaturpaste enthält in der Regel Edelmetalle und ist vergleichsweise teuer. Der Monolithkörper des be- kannten Drucksensors besteht aus Keramik, so dass die Her- stellungskosten der Monolithkörper vergleichsweise hoch sind. Dies hat zur Folge, dass das Anwendungsspektrum der Drucksensoren reduziert ist, da für eine Vielzahl von Anwen- dungen nur vergleichsweise preiswerte Drucksensoren wirt- schaftlich sinnvoll sind.

Üblicherweise erfolgt der Einbau eines solchen Drucksensors in ein Gehäuse, das z. B. aus Stahl, jedenfalls nicht aus Ke- ramik, besteht, so dass unterschiedliche Temperaturkoeffizi- enten vorliegen. Um Verspannungen der Membran aufgrund von Wärmedehnungseffekten zu vermeiden, kann daher eine aufwän- dige Lagerung des Drucksensors im jeweiligen Gehäuse erfor- derlich sein. Beim bekannten Drucksensor besteht die Membran aus Keramik, was weitere Einschränkungen mit sich bringt.

Zum einen kann die Membran relativ dünn ausgebildet werden, was die Herstellung aufwändig gestaltet. Toleranzbedingt können sich dadurch vergleichsweise starke Schwankungen hin- sichtlich der Membrandicke ergeben, wodurch die Gesamtemp- findlichkeit der Drucksensoren starken Streuungen unterwor- fen ist, da die Membrandicke in der dritten Potenz in die Federkennlinie der Membran eingeht. Zum anderen besitzt eine Keramikmembran eine relativ große Steifigkeit, wodurch zur Realisierung eines Drucksensors mit einer vergleichsweise großen Empfindlichkeit zum Sensieren relativ kleiner Drücke die Membran eine entsprechend große Geometrie besitzen muss.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für einen Drucksensor der eingangs genannten Art eine ver- besserte Ausführungsform anzugeben, die insbesondere preis- wert herstellbar ist.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsfor- men sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die Erfindung. beruht auf dem allgemeinen Gedanken, den Mono- lithkörper aus Kunststoff und die Schaltungskomponenten aus einer Polymerpaste herzustellen. Die serienmäßige Herstel-. lung eines Kunststoffmonolithen ist sehr preiswert reali- sierbar. Die Erfindung nutzt dabei die Erkenntnis, dass es für eine Vielzahl von Anwendungen nicht auf eine hohe Tempe- raturbeständigkeit des Drucksensors ankommt. Bei vergleichs- weise niedrigen Prozesstemperaturen können daher Mono- lithkörper auf einem entsprechenden Hochtemperaturkunststoff hinreichende Standzeiten realisieren. Die Verwendung einer Polymerpaste zur Ausbildung der Schaltungskomponenten, ins- besondere der Dehnmeßstreifen, ermöglicht das Aushärten der aufgedruckten Schaltung bei vergleichsweise niedrigen Tempe- raturen, jedenfalls bei Temperaturen, denen der Hochtempera- turkunststoff des Monolithkörpers standhält. Zweckmäßig wird als Polymerpaste daher eine Niedertemperaturpaste verwendet.

Darüber hinaus kann eine Polymerpaste ohne oder mit ver- gleichsweise wenig Edelmetallanteil verwendet werden, wo- durch auch hier ein Preisvorteil erzielbar ist. Die Erfin- dung stellt somit für Niedertemperaturanwendungen einen ex- trem preiswert herstellbaren Drucksensor zur Verfügung.

Des weiteren kann durch eine entsprechende Formgebung die Kunststoffmembran vergleichsweise weich gestaltet'werden, so dass sich bei einer kleinen Geometrie sehr große Empfind- lichkeiten zur Messung kleiner Drücke erzielen lassen. Au- ßerdem können Formtoleranzen durch die Auswahl eines geeig- neten Herstellungsverfahrens reduziert werden, so dass Schwankungen der Gesamtempfindlichkeit des jeweiligen Druck- sensors vergleichsweise klein sind. Kleine Herstellungstole- ranzen ergeben sich insbesondere, dann, wenn zur Herstellung des Monolithkörpers ein Spritzgußverfahren angewandt wird.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung besitzt der Drucksen- sor elektrische Anschlüsse, die als Einsatz-oder Einlege- teile ausgestaltet und in den Monolithkörper eingebettet sind. Insbesondere können diese Anschlüsse somit bereits bei der Herstellung des Monolithkörpers in diesen integriert werden. Ein nachträgliches Anbringen von Anschlüssen auf der aufgedruckten Schaltung kann daher entfallen, wodurch sich die Herstellung der Drucksensoren erheblich vereinfacht und preiswerter realisieren lässt.

Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei welcher die Membran mit einem ein-oder mehrteiligen Einsatz-oder Einlegeelement bewegungsgekoppelt ist, das fest mit dem Mo- nolithkörper verbunden ist. Mit Hilfe eines solchen Einsatz- oder Einlegeelements kann die Elastizität der Membran ge- zielt beeinflusst werden. Insbesondere ist es dadurch mög- lich, das Dehnungsverhalten der Membran gezielt im Hinblick auf eine gewünschte Empfindlichkeit und/oder Anwendungsform des Drucksensors auszulegen.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung kann dieses Einsatz- oder Einlegeelement durch einen ein-oder mehrteiligen Mem- brankern gebildet sein, der in der Membran angeordnet und vom Kunststoff des Monolithkörpers vollständig umhüllt ist.

Bei dieser Bauweise kann der Membrankörper bereits bei der Herstellung des Monolithkörpers in die Membran integriert werden. Durch die vollständige Umhüllung des Membrankerns durch den Kunststoff des Monolithkörpers können für den Mem- brankern auch solche Materialien, insbesondere Metalle, ver- wendet werden, die sich einerseits nicht zum Bedrucken mit der Schaltung eignen und/oder die bestimmten Medien, in de- nen der Druck gemessen werden soll, nicht ungeschützt ausge- setzt werden können, da sonst beispielsweise eine Korrosi- onsgefahr besteht : Durch die Integration eines solchen Mem- brankerns in das Innere der Membran kann durch ein entspre- chendes Design des Membrankerns besonders einfach die Fede- rungscharakteristik der Membran gezielt beeinflusst bzw. mo- delliert werden.

Bei einer anderen vorteilhaften Weiterbildung kann das Ein- satz-oder Einlegeelement durch eine Vakuumdose gebildet sein, die in der Membran angeordnet und vom Kunststoff des Monolithkörpers vollständig umhüllt ist. Auch hier erfolgt der Einbau der Vakuumdose in die Membran zweckmäßig bereits v während der Herstellung des Monolithkörpers. Die Kopplung der Membran mit einer Vakuumdose ermöglicht die Ausbildung des Drucksensors als Absolutdrucksensor. Von besonderem Vor- teil ist dabei, dass derartige Vakuumdosen vergleichsweise preiswert herstellbar sind und das darin eingebrachte Vakuum hinreichend lange aufrechterhalten. Durch die dichte Umhül- lung der Vakuumdose mit dem Kunststoff des Monolithkörpers ergibt sich eine zusätzliche Abdichtung der Vakuumdose.

Gleichzeitig ermöglicht die Umhüllung der Vakuumdose mit dem Kunststoff auch hier eine freie Auswahl für den Werkstoff der Vakuumdose.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Be- schreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder funktional gleiche oder ähnliche Bauteile beziehen.

Es zeigen, jeweils schematisch, u Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Drucksensor bei ei- ner ersten Ausführungsform, Fig. 2 eine Draufsicht auf den Drucksensor gemäß Fig. 1, Fig. 3 einen Längsschnitt wie in Fig. 1, jedoch bei einer zweiten Ausführungsform, Fig. 4 eine Draufsicht wie in Fig. 2, jedoch bei der Aus- führungsform gemäß Fig. 3, Fig. 5 eine Draufsicht auf einen Membrankern, Fig. 6 eine Draufsicht wie in Fig. 5, jedoch bei einer anderen Ausführungsform, Fig. 7 einen Längsschnitt wie in Fig. 1, jedoch bei einer dritten Ausführungsform, Fig. 8 eine Draufsicht wie in Fig. 2, jedoch bei der Aus- führungsform gemäß Fig. 7.

