DE10221219A1 - Pressure sensor for static and/or dynamic pressure measurements on media comprises a membrane which on the side facing away from the medium is provided with at least one support element - Google Patents
Pressure sensor for static and/or dynamic pressure measurements on media comprises a membrane which on the side facing away from the medium is provided with at least one support elementInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Drucksensor zur statischen und/oder dynamischen Druckmessung, mit einem Gehäuse und mit einer Druckmeßzelle, die einen Grundkörper und eine mit dem Grundkörper verbundene Membran aufweist, wobei eine Seite der Membran direkt oder indirekt mit dem zu überwachenden Medium in Berührung steht und die Membran im Betrieb eine dem Druck des Mediums proportionale Auslenkung erfährt, die mittels eines auf der anderen Seite der Membran angeordneten elektromechanischen Wandlers, insbesondere mittels mindestens eines DMS-Widerstandes, erfaßbar ist. The invention relates to a pressure sensor for static and / or dynamic pressure measurement, with a housing and with a pressure measuring cell, the a base body and a membrane connected to the base body has, one side of the membrane directly or indirectly with the monitoring medium is in contact and the membrane is in operation the pressure of the medium proportional deflection experienced by means of a arranged on the other side of the membrane electromechanical Converter, in particular by means of at least one strain gauge resistor, is detectable.
Drucksensoren werden zur Überwachung und Messung des Systemdrucks in hydraulischen und pneumatischen Applikationen eingesetzt. Ein Einsatzbereich solcher Drucksensoren ist beispielsweise die Lebensmittelindustrie, in der der Druck verschiedener Medien, insbesondere verschiedener Flüssigkeiten überwacht oder gemessen wird. Dabei gibt es je nach Anwendungsgebiet eine Vielzahl unterschiedlicher Ausführungsvarianten, wobei sich der Aufbau und die Auslegung der Drucksensoren in Abhängigkeit des erwarteten maximalen Nenndrucks des zu überwachenden Mediums unterscheiden. Neben der "normalen" Beanspruchung des Drucksensors, insbesondere der Druckmeßzelle, durch den Nenndruck des zu überwachenden Mediums treten in vielen Einsatzbereichen häufig auch kurzzeitige Überdrücke auf, die wesentlich größer als der maximale Nenndruck des Mediums sind. Ein solcher Überdruck kann in der Lebensmittelindustrie beispielsweise dann auftreten, wenn ein Behälter, in dem normalerweise Milch gelagert wird, mit einer Flüssigkeit mit hohem Druck gereinigt wird. Pressure sensors are used to monitor and measure the system pressure in hydraulic and pneumatic applications. On Such pressure sensors are used, for example, in the food industry in which is the printing of different media, especially different ones Liquids are monitored or measured. There are depending on the application a variety of different versions, the structure and the design of the pressure sensors depending on the expected Distinguish the maximum nominal pressure of the medium to be monitored. In addition to the "normal" stress on the pressure sensor, especially the Pressure measuring cell, due to the nominal pressure of the medium to be monitored occur in many Areas of application often include short-term pressures that are essential are greater than the maximum nominal pressure of the medium. Such overpressure can occur in the food industry, for example, when a Container in which milk is normally stored with a liquid high pressure is cleaned.
Bekannte Drucksensoren weisen üblicherweise eine kapazitive, zylindrische Druckmeßzelle auf, die aus einem Grundkörper und einer Membran besteht, die durch ein Verbindungsmaterial, z. B. ein Hartlot, in einem definierten Abstand voneinander gehalten und miteinander hermetisch dicht verbunden sind. Die mit Elektroden beschichteten Innenflächen der Membran und des Grundkörpers bilden einen Meßkondensator, dessen Kapazität von der Durchbiegung der Membran abhängt und somit ein Maß für den an der Membran anliegenden Druck ist. In der Praxis werden meist Druckmeßzellen aus Keramik eingesetzt, da keramische Druckmeßzellen eine hohe Meßgenauigkeit aufweisen, die über sehr lange Zeit stabil bleibt. Auf der dem Medium abgewandten Seite weist die Druckmeßzelle eine elektronische Schaltung auf, die die Kapazität des Meßkondensators in ein druckabhängiges elektrisches Signal umwandelt und über elektrische Anschlußleitungen einer weiteren Verarbeitung oder einer Anzeige zugänglich macht. Known pressure sensors usually have a capacitive, cylindrical one Pressure measuring cell, which consists of a base body and a membrane, which by a connecting material, for. B. a braze in a defined Spaced from each other and hermetically sealed together. The inner surfaces of the membrane and the coated with electrodes Base body form a measuring capacitor, the capacitance of which Deflection of the membrane depends and thus a measure of that on the membrane pressure is applied. In practice, ceramic pressure measuring cells are mostly used used because ceramic pressure measuring cells have a high measuring accuracy which remain stable over a very long time. On the the medium facing away from the pressure measuring cell on an electronic circuit, the the capacitance of the measuring capacitor in a pressure-dependent electrical Signal converted and another electrical connection lines Processing or display.
