DE102007036272B4

DE102007036272B4 - Membrane arrangement for pressure or sound measurement with a membrane protection

Info

Publication number: DE102007036272B4
Application number: DE102007036272A
Authority: DE
Inventors: Alois Dr. Friedberger; Gerhard Dr. Müller; Christian Gradolph
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2007-07-31
Filing date: 2007-07-31
Publication date: 2010-04-08
Anticipated expiration: 2027-08-01
Also published as: DE102007036272A1; WO2009015779A1

Abstract

Membrananordnung (1) mit einer Membran (2) zur Messung eines Druckes eines Mediums, eines akustischen Schalls oder dergleichen, wobei ein Membranträger (3) mit einer Aufnahmevertiefung (4) vorgesehen ist, in der die Membran (2) aufgenommen ist, und wobei beabstandet zur Membran (2) messseitig ein Deckelelement (5) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Aufnahmevertiefung (4) zwischen der Membran (2) und dem Deckelelement (5) ein Pfropfenkörper (6) angeordnet ist, um das Volumen der Aufnahmevertiefung (4) und damit das mögliche Volumen eindringender Flüssigkeiten zu verringern, wobei der Pfropfenkörper (6) der Form der Aufnahmevertiefung (4) angepasst ist und wobei zwischen dem Pfropfenkörper (6) und der Membran (2) sowie zwischen dem Pfropfenkörper (6) und dem Membranträger (3) ein Abstand (7a, 7b) ausgebildet ist, welcher ein verbleibendes Freivolumen bildet, welches einem vorbestimmten Grenzvolumen an Wasser entspricht, das bei Erstarrung zu Eis die Membran nicht zerstört.Membrane arrangement (1) with a membrane (2) for measuring a pressure of a medium, an acoustic sound or the like, wherein a membrane support (3) is provided with a receiving recess (4) in which the membrane (2) is accommodated, and wherein spaced from the membrane (2) a cover element (5) is arranged on the measuring side, characterized in that in the receiving recess (4) between the membrane (2) and the cover element (5) a plug body (6) is arranged to the volume of the receiving recess (4) and thus to reduce the possible volume of penetrating liquids, wherein the plug body (6) of the shape of the receiving recess (4) is adapted and between the plug body (6) and the membrane (2) and between the plug body (6) and the membrane carrier (3) is a distance (7a, 7b) is formed, which forms a remaining free volume, which corresponds to a predetermined limit volume of water that does not the membrane when solidified to ice destroyed.

Description

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 messseitig ein Deckelelement angeordnet ist.The The present invention relates to a membrane assembly having a membrane for measuring a pressure of a medium, an acoustic sound or the like, wherein a membrane carrier having a receiving recess is provided, in which the membrane is received, and wherein spaced a cover element is arranged on the measuring side of the membrane.

Derartige Membrananordnungen mit einer Membran zur Messung eines Druckes eines Mediums oder eines akustischen Schalls sind hinreichend bekannt, beispielsweise aus der US 6,626,004 B1 . 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 Membrananordnungen Drücke von Flüssigkeiten gemessen werden, welche ebenfalls durch die Durchgangslöcher innerhalb des Deckelelementes treten können.Such membrane arrangements with a membrane for measuring a pressure of a medium or an acoustic sound are well known, for example from US 6,626,004 B1 , The membrane is accommodated in a membrane carrier, wherein a cover element is located above the membrane carrier in order to protect the membrane from external influences. The lid member is located on the pressure measuring side of the membrane assembly so that it is interspersed with a plurality of holes through which the medium whose pressure is measured, can pass. The medium can be air to measure an air pressure, whereby a sound measurement is possible analogous to the air pressure measurement. Furthermore, pressures of liquids can be measured with such membrane arrangements, which can also pass through the through holes within the cover element.

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 Ausdehnung 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.Also if the through holes can be chosen very small within the lid member can Dust, dirt and water in the space between the cover element and get to the membrane. This can be the recording deepening fill with water, which depending the external conditions can freeze. Should have a volume of water inside the receiving cavity freeze, so it expands to a difference volume, since water in liquid form a greater density has as water in frozen form. When expanding takes place a mechanical action on the membrane of the sensor or the Microphones, so that it bends. Membranes, in particular are used in high-sensitive pressure sensors are very sensitively constructed, d. h., That such membranes with a preferably huge area have a very small thickness. This is indeed measurements of very small pressure fluctuations possible, However, such membranes are very sensitive to mechanical Impacts. Formed by the formation of ice from an increase in volume, so the maximum deflection of the membrane can be exceeded, causing this destroyed becomes.