Entsprechend den Fig. 1 bis 8 weist ein erfindungsgemäßer Drucksensor 1 einen Monolithkörper 2 auf, der erfindungsge- mäß aus einem Kunststoff, insbesondere aus einem Ther- moplast-Kunststoff, vorzugsweise aus einem Hochtemperatur- kunststoff, hergestellt ist. Der Monolithkörper 2 umfasst einen Tragkörper 3 sowie eine einstückig daran ausgebildete I Membran 4.

Der Tragkörper 3 ist hier als geschlossener Kreisring ausge- bildet ; ebenso sind andere, insbesondere eckige, Ringgeome- trien möglich. An einem axialen Ende des Tragkörpers 3 ist die Membran 4. ausgebildet. Hierdurch ist eine von einem In- neren 5 des Tragkörpers 3 abgewandte Oberseite 6 der Membran 4 besonders gut zum Aufdrucken einer hier nicht dargestell- ten Brückenschaltung aus Dehnmeßstreifen geeignet. Erfin- dungsgemäß wird für die Herstellung der Dehnmeßstreifen eine aushärtbare und leitfähige Polymerpaste verwendet, die ins- besondere ohne bzw. arm an Edelmetallen ist. Die Brücken- schaltung wird zweckmäßig im Rahmen der sogenannten Dick- schichttechnik im Siebdruckverfahren auf die Oberseite 6 der Membran 4 aufgedruckt. Gleichzeitig kann die aufgedruckte Schaltung ein Temperaturkompensationsnetzwerk umfassen. Üb- licherweise umfasst eine solche Brückenschaltung vier Dehn- meßstreifen, von denen zwei in Zugzonen und zwei in Druckzo- nen der Membran 4 angeordnet sind. Die für die Ausbildung der Dehnmeßstreifen oder anderer Komponenten, z. B. Wider- stände, der Schaltung verwendete Polymerpaste ist zweckmäßig eine Niedertemperaturpaste.

Der Monolithkörper 2 weist elektrische Anschlüsse 7 auf, an denen z. B. die von der aufgedruckten Schaltung erzeugten Si- gnale abgreifbar sind. Des Weiteren können andere Anschlüsse beispielsweise dazu dienen, integrierte Schaltungen mit dem Drucksensor 1 zu verbinden. Die Anschlüsse bilden dann soge- nannte ,,Lead-Frames", die einen oder mehrere Steckplätze für integrierte Schaltkreise bereitstellen. Beispielsweise kann der Drucksensor 1 dadurch in besonders komfortabler Weise mit wenigstens einem sogenannten"ASIC"kombiniert werden, der im wesentlichen einen vom jeweiligen Anwender definier- ten integrierten Schaltkreis repräsentiert.

Vorzugsweise ist der Monolithkörper 2 als Spritzgußbauteil ausgebildet, wodurch es besonders einfach möglich ist, die Anschlüsse 7 durch Umgießen bzw. Umspritzen mit dem Kunst- stoff in den Monolithkörper 2 einzubetten. Hierdurch werden die Anschlüsse 7 bereits bei der Herstellung des Mono- lithkörpers 2 in diesen integriert.

Der Tragkörper 3 ist bei der hier gezeigten Ausführungsform an seinem von der Membran 4 abgewandten anderen Ende mit ei- ner ringförmigen Aufnahmenut 8 ausgestattet, in die eine Dichtung 9, hier ein 0-Ring, einlegbar ist. Je nach Montage-.. situation kann die Dichtung 9 dabei radial und/oder axial dichten.

Darüber hinaus ist bei der hier gezeigten Ausführungsform an dem von der Membran 4 abgewandten anderen axialen Ende des Tragkörpers 3 ein axial abstehender, ringförmiger Schweiß- vorsprung 10 ausgebildet. Dieser Schweißvorsprung 10 kann bei bestimmten Anwendungsformen dazu verwendet werden, den Monolithkörper 2 an einem Bauteil, das mit dem Drucksensor 1 ausgestattet werden soll, zu verschweißen. Insbesondere eig- net sich hierzu ein Ultraschallschweißvorgang.

Die Membran 4 kann hinsichtlich ihrer Dicke und/oder Form gezielt so gestaltet werden, dass sich eine erwünschte Fede- relastizität ergibt. Die Federelastizität der Membran 4 be- stimmt die Empfindlichkeit des Drucksensors 1 sowie den Druckbereich, in dem der Drucksensor 1 verwendbar ist.