Neben diesen Drucksensoren, die ein kapazitives Meßprinzip aufweisen, bei denen als elektromechanischer Wandler also zwei Elektroden verwendet werden, gibt es auch Drucksensoren, die Dehnmeßstreifen (DMS) oder druckempfindliche Widerstände bzw. DMS-Widerstände aufweisen. Bei diesen Drucksensoren sind die DMS-Widerstände auf der dem Medium abgewandten Seite der Membran aufgebracht, wobei der Widerstandswert der DMS- Widerstände von der Durchbiegung der Membran abhängt und somit ebenfalls ein Maß für den an der Membran anliegenden Druck ist. Bei derartigen Drucksensoren bzw. Druckmeßzellen ist somit ein separater, der Membran gegenüberliegender Grundkörper meßtechnisch nicht erforderlich. Drucksensoren bzw. Druckmeßzellen mit DMS-Widerständen gibt es daher auch in monolithischer Ausführungsform, bei der der Grundkörper und die Membran einstückig ausgeführt sind. Dabei befindet sich dann die Membran in der Regel auf der dem Medium abgewandten Seite des Grundkörpers, der im Bereich der Membran eine sacklochartige Bohrung aufweist. Der Grundkörper hat somit eine topfförmige Gestalt, wobei der Boden des Topfes von der Membran gebildet wird und die offene Seite des Topfes dem Medium zugewandt ist. In addition to these pressure sensors, which have a capacitive measuring principle, at which used two electrodes as an electromechanical transducer there are also pressure sensors, the strain gauges (DMS) or have pressure-sensitive resistors or strain gauge resistors. With these Pressure sensors are the strain gauge resistors on the side facing away from the medium Side of the membrane, the resistance value of the strain gauge Resistance depends on the deflection of the membrane and therefore also is a measure of the pressure applied to the membrane. With such Pressure sensors or pressure measuring cells is therefore a separate one, the membrane opposite base body is not required for measurement. Pressure sensors or pressure measuring cells with strain gauge resistors are therefore also available in monolithic embodiment, in which the base body and the membrane are made in one piece. The membrane is then in the Rule on the side of the base body facing away from the medium, that in the area the membrane has a blind hole-like bore. The main body has thus a pot-shaped shape, the bottom of the pot from the Membrane is formed and the open side of the pot faces the medium is.
Unabhängig von der Art des Meßprinzips des Drucksensors besteht bei den bekannten Drucksensoren das Problem, daß die Membran bei den eingangs beschriebenen Überdrücken mechanisch beschädigt werden kann. Dieses Problem wird in der Praxis bisher dadurch gelöst, daß die Dicke der Membran entsprechend vergrößert wird. Da der Berstdruck, d. h. der Druck, bei dem die Membran mechanisch zerstört wird, u. a. von der Dicke der Membran abhängt, kann durch eine Erhöhung der Dicke der Membran der maximale Berstdruck auf einfache Art und Weise ebenfalls erhöht werden. Nachteilig ist hierbei jedoch, daß mit der Erhöhung der Dicke der Membran gleichzeitig die Auslenkung der Membran bei Nenndruck, d. h. bei dem von dem Drucksensor zu messenden Druck des Mediums, verringert wird. Somit wird im Stand der Technik die Erhöhung des Berstdrucks der Membran bisher durch eine Verringerung der Meßgenauigkeit, d. h. der maximalen Auflösung des Drucksensors, erkauft. Regardless of the type of measurement principle of the pressure sensor in the known pressure sensors the problem that the membrane at the beginning described overpressures can be mechanically damaged. This Problem has been solved in practice so far that the thickness of the membrane is increased accordingly. Since the burst pressure, i.e. H. the pressure at which the Membrane is mechanically destroyed, u. a. depends on the thickness of the membrane, can increase the maximum burst pressure by increasing the thickness of the membrane can also be increased in a simple manner. The disadvantage here is however, that with the increase in the thickness of the membrane at the same time Deflection of the membrane at nominal pressure, d. H. at that from the pressure sensor too measuring pressure of the medium is reduced. Thus, in the state of the Technology has been used to increase the bursting pressure of the membrane Reduction in measurement accuracy, d. H. the maximum resolution of the Pressure sensor, bought.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen eingangs beschriebenen Drucksensor zur Verfügung zu stellen, der einerseits eine große Überlast- bzw. Berstfestigkeit aufweist, andererseits auch ein möglichst großes Meßsignal zur Verfügung stellt und damit eine möglichst große Auflösung ermöglicht. The invention is therefore based on the object at the beginning to provide the pressure sensor described, which on the one hand has a large overload or bursting strength, on the other hand as large as possible Provides measurement signal and thus the greatest possible resolution allows.