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.From the WO 01/88497 A1 For example, a membrane assembly is disclosed that includes a membrane that is received in a membrane carrier within a housing. On the side opposite the measuring side of the membrane, an elastically resilient compensating element is accommodated in the housing, which can compensate for an increase in the volume of water entered during its solidification. However, since the housing also covers the measuring side of the membrane in a plane-parallel section, there is still the danger that water, which is located between the housing on the measuring side of the membrane and the membrane itself, can freeze, thereby destroying the membrane. Thus, the elastically resilient compensation element on the back of the membrane does not provide reliable protection against damage to the membrane with water freezing to ice.

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.From the WO 03/050416 A1 discloses a pressure sensor for a diaphragm pump, which is arranged in the housing of the diaphragm pump, wherein the diaphragm pump serves as an expansion vessel for the protection of the pressure sensor. The membrane is therefore arranged to avoid overpressure in the pressure sensor directly in the pump head, ie above the pump diaphragm of the diaphragm pump so that the volume increase occurring during freezing of a fluid within the diaphragm pump is compensated by a deflection of the pump diaphragm against the force of a spring and the pressure sensor diaphragm before is protected from damage. Such an arrangement of a membrane for measuring a pressure is specified for the scope of application of a diaphragm pump, wherein it can be seen that a mechanical protection device protects the pressure sensor diaphragm upon freezing of the fluid.

Andere bekannte Vorrichtungen, wie sie beispielsweise in der US 5,792,958 , der WO 2005/029029 A1 und in der DE 100 23 589 A1 beschrieben sind, weisen elastische nicht an die Form der Membran angepasste Verdrängungskörper, d. h. elastische Körper oder als Faltenbalg ausgebildete Körper, zum Schutz einer Membran bzw. einer Messstelle auf. Sobald ein eingedrungenes Wasservolumen zu Eis erstarrt, werden diese Verdrängungskörper komprimiert, was die Belastung der Membran verringert.Other known devices, such as those in the US 5,792,958 , of the WO 2005/029029 A1 and in the DE 100 23 589 A1 have described elastic, not adapted to the shape of the membrane displacement body, ie elastic body or bellows designed body, to protect a membrane or a measuring point. As soon as an infiltrated water volume solidifies into ice, these displacement bodies are compressed, which reduces the load on the membrane.

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 beispielsweise auf dem Prinzip einer nachgiebigen Feder beruht.In the known protective devices for protecting the membrane of pressure sensors, the problem arises that this must be configured very expensive or that the protection of the membrane when using an elastically resilient compensation element can not be guaranteed in principle. If the membrane of a pressure or acoustic measuring device destroyed, it loses its function, so that it comes to a defect of the measuring device. Even with the use of pressure measuring membranes in the field of aircraft, for example, when used in wings or rotor blades, the sensors are exposed to extreme weather conditions such as frost, changing temperatures and a change exposed to loose air pressure. If the pressure or sound measurement sensor for microtechnical applications is designed in very small dimensions, this eliminates the need for an economically feasible mechanical protection device of the membrane, which is based, for example, on the principle of a resilient spring.

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.It is therefore the object of the present invention, a membrane assembly to provide pressure or sound measurement with a membrane protector, which overcomes the disadvantages of the aforementioned prior art and a simple design to protect the membrane from freezing liquids.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Membrananordnung gemäß des Oberbegriffs des Anspruchs 1 in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.These The object is based on a membrane arrangement according to the preamble of claim 1 in conjunction with the characterizing features solved. Advantageous developments of the invention are specified in the dependent claims.

Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass innerhalb der Aufnahmevertiefung zwischen der Membran und dem Deckelelement ein Pfropfenkörper angeordnet ist, um das Volumen für in die Aufnahmevertiefung eindringende Flüssigkeiten zu verringern.The Invention includes the technical doctrine that within the recording depth a plug body is arranged between the membrane and the cover element is to the volume for to reduce liquids entering the receiving cavity.