Zweckmäßigerweise wird die Membran 4 an einer dem Inneren 5 zugewandten Unterseite 12 mit dem Medium beaufschlagt, des- sen Druck mit Hilfe des Drucksensors 1 gemessen werden soll.

D. h., die aufgedruckte Schaltung hat üblicherweise keinen Kontakt mit dem zu messenden Medium.

Entsprechend den Fig. 3 bis 8 kann die Membran 4 mit einem Einsatz-oder Einlegeelement 11 bewegungsgekoppelt sein, d. h. die Membran 4 folgt den Bewegungen des Einsatz-oder Einlegeelements 11. Dieses Einsatz-oder Einlegeelement 11 kann dabei einteilig öder mehrteilig ausgestaltet sein.

Mit Hilfe dieses Einsatz-oder Einlegeelements 11 kann somit die Federelastizität bzw. die Federungscharakteristik der Membran 4 beeinflusst werden. Beispielsweise ist es möglich, mit Hilfe des Einsatz-oder Einlegeelements 11 die Membran 4 mit einer zusätzlichen Masse zu belegen, was gleichzeitig als Aussteifung der Membran 4 dienen kann.

Bei den hier gezeigten Ausführungsformen ist das Einsatz- oder Einlegeelement 11 jeweils im Tragkörper 3 fest veran- kert. Des Weiteren besitzt das Einsatz-oder Einlegeelement 11 jeweils im wesentlichen dieselbe Querschnittsfläche wie die Membran 4. Durch diese Bauweise wird erreicht, dass das jeweils verwendete Einsatz-oder Einlegelement 11 ebenfalls als Membran wirkt, wobei das Einsatz-oder Einlegeelement 11 und die Membran 4 über ihre Bewegungskopplung wie eine ein- zige Membran wirken, die eine resultierende Federungscharak- teristik besitzt.

Bei der Ausführungsform gemäß den Fig. 3 bis 6 ist das Ein- satz-oder Einlegeelement 11 durch einen Membrankern 13 ge- bildet. Der Membrankern 13 ist in der Membran 4 angeordnet, derart, dass der Kunststoff des Monolithkörpers 2 den Mem- brankern 13 vollständig umhüllt. Durch diese Bauweise ist der Membrankern 13 nicht dem zu messenden Medium ausgesetzt, sondern durch den Kunststoff des Monolithkörpers 2 ge- schützt. Darüber hinaus ist der Kunststoff des Monolithkör- pers 2 so gewählt, dass er sich für eine Bedruckung mit der Polymerpaste besonders gut eignet. Dementsprechend kann für den Membrankern 13 auch ein Material verwendet werden, das für eine Bedruckung mit der Polymerpaste nicht geeignet ist.

Vorzugsweise besteht der Membrankern 13 aus Metall. Grund- sätzlich sind aber auch andere Materialien denkbar, die sich zur Beeinflussung der Elastizität der Membran 4 eignen. Da ein Membrankern 13 aus Metall erheblich steifer ist als die Kunststoff-Membran 4, dominiert die Elastizität des Membran- kern 13 die Federungscharakteristik der (resultierenden) Membran 4 des Drucksensors l.

Entsprechend Fig. 5 kann der Membrankern 13 durch eine volle Scheibe gebildet sein. Durch die Auswahl des Werkstoffs so- wie der Wandstärke kann die Federungscharakteristik der Mem- bran 4 bestimmt werden.

Grundsätzlich kann für den Membrankern 13 jede beliebige, geeignete Form oder Gestalt verwendet werden, um die Fe- dercharakteristik der Membran 4 gezielt zu modellieren. Bei- spielhaft ist in Fig. 6 eine besondere Ausführungsform für den Membrankern 13 wiedergegeben. Der Membrankern 13 zeigt hier einen Ring 14, von dem mehrere, hier vier, Zungen 15 radial nach innen vorstehen. Die Zungen 15 berühren sich da- bei nicht, um eine höhere Beweglichkeit zu besitzen.

Durch die exemplarisch genannten Varianten der Fig. 5 und 6 wird augenfällig, dass die Federeigenschaft der Membran 4 und somit die Empfindlichkeit des Drucksensors 1 bzw. der Einsatz-Druckbereich des Drucksensors 1 nahezu beliebig mo- delliert werden können, indem der Membrankern 13 bzw. das Einsatz-oder Einlegeelement 11 hinsichtlich wenigstens ei- nes der folgenden Kriterien speziell ausgelegt wird : Form, Material, Elastizität und Dimensionierung.