Diese Aufgabe ist bei dem eingangs beschriebenen Drucksensor zunächst und im wesentlichen dadurch gelöst, daß die Dicke der Membran verringert ist und auf der dem Medium abgewandten Seite der Membran mindestens ein Abstützelement angeordnet ist, wobei das Abstützelement mit einem Abstand von der Membran angeordnet bzw. so ausgebildet ist, daß die Membran bei Überlast an dem Abstützelement oder an Teilen des Abstützelements zumindest teilweise anliegt. This task is first and for the pressure sensor described in the introduction essentially solved in that the thickness of the membrane is reduced and at least one on the side of the membrane facing away from the medium Support element is arranged, wherein the support element at a distance arranged by the membrane or is designed so that the membrane at Overload on the support element or on parts of the support element at least partially.
Die Erfindung geht somit im Vergleich zum Stand der Technik einen völlig anderen Weg. Anstelle die Dicke der Membran zur Erhöhung der Berstfestigkeit zu vergrößern, wird bei dem erfindungsgemäßen Drucksensor die Dicke der Membran bewußt verringert. Anstelle einer Membrandicke von typischerweise 0,5 mm bei einem Nenndruck von 25 bar wird nun erfindungsgemäß die Dicke der Membran beispielsweise auf 0,3 mm reduziert. Die Reduzierung der Dicke der Membran führt zunächst - gewollt - zu einer größeren Durchbiegung der Membran bei gleichem Druck des Mediums und damit zu einem größeren Meßsignal. Gleichzeitig verringert sich jedoch die Berstfestigkeit der Membran, d. h. der Druck, bei dem die Membran irreparabel beschädigt wird. Dieser eigentliche Nachteil wird nun erfindungsgemäß dadurch kompensiert, daß auf der dem Medium abgewandten Seite der Membran ein Abstützelement angeordnet ist. Dabei weist das Abstützelement einen solchen Abstand von der Membran auf bzw. ist so ausgebildet, daß die Membran bei Überlast an dem Abstützelement oder an Teilen des Abstützelements zumindest teilweise anliegt. Es wird also die aufgrund der geringeren Dicke der Membran bei Überlast normalerweise auftretende - zur Zerstörung der Membran führende - Durchbiegung dadurch verhindert, daß sich die Membran vorher an dem Abstützelement abstützt, wodurch die maximale Durchbiegung der Membran auf einen Wert begrenzt wird, bei dem es noch nicht zu einer Zerstörung der Membran kommt. Gleichzeitig wird jedoch dadurch, daß das Abstützelement so angeordnet bzw. ausgebildet ist, daß die Membran erst bei Überlast an dem Abstützelement anliegt verhindert, daß durch das Abstützelement der Meßwert im Nenndruckbereich verfälscht wird. The invention is therefore completely in comparison with the prior art other way. Instead of increasing the thickness of the membrane To increase bursting strength, the thickness of the pressure sensor according to the invention deliberately reduced the membrane. Instead of a membrane thickness of typically 0.5 mm at a nominal pressure of 25 bar according to the invention, the thickness of the membrane is reduced to 0.3 mm, for example. The Reducing the thickness of the membrane initially - deliberately - leads to a larger one Deflection of the membrane at the same pressure of the medium and therefore too a larger measurement signal. At the same time, however, the Bursting strength of the membrane, d. H. the pressure at which the membrane is irreparable is damaged. This actual disadvantage is now inventively thereby compensates for that on the side of the membrane facing away from the medium Support element is arranged. The support element has one Distance from the membrane on or is designed so that the membrane at Overload on the support element or on parts of the support element at least partially. So it will be due to the smaller thickness of the Diaphragm normally occurring in the event of overload - to destroy the Membrane leading - deflection prevents the membrane from moving previously supported on the support element, thereby ensuring the maximum deflection the membrane is limited to a value at which it is not yet a Destruction of the membrane is coming. At the same time, however, that Support element is arranged or designed so that the membrane only at Overload on the support element prevents that Support element the measurement value is falsified in the nominal pressure range.
Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Abstützelement Aussparungen für den elektromechanischen Wandler auf und bevorzugt darüber hinaus weitere Aussparungen für auf der dem Medium abgewandten Seite der Membran angeordnete Leiterbahnen auf. Dadurch wird verhindert, daß es zu einer Beschädigung der elektromechanischen Wandler, bei denen es sich insbesondere um DMS-Widerstände handelt, sowie der Leiterbahnen kommt, wenn die Membran bei Überdruck an dem Abstützelement anliegt. Weist das Abstützelement Aussparungen auf, so führt dies dazu, daß nur einzelne Bereiche der Membran - an denen sich keine DMS-Widerstände oder Leiterbahnen befinden - an Teilen des Abstützelements bei Überlast anliegen. According to a first advantageous embodiment of the invention, the Support element cutouts for the electromechanical converter on and furthermore preferably further recesses for on the medium on the opposite side of the membrane arranged conductor tracks. This will prevents damage to the electromechanical transducers, which are in particular strain gauge resistors, as well as the Conductor tracks come when the membrane is at excess pressure on the support element is applied. If the support element has cutouts, this leads to the fact that only individual areas of the membrane - where there are no strain gauge resistors or conductor tracks - on parts of the support element in the event of an overload issue.