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 Aggregatzustand 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 erstarrtem Wasser eine Zerstörung der Membran verursacht wird.The Invention is based on the idea of free volume within the receiving recess through the plug body to reduce, so that the Amount of liquid, which can penetrate into the receiving recess is minimized. consequently can be defined a limit volume of water, which between the lid member and the membrane can occur, and solidification to ice the membrane is no longer destroyed, since the volume of change between the Physical state of water and the state of aggregation Ice from the absolute Volume of the penetrated water depends. The volume of the plug body becomes Therefore, determined so that the space between the membrane and the Cover element is smaller than the limit volume. According to the invention can with such a plug body be avoided that despite penetrated and frozen to ice Water a destruction caused by the membrane.

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 formschlüssigen 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.It It is advantageous that the plug body is arranged on the cover element is. The connection between the plug body and the lid member can be done by gluing or bonding, basically every Type of a material or form-fitting Connection possible is. According to another embodiment there is also the possibility the plug body to form on the cover element, so that this one-piece and is made of the same material with the cover element.

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 oberhalb 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.Around the repression of water through the plug body within the receiving cavity, the plug body is the Adapted shape of the receiving cavity. For the preparation of the plug body can For example, be provided by a molding process in the receiving recess itself. Will the plug body with arranged a distance to the membrane above this, so is the plug body optimally adapted to the shape of the receiving cavity to prevent that the free volume when using the plug body in the receiving recess is unnecessarily increased.

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.According to one advantageous embodiment of the receiving recess has this one trapezoidal or a funnel-shaped Cross-section, which tapers towards the membrane. By the trapezoidal or funnel-shaped Training has the receiving recess between the plane of the membrane and the plane on which the lid member is applied, a skew, which on the process characteristics of the respective material of the Measuring element is based.

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.advantageously, is the plug body from a compliant material comprising a silicone material or an elastic plastic or plastic foam formed. The elastic material provides the property when expanding of the solidifying water within the free volume a compliance to enable so that the forces acting on the membrane due to the volume increase are minimized become. The evasive volume, which is due to the volume increase the solidification of the water is required, therefore, in the direction of the plug body be taken, so that the membrane itself from an excessive force spared.

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 Aufnahmevertiefung abgeformte Pfropfenkörper abgelöst wird, wird er mit dem genannten Spaltabstand über der Membran am Deckelelement befestigt.According to a further embodiment, a gap spacing is formed between the plug body and the membrane and between the plug body and the membrane carrier. The gap distance between the plug body and the membrane may be greater than the gap distance between the plug body and the membrane carrier in the region of the obliquely oriented walls relative to the membrane. This geometric configuration of the gap distances with the difference between the gap distance to the membrane carrier and the membrane itself is formed by the formation of the plug body when it is molded within the receiving recess for the production. The silicone plug body can be easily constructed even with complicated geometric shapes of the receiving recess by using the receiving recess itself as a mold. After the individually molded within the receiving recess plug body is detached, it is attached to the above-mentioned gap distance above the membrane on the cover element.

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.As soon as the membrane depression runs in a straight line to the membrane, z. B. as a cylinder or cube, and the deformation body can be adjusted accordingly become. However, it is then not in the production of the deformation body more of the sprue can be used in the membrane recess as a casting mold.

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 Durchgangslö cher 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 Durchgangslöcher 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 geraten können. Die Anzahl der Durchgangslöcher wird dabei mit kleinerem Durchmesser der Durchgangslöcher erhöht.According to one another embodiment The invention is in the cover element at least one through hole introduced by the pressure of the medium or the sound the membrane can pass. On the one hand, the Durchgangslö cher next be arranged in the region where the plug body on Cover element is attached, further wherein the through holes also can be introduced in the attachment region of the plug body, so that they pass through the lid member and through the plug body extend. The through holes are preferably designed with a small diameter, which for example, half having the thickness of the lid member. The smaller the diameter the through holes chosen The lower the amount of contamination between the lid member and the membrane may be advised. The number of through holes is it increases with smaller diameter of the through holes.

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 Oberfläche 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 Ausnehmung 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.Of the membrane support Can be used for mounting on a support element be attached, wherein the carrier element can form a substrate. Especially in microtechnical applications it is possible, construct the membrane assembly on the surface of a wafer, so that the substrate is designed as a silicon substrate or as a glass substrate, wherein also the membrane carrier to similar ones Way can be made. The substrate may be in the range of Membrane have a recess to a mobility of the membrane to accomplish. The space formed by the recess is located on the back the membrane, this preferably by an etching process or mechanical process can be introduced into the substrate.