Der Monolithkörper 2 besitzt hier im Bereich seines Tragkör- pers 3 eine Indexierung 16 in Form einer Aussparung. Eine solche Indexierung 16 vereinfacht die Serienfertigung des Drucksensors 1, da über die Indexierung 16 stets die jewei- lige Relativlage des im Übrigen rotationssymmetrischen Mono- lithkörpers 2 maschinell erkennbar bzw. einstellbar ist.

Wie aus den Fig. 4 bis 6 hervorgeht, kann auch der Membran- kern 13 zweckmäßig mit einer Indexierung 17 in Form einer Aussparung ausgestattet sein.

Die Ausführungsformen der Fig. 1 bis 6 zeigen einen Druck- sensor 1, der als Differenzdrucksensor verwendbar ist. Das bedeutet, dass der Drucksensor 1 immer nur eine Druckdiffe- renz zwischen der Oberseite 6 und der Unterseite 12 der Mem- bran 4 feststellen kann. In entsprechender Weise muss dann auch der Einbau des Drucksensors 1 erfolgen.

Im Unterschied dazu zeigen die Fig. 7 und 8 eine Ausfüh- rungsform, bei welcher der Drucksensor 1 als Absolutdruck- sensor ausgestaltet ist. Zu diesem Zweck ist das Einsatz- oder Einlegeelement 11 durch eine Vakuumdose 18 gebildet.

Diese Vakuumdose 18 wird auf herkömmliche Weise hergestellt und enthält in ihrem Inneren 19 ein Vakuum und kann dieses hinreichend lange halten. Beispielsweise kann eine solche Vakuumdose 18 durch ein dichtes Verbinden, insbesondere mit- tels Laserschweißen, von zwei Halbschalen unter Vakuum her- gestellt werden.

Wenn nun der Drucksensor 1 gemäß Fig. 7 so montiert wird, dass das zu messende Medium sowohl die Oberseite 6 als auch die Unterseite 12 der Membran 4 beaufschlagt, verformt sich die Membran 4 stets in Abhängigkeit der Druckdifferenz zwi- schen dem an Oberseite 6 und Unterseite 12 anliegenden Druck und dem Vakuum der Vakuumdose 18, also in Abhängigkeit des Absolutdrucks.

Auch die Vakuumdose 18 ist zweckmäßig so in die Membran 4 integriert, dass sie vollständig vom Kunststoff des Mono- lithkörpers 2 umhüllt ist. Dementsprechend ist auch hier der Werkstoff der. Vakuumdose 18 vor einem Angriff des jeweiligen Mediums, dessen Druck gemessen werden soll, geschützt. Des Weiteren vereinfacht sich das Aufdrucken der Schaltung auf die Membran 4.

Der Drucksensor 1 kann auch dadurch zum Absolutdrucksensor ausgebildet werden, dass das Innere 5 des Monolithkörpers 2 an dem von der Membran 4 abgewandten Ende des Tragkörpers 3 mit einem, z. B. über den Schweißvorsprung 10, angeschweißten Deckel unter Vakuum verschlossen wird.

Auf die Membran 4 ist eine hier nicht gezeigte Schaltung mittels Dickschichtte. chnik, z. B. im Siebdruckverfahren, auf- gedruckt, die zur Ermittlung des an der Membran 4 angreifen- den Drucks geeignet ist. Einzelne Komponenten der Schaltung werden dabei aus einer aushärtbaren Paste aufgetragen, die in einem nachfolgenden Arbeitsschritt ausgehärtet wird. Er- findungsgemäß handelt es sich hierbei um eine Polymerpaste.

Zweckmäßig handelt es sich bei der Schaltung um eine Brük- kenschaltung aus Dehnmeßstreifen, die aus der genannten Po- lymerpaste hergestellt sind.

Insbesondere dann, wenn der Monolithkörper 2 als Spritzguß- bauteil ausgebildet ist, kann die Integration des Membran- kerns 13 bzw. der Vakuumdose 18 besonders einfach realisiert werden, indem das jeweilige Einsatz-oder Einlegeelement 11 beim Spritzen oder Gießen des Monolithkörpers vom Kunststoff umgossen bzw. umspritzt wird.

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