Es gibt nun grundsätzlich verschiedene Möglichkeiten - die für sich im Stand der Technik bereits bekannt sind - die Druckmeßzelle auszubilden. Bei der ersten Alternative sind der Grundkörper und die Membran zwei an sich separate Bauteile, die über ein zwischen dem Grundkörper und der Membran angeordnetes Verbindungsmittel miteinander verbunden sind. Bei der zweiten Alternative ist die Druckmeßzelle monolithisch ausgebildet, d. h. der Grundkörper und die Membran sind einstückig ausgeführt. Dabei befindet sich dann die Membran auf der dem Medium abgewandten Seite des Grundkörpers, wobei der Grundkörper im Bereich der Membran eine sacklochartige Bohrung aufweist, wodurch die Membran direkt oder indirekt mit dem zu überwachenden Medium in Berührung steht. There are now basically different options - the stand alone are already known in the art - to form the pressure measuring cell. In the In the first alternative, the base body and the membrane are two separate parts Components that have a between the base body and the membrane arranged connecting means are interconnected. The second Alternatively, the pressure measuring cell is monolithic, i. H. the basic body and the membrane are made in one piece. Then there is the Membrane on the side of the base body facing away from the medium, wherein the base body has a blind hole-like bore in the area of the membrane has, whereby the membrane directly or indirectly with the monitored Medium is in contact.
Bei der ersten Alternative der Ausgestaltung der Druckmeßzelle, bei der also der Grundkörper und die Membran an sich zwei separate Bauteile sind, wird vorteilhafterweise das Abstützelement durch den Grundkörper selber gebildet, nämlich durch die der Membran zugewandten Seite des Grundkörpers. Um nun zu ermöglichen, daß sich die Membran bei Überlast an dem Grundkörper bzw. an Teilen des Grundkörpers abstützt, ist die Dicke des Verbindungsmaterials, bei dem es sich insbesondere um ein Glaslot handelt, verringert. Durch die Verringerung der Dicke des Glaslot wird also dafür gesorgt, daß die zuvor beschriebene Bedingung erfüllt wird, daß sich nämlich die Membran bei einem bestimmten Druck, der größer als der Nenndruck jedoch kleiner als der Berstdruck ist, an der als Abstützelement dienenden Seite des Grundkörpers abstützt. In the first alternative, the design of the pressure measuring cell, in other words in the case of the base body and the membrane are in themselves two separate components advantageously the support element is formed by the base body itself, namely through the side of the base body facing the membrane. Around now to allow the membrane to be in the event of an overload on the base body or is supported on parts of the base body, the thickness of the Connection material, which is in particular a glass solder, reduced. By The reduction in the thickness of the glass solder is thus ensured that the previously described condition is met, namely that the membrane a certain pressure that is greater than the nominal pressure but less than that Bursting pressure is on the side of the base body serving as a supporting element supported.
Bei der zweiten Alternative der Ausgestaltung der Druckmeßzelle, bei der es sich also um eine monolithische Druckmeßzelle handelt, ist das Abstützelement als zusätzliches Bauteil ausgebildet, daß auf der dem Medium abgewandten Seite des Grundkörpers bzw. auf der dem Medium abgewandten Seite der Membran angeordnet ist. Bei der Realisierung der Erfindung mit einer monolithischen Druckmeßzelle wird also ein zusätzliches Bauteil als Abstützelement verwendet, wobei das Abstützelement mit dem Medium nicht in Berührung kommt, so daß das Abstützelement aus einem Material hergestellt werden kann, daß zwar eine ausreichende Härte zur Gewährleistung der Funktionen der Abstützung aufweist, jedoch nicht beständig gegenüber aggressiven Medien sein muß, mit denen die Membran in Berührung kommen kann. In the second alternative, the design of the pressure measuring cell, in which it So it is a monolithic pressure measuring cell Support element formed as an additional component that on the medium side of the base body facing away or on the side facing away from the medium Side of the membrane is arranged. In realizing the invention with A monolithic pressure measuring cell is an additional component Support element used, the support element with the medium not in Comes into contact, so that the support element is made of one material can be that a sufficient hardness to ensure the Features of the support, but not resistant to must be aggressive media with which the membrane comes into contact can.
Vorteilhafter Weise weist das Abstützelement ein insbesondere kreisringförmige Kontaktfläche auf, an der sich der Rand der Druckmeßzelle bzw. des Grundkörpers abstützt. Dadurch wird auf einfache Art und Weise gewährleistet, daß die Druckmeßzelle zumindest bei Nenndruck nicht vollflächig an dem Abstützelement anliegt, so daß es zu der gewollten Durchbiegung der Membran bei Nenndruck kommen kann. The support element advantageously has, in particular circular contact surface on which the edge of the pressure measuring cell or Base body supports. This will be done in a simple way ensures that the pressure measuring cell does not cover the entire surface, at least at nominal pressure the support element rests so that it leads to the desired deflection of the Diaphragm can come at nominal pressure.