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 ausgebil det 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 verwendet werden kann. Derartige Verfahren eignen sich insbesondere zur Herstellung von Drucksensoren für mikrotechnische Anwendungen, und können als On-The-Chip-Sensoren ausgebildet sein.According to one another embodiment the membrane assembly is the receiving recess by an etching process in the membrane carrier produced, wherein the membrane formed with the membrane carrier of the same material is. The membrane forms the bottom region of the receiving recess, so that the sensor according to the principle of a capacitive or piezoresistive Sensors works. The substrate may vary depending on the measuring principle used made of silicon or a material with similar properties, such as For example, be borosilicate glass ausgebil det. For the production the connection between the substrate and the membrane support can be Bonding method can be applied, wherein also between the cover element and the membrane carrier a bonding method for connection can be used. such Methods are particularly suitable for the production of pressure sensors for microtechnical Applications, and can as on-the-chip sensors be educated.

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.such Membrane arrangements find in a microphone or a pressure sensor Application, such sensors in particular in aviation technology on wings an aircraft or in the rotor blade of a helicopter are arranged can, since they conceptually a high robustness against the environmental influences in the respective application range have.

Weitere, die Erfindung verbessernden Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.Further, the invention improving measures will be described below together with the description of a preferred embodiment of the invention with reference to the figures shown in more detail.

Es zeigt:It shows:

1 eine perspektivische Ansicht der Membrananordnung, wobei das Deckelelement sowie der Pfropfenkörper zur Ansicht der Aufnahmevertiefung entfernt sind; und 1 a perspective view of the membrane assembly, wherein the lid member and the plug body are removed to view the receiving recess; and

2 eine schematische Querschnittsansicht der erfindungsgemäßen Membrananordnung, bei der ein Pfropfenkörper innerhalb der Aufnahmevertiefung eingebracht ist. 2 a schematic cross-sectional view of the membrane assembly according to the invention, in which a plug body is inserted within the receiving recess.

Die in 1 gezeigte Membrananordnung 1 weist eine Membran 2 auf, welche in einem Membranträger 3 aufgenommen ist. Im Membranträger 3 ist eine Aufnah mevertiefung 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 the 1 shown membrane arrangement 1 has a membrane 2 on which in a membrane carrier 3 is included. In the membrane carrier 3 is a recording recess 4 introduced, wherein the membrane 2 the bottom area of the receiving recess 4 forms. According to this embodiment, the membrane 2 and the membrane carrier 3 executed in one piece, with the receiving recess 4 only in the material of the membrane carrier 3 is introduced. The membrane carrier 3 is through a substrate 9 recorded as a support material for the membrane assembly 1 serves.

In 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 Deckelelement 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.In 2 is a schematic cross-sectional view of the membrane assembly 1 shown. The membrane 2 is in the membrane carrier 3 taken up, and forms the bottom portion of the receiving recess 4 , which as a depression within the membrane carrier 3 is introduced. Above the membrane carrier 3 is a lid element 5 arranged between the top of the membrane carrier 3 and the lid member 5 A gap 11 is trained. The area above the cover element 5 forms the Au outside of the membrane assembly 1 on which there is the medium whose pressure is to be measured. The connection between the membrane 2 and the outside above the lid member 5 is through through holes 8th formed, which adjacent to the receiving recess 4 are arranged and by which the pressure or the sound to the membrane 2 can get.

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.The connection runs from the through holes 8th over the gap 11 to the membrane 2 , wherein above the membrane 2 According to the invention, a plug body 6 is arranged. Between the plug body 6 and the membrane 2 is a gap distance 7a formed, wherein between the plug body 6 and the membrane carrier 3 the gap distance 7b is trained. The course of the medium whose pressure is to be measured thus extends from the gap 11 to the membrane 2 through the gap distance 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.The volume which is formed by the gap distance 7a and 7b , forms the remaining free volume, due to the arrangement of the plug body 6 is minimized. The choice of the optimal gap distance 7a and 7b is chosen such that an impairment of the measurement process for measuring the pressure above the cover element 5 through the membrane 2 is not affected, with only such a small amount of water in the space between the plug body 6 and the membrane 2 it can penetrate, which in an icing the membrane 2 can not damage.