Im einzelnen gibt es nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, den erfindungsgemäßen Drucksensor auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die Beschreibung bevorzugte Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen In detail, there are now a variety of options To design and develop the pressure sensor according to the invention. Please refer to this on the one hand to the claims subordinate to claim 1, on the other hand to the description of preferred exemplary embodiments in Connection with the drawing. Show in the drawing
Fig. 1 eine vereinfachte Darstellung einer ersten Ausführung des erfindungsgemäßen Drucksensors, im Schnitt, Fig. 1 is a simplified illustration of a first embodiment of the pressure sensor according to the invention, in section,
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung einer Druckmeßzelle gemäß der ersten Ausführung, im noch nicht montierten Zustand, Fig. 2 is a perspective view of a pressure measuring cell according to the first embodiment, in the not yet assembled state,
Fig. 3 eine weitere perspektivische Darstellung einer Druckmeßzelle gemäß der ersten Ausführung, im noch nicht montierten Zustand, Fig. 3 is another perspective view of a pressure measuring cell according to the first embodiment, in the not yet assembled state,
Fig. 4 eine Seitenansicht der Druckmeßzelle gemäß Fig. 2, im noch nicht montierten Zustand, Fig. 4 is a side view of the pressure measuring cell according to Fig. 2, in the not yet assembled state,
Fig. 5 eine vereinfachte Darstellung einer zweiten Ausführung des erfindungsgemäßen Drucksensors, im Schnitt, Fig. 5 is a simplified illustration of a second embodiment of the pressure sensor according to the invention, in section,
Fig. 6 eine perspektivische Darstellung einer Druckmeßzelle gemäß der zweiten Ausführung, im noch nicht montierten Zustand, Fig. 6 is a perspective view of a pressure measuring cell according to the second embodiment, in the not yet assembled state,
Fig. 7 eine andere perspektivische Darstellung einer Druckmeßzelle gemäß der zweiten Ausführung, im noch nicht montierten Zustand und Fig. 7 shows another perspective view of a pressure measuring cell according to the second embodiment, in the not yet assembled state and
Fig. 8 eine Seitenansicht der Druckmeßzelle gemäß den Fig. 6 und 7, im noch nicht montierten Zustand. Fig. 8 is a side view of the pressure measuring cell according to FIGS . 6 and 7, in the not yet assembled state.
Die Fig. 1 und 5 zeigen zwei verschiedene Ausführungsformen eines Drucksensors 1 mit einem Gehäuse 2 und einer Druckmeßzelle 3, wobei in den Fig. 2 bis 4 bzw. 6 bis 8 verschiedene Ausführungsformen der Druckmeßzelle 3 dargestellt sind. Bei der ersten Ausführung der Druckmeßzelle 3, die in den Fig. 1 bis 4 dargestellt ist, weist die Druckmeßzelle 3 einen Grundkörper 4 und eine separate Membran 5 auf, die jedoch im montierten Zustand der Druckmeßzelle 3 durch ein Verbindungsmaterial mit dem Grundkörper 4 verbunden ist. Die Fig. 5 bis 8 zeigen eine monolithische Druckmeßzelle 3, bei der der Grundkörper 4 und die Membran 5 einstückig ausgeführt sind. Figs. 1 and 5 show two different embodiments of a pressure sensor 1 comprising a housing 2 and a pressure measuring cell 3, being illustrated in FIGS. 2 to 4 and 6 to 8 show various embodiments of the pressure measuring cell 3. In the first embodiment of the pressure measuring cell 3 , which is shown in FIGS . 1 to 4, the pressure measuring cell 3 has a base body 4 and a separate membrane 5 , which, however, is connected to the base body 4 by a connecting material in the assembled state of the pressure measuring cell 3 , Figs. 5 to 8 show a monolithic pressure measuring cell 3, wherein the base body 4 and the membrane are executed in one piece 5.