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.So that a deflection of the membrane 2 towards the substrate 9 can take place in this is a recess 10 introduced, which in the area below the membrane 2 is trained. The plug body 6 is made of a silicone material or the like, so that it has a high compliance. Due to this flexibility, when the water solidifies within the free volume between the membrane 2 and the plug body 6 an expansion of the volume of the water when solidified in the direction of the plug body 6 respectively. Consequently, the maximum on the membrane 2 acting force limited by the solidification of the water, so that it can not be damaged.

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 gearteten 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 Ätzprozess 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.The invention is not limited in its execution to the above-mentioned preferred embodiment. Rather, a number of variants is conceivable, which makes use of the illustrated solution even with fundamentally different types of use. Consequently, there is the possibility, alternatively to the attachment of the plug body 6 the lid element 5 for example, by a deep drawing process in the direction of the receiving recess 4 stamp out, so that the cover element 5 the volume within the receiving cavity 4 over the membrane 2 occupies. Consequently, the area of the cover element is 5 so closely spaced above the membrane 2 arranged that the free volume above the membrane 2 is also minimized. Will the lid element 5 Made of an etchable material, it may be etched in such a way that it is the same as the plug body 6 in the volume of the receiving cavity 4 protrudes. When etching the cover element 5 can be made due to the etching process, the same etching bevel, as this also during the etching of the membrane carrier 3 arises. Thus, the invention is not limited to a single plug body 6 limited, the on the cover element 5 is attached and through a casting in the receiving recess 4 is made.

11: Membrananordnungdiaphragm assembly
22: Membranmembrane
33: Membranträgermembrane support
44: Aufnahmevertiefungreceiving recess
55: Deckelelementcover element
66: Pfropfenkörperplug body
77: Spaltabstandgap distance
88th: DurchgangslochThrough Hole
99: Substratsubstratum
1010: Ausnehmungrecess
1111: Spaltgap

Claims

Membrane arrangement ( 1 ) with a membrane ( 2 ) for measuring a pressure of a medium, an acoustic sound or the like, wherein a membrane carrier ( 3 ) with a receiving cavity ( 4 ) is provided, in which the membrane ( 2 ) and spaced apart from the membrane ( 2 ) a cover element ( 5 ), characterized in that in the receiving recess ( 4 ) between the membrane ( 2 ) and the cover element ( 5 ) a plug body ( 6 ) is arranged to the volume of the receiving recess ( 4 ) and thus to reduce the possible volume of penetrating liquids, the plug body ( 6 ) the shape of the receiving well ( 4 ) and wherein between the plug body ( 6 ) and the membrane ( 2 ) and between the plug body ( 6 ) and the membrane carrier ( 3 ) a distance ( 7a . 7b ) is formed, which forms a remaining free volume, which corresponds to a predetermined limit volume of water, which does not destroy the membrane when solidified to ice.

Membrane arrangement ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the plug body ( 6 ) on the cover element ( 5 ) is arranged or formed on this.

Membrane arrangement ( 1 ) according to one of claims 1 to 2, characterized in that the receiving recess ( 4 ) has a trapezoidal or a funnel-shaped cross-section which extends in the direction of the membrane ( 2 ) rejuvenated.

Membrane arrangement ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the plug body ( 6 ) is formed from a resilient material comprising a silicone material or an elastic plastic or plastic foam.

Membrane arrangement ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that in the cover element ( 5 ) at least one through hole ( 8th ) is introduced, by which the pressure of the medium or the sound to the membrane ( 2 ) can get.

Membrane arrangement ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the membrane carrier ( 3 ) on a support element comprising a substrate ( 9 ).

Membrane arrangement ( 1 ) according to claim 6, characterized in that the substrate ( 9 ) in the region of the membrane ( 2 ) a recess ( 10 ) in order to increase the mobility of the membrane ( 2 ) to accomplish.

Membrane arrangement ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the membrane arrangement is arranged in a microphone or in a pressure sensor.

Membrane arrangement ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the receiving recess ( 4 ) by an etching process or mechanically in the membrane carrier ( 3 ) is made so that this with the membrane ( 2 ) is formed in one piece and of uniform material.

Membrane arrangement ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the membrane arrangement ( 1 ) is arranged in a wing of an aircraft or in the rotor blade of a helicopter.

Membrane arrangement ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the membrane arrangement ( 1 ) is designed as an on-chip sensor of a microtechnical application.