Allen Ausführungsformen ist jedoch gemeinsam, daß die Membran 5 so in dem Drucksensor 1 angeordnet ist, daß sie mit einer Seite 6 direkt oder indirekt mit dem zu überwachenden - hier nicht dargestellten - Medium in Berührung kommt. Dadurch erfährt die Membran 5 eine dem Druck des Mediums proportionale Auslenkung, die mittels auf der anderen - dem Medium abgewandten - Seite 7 der Membran 5 angeordneter DMS-Widerstände 8 erfaßt wird und mit Hilfe einer - hier nicht dargestellten - elektronischen Schaltung in ein proportionales Ausgangsignal umgewandelt wird. Anstelle der hier nur dargestellten DMS-Widerstände 8 können auch andere elektromechanische Wandler eingesetzt werden, insbesondere Dehnmeßstreifen, wobei grundsätzlich auch eine Auswertung der Auslenkung der Membran 5 mit Hilfe eines kapazitiven Meßprinzips erfolgen kann, wobei als elektromechanischer Wandler dann mindestens zwei Elektroden verwendet werden. However, all embodiments have in common that the membrane 5 is arranged in the pressure sensor 1 in such a way that one side 6 comes into direct or indirect contact with the medium to be monitored — not shown here. As a result, the membrane 5 experiences a deflection proportional to the pressure of the medium, which is detected by means of DMS resistors 8 arranged on the other side 7 of the membrane 5 facing away from the medium and with the aid of an electronic circuit (not shown here) into a proportional output signal is converted. Instead of the strain gauge resistors 8 only shown here, other electromechanical transducers can also be used, in particular strain gauges, and in principle the deflection of the membrane 5 can also be evaluated with the aid of a capacitive measuring principle, at least two electrodes then being used as the electromechanical transducer.
Erfindungsgemäß ist nun die Dicke 9 der Membran 5 verringert und auf der dem Medium abgewandten Seite 7 der Membran 5 mindestens ein Abstützelement 10 bzw. 10' angeordnet. Bei der in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Ausführungsform der Druckmeßzelle 3 wird das Abstützelement 10 durch den Grundkörper 4 gebildet, während bei der in den Fig. 5 bis 8 dargestellten Ausführungsform der monolithischen Druckmeßzelle 3 das Abstützelement 10' ein zusätzliches Bauteil ist. According to the invention, the thickness 9 of the membrane 5 is now reduced and at least one support element 10 or 10 ′ is arranged on the side 7 of the membrane 5 facing away from the medium. In the embodiment of the pressure measuring cell 3 shown in FIGS . 1 to 4, the supporting element 10 is formed by the base body 4 , while in the embodiment of the monolithic pressure measuring cell 3 shown in FIGS . 5 to 8 the supporting element 10 'is an additional component.
Wie in Fig. 2 zu erkennen ist, weist das Abstützelement 10 und damit der Grundkörper 4 mehrere Aussparungen 11 auf, die so ausgebildet sind, daß beim Anliegen der Membran 5 an dem Abstützelement 10 bzw. an dem Grundkörper 4 die DMS-Widerstände 8 in die Aussparungen 11 eintauchen, so daß es nicht zu einer Beschädigung der DMS-Widerstände 8 bei Überdruck kommt. Neben diesen Aussparungen 11 können auch weitere - hier nicht dargestellte - Aussparungen für Leiterbahnen 12 vorgesehen sein, die auf der dem Medium abgewandten Seite 7 der Membran 5 aufgebracht sind. Solche weiteren Aussparungen sind insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Leiterbahnen 12 als Dickschicht-Leiterbahnen ausgebildet sind, die in der Regel eine Dicke von ca. 10 bis 30 µm aufweisen. Werden dagegen Gold-Resinat- Leiterbahnen verwendet, die nur eine Dicke von ca. 1 µm aufweisen, so sind die zuvor genannten zusätzlichen Aussparungen nicht erforderlich. As can be seen in FIG. 2, the support element 10 and thus the base body 4 have a plurality of cutouts 11 which are designed such that when the membrane 5 bears against the support element 10 or the base body 4, the strain gauge resistors 8 in Immerse the recesses 11 so that there is no damage to the strain gauge resistors 8 in the event of overpressure. In addition to these cutouts 11 , further cutouts for conductor tracks 12 , not shown here, can be provided, which are applied on the side 7 of the membrane 5 facing away from the medium. Such further cutouts are particularly advantageous if the conductor tracks 12 are designed as thick-film conductor tracks, which generally have a thickness of approximately 10 to 30 μm. If, on the other hand, gold resinate conductor tracks are used which only have a thickness of approx. 1 µm, the aforementioned additional cutouts are not necessary.
Wie den Fig. 1 bis 4 zu entnehmen ist, dient als Abstützelement 10 insbesondere die der Membran 5 zugewandte Seite 13 des Grundkörpers 4. Der richtige Abstand zwischen der Membran 5 und dem Abstützelement 10, d. h. der Seite 13 des Grundkörpers 4, wird durch ein Lot 14 realisiert, das darüber hinaus die feste Verbindung von Grundkörper 4 und Membran 5 gewährleistet. Als Lot 14 wird dabei insbesondere ein Glaslot verwendet, wobei das Lot 14 kreisringförmig ausgebildet ist, so daß über das Lot 14 der Rand des Grundkörpers 4 bzw. die äußere Fläche der Seite 13 des Grundkörpers 4 mit dem Rand bzw. der äußeren Fläche der Seite 7 der Membran 5 verbunden wird, während die mittlere Fläche der Membran 5, die als Meßfläche 15 dient, einen definierten Abstand zum Grundkörper 4 aufweist. Dadurch ist eine dem Druck des zu messenden Mediums proportionale Auslenkung der Membran 5 bzw. der Meßfläche 15 der Membran 5 gewährleistet. As can be seen from FIGS. 1 to 4, the side 13 of the base body 4 facing the membrane 5 serves in particular as the support element 10 . The correct distance between the membrane 5 and the support element 10 , ie the side 13 of the base body 4 , is realized by a solder 14 , which also ensures the firm connection of the base body 4 and the membrane 5 . In particular a glass solder is used as solder 14, the solder 14 is formed of a circular ring, so that through the solder 14, the edge of the base body 4 or the outer surface of the side 13 of the base 4 with the edge and the outer surface of the side 7 of the membrane 5 is connected, while the central surface of the membrane 5 , which serves as the measuring surface 15 , is at a defined distance from the base body 4 . This ensures a deflection of the membrane 5 or the measuring surface 15 of the membrane 5 which is proportional to the pressure of the medium to be measured.
Der Abstand zwischen der Membran 5 und dem Grundkörper 4 bzw. der Seite 13 des Grundkörpers 4 und damit dem Abstützelement 10 ist nun so gewählt, daß einerseits bei maximalem Nenndruck eine entsprechende Auslenkung der Membran 5 möglich ist, ohne daß die Membran 5 an dem Abstützelement 10 anlegt, andererseits es bei einem Überdruck, der geringer als der Berstdruck ist, zu einer gewollten Anlage der Membran 5 an dem Abstützelement 10 kommt. Vorteilhafterweise ist der Abstand so gewählt, daß es etwa bei dem 1,2 bis 1,5-fachen des maximalen Nenndrucks zu einem Anliegen der Membran 5 an dem Abstützelement 10 kommt. Dadurch ist gewährleistet, daß es zum einen nicht zu einer Beeinflussung der Auslenkung der Membran 5 und damit des Meßwertes des Drucksensors 1 innerhalb des Nenndruckbereichs kommt, andererseits eine so große Durchbiegung der Membran 5, die zu einer Zerstörung der Membran 5 führen würde, verhindert wird. The distance between the membrane 5 and the base body 4 or the side 13 of the base body 4 and thus the support element 10 is now selected so that, on the one hand, a corresponding deflection of the membrane 5 is possible at the maximum nominal pressure without the membrane 5 on the support element 10 applies, on the other hand, at an overpressure which is less than the bursting pressure, the membrane 5 is in intentional contact with the support element 10 . Advantageously, the distance is selected such that the membrane 5 bears against the support element 10 at approximately 1.2 to 1.5 times the maximum nominal pressure. This ensures that, on the one hand, there is no influence on the deflection of the membrane 5 and thus on the measured value of the pressure sensor 1 within the nominal pressure range, and, on the other hand, such a large deflection of the membrane 5 , which would lead to destruction of the membrane 5 , is prevented ,
Der zuvor ausführlich beschriebene Abstand zwischen der Membran 5 und dem Abstützelement 10 wird bei der Ausführungsform gemäß dem Fig. 1 bis 4 durch eine Verringerung der Dicke 16 des Lots 14 realisiert. Bei aus dem Stand der Technik bekannten Drucksensoren 1 weist das Lot 14 eine so große Dicke 16 auf, daß ein Anliegen der Membran 5 an dem Grundkörper 4 bewußt verhindert wird. Während im Stand der Technik das Lot 14 meist eine Dicke von ca. 30 bis 50 µm aufweist wird bei dem erfindungsgemäßen Drucksensor 1 die Dicke 16 des Lots 14 auf ca. 10 bis 20 µm verringert. Dadurch und durch die Verringerung der Dicke 9 der Membran 5 ist gewährleistet, daß es bei Überdruck überhaupt zu einem Anliegen der Membran 5 an dem Abstützelement 10 kommen kann. The distance between the membrane 5 and the support element 10 described in detail above is realized in the embodiment according to FIGS. 1 to 4 by reducing the thickness 16 of the solder 14 . In the case of pressure sensors 1 known from the prior art, the solder 14 has such a large thickness 16 that the diaphragm 5 is deliberately prevented from contacting the base body 4 . While in the prior art the solder 14 usually has a thickness of approximately 30 to 50 μm, the thickness 16 of the solder 14 is reduced to approximately 10 to 20 μm in the pressure sensor 1 according to the invention. This and the reduction in the thickness 9 of the membrane 5 ensure that, in the event of overpressure, the membrane 5 may come into contact with the support element 10 .
Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Drucksensors 1 beträgt die Dicke 17 des Grundkörpers 4 beispielsweise 6 mm, die Dicke 9 der Membran 5 beispielsweise 0,25 mm, die Dicke des Lots 14 ca. 0,01 mm, die Höhe 18 der DMS-Widerstände 8 ca. 0,02 mm und die Tiefe 19 der Aussparungen 11 ca. 0,4 mm. In the illustrated in Fig. 4 embodiment, the pressure sensor 1 according to the invention, the thickness 17 of the base body 4, for example 6 mm, the thickness 9 of the membrane 5, for example 0.25 mm, the thickness of the solder 14 mm about 0.01, the height 18 the DMS resistors 8 approx. 0.02 mm and the depth 19 of the recesses 11 approx. 0.4 mm.
Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Drucksensors 1 gemäß den Fig. 5 bis 8, bei dem die Druckmeßzelle 3 als monolithische Druckmeßzelle 3 ausgebildet ist, der Grundkörper 4 und die Membran 5 also einstückig ausgeführt sind, weist der Grundkörper 4 im Bereich der Membran 5 eine sacklochartige Bohrung 20 auf, durch die die Membran 5, die auf der dem Medium abgewandten Seite 21 des Grundkörpers 4 angeordnet ist, mit dem Medium in Berührung steht. Bei dieser Ausgestaltung der Druckmeßzelle 3 ist nun auf der dem Medium abgewandten Seite 21 des Grundkörpers 4 das Abstützelement 10' angeordnet, das als zusätzliches Bauteil ausgebildet ist. Damit ist gleichzeitig auch das Abstützelement 10' auf der dem Medium abgewandten Seite 7 der Membran 5 angeordnet, so daß sich die Membran 5 bei Überlast an dem Abstützelement 10' abstützen kann. In the second exemplary embodiment of the pressure sensor 1 according to the invention according to FIGS . 5 to 8, in which the pressure measuring cell 3 is designed as a monolithic pressure measuring cell 3 , the basic body 4 and the membrane 5 are thus made in one piece, the basic body 4 in the area of the membrane 5 has a Blind hole-like bore 20 through which the membrane 5 , which is arranged on the side 21 of the base body 4 facing away from the medium, is in contact with the medium. In this embodiment of the pressure measuring cell 3 , the support element 10 'is now arranged on the side 21 of the base body 4 facing away from the medium and is formed as an additional component. This means that the support element 10 'is also arranged on the side 7 of the membrane 5 facing away from the medium, so that the membrane 5 can be supported on the support element 10 ' in the event of an overload.
Der erforderliche Abstand zwischen der Membran 5 bzw. der Meßfläche 15 der Membran 5 und dem Abstützelement 10' ist hierbei zum einen dadurch realisiert, daß das Abstützelement 10' eine kreisringförmige Kontaktfläche 22 aufweist, an der sich der Rand der Druckmeßzelle 3 bzw. des Grundkörpers 4 abstützt und innerhalb dieser kreisringförmigen Kontaktfläche 22 eine großflächige Aussparung 11 vorgesehen ist, die die gewollte Durchbiegung der Membran 5 ermöglicht. Die Abstützung der Membran 5 bzw. der Meßfläche 15 der Membran 5 bei Überlast erfolgt nun durch Abstützsegmente 23, die innerhalb der Kontaktfläche 22 so angeordnet sind, daß die Abstützsegmente 23 auch bei Überlast nicht mit den DMS-Widerständen 8 oder mit Leiterbahnen 12 in Berührung kommen, so daß es nicht zu einer Zerstörung der DMS- Widerstände 8 bzw. der Leiterbahnen 12 kommen kann. The required distance between the membrane 5 or the measuring surface 15 of the membrane 5 and the support element 10 'is realized on the one hand in that the support element 10 ' has an annular contact surface 22 on which the edge of the pressure measuring cell 3 or the base body 4 supports and a large recess 11 is provided within this annular contact surface 22 , which allows the desired deflection of the membrane 5 . The membrane 5 or the measuring surface 15 of the membrane 5 is supported in the event of an overload by support segments 23 which are arranged within the contact surface 22 in such a way that the support segments 23 do not come into contact with the strain gauge resistors 8 or with conductor tracks 12 even in the event of an overload come so that there is no destruction of the strain gauge resistors 8 or the conductor tracks 12 .
Wie in den Fig. 6 und 7 zu erkennen ist, sind innerhalb der Kontaktfläche 22 des Abstützelements 10' durchgehende Bohrungen 24 vorgesehen, so daß auch in montiertem Zustand der Druckmeßzelle 3 im Gehäuse 2 des Drucksensors 1 die Seite 7 bzw. einzelne Bereiche der Seite 7 der Membran 5 von der dem Meßmedium abgewandten Seite 25 des Drucksensors 1 zugänglich sind, so daß im eingebauten Zustand der Druckmeßzelle 3 beispielsweise ein Laserabgleich an einem auf der Seite 7 der Membran 5 angebrachten Widerstand möglich ist. As can be seen in FIGS. 6 and 7, through bores 24 are provided within the contact surface 22 of the support element 10 ', so that the side 7 or individual areas of the side are also in the assembled state of the pressure measuring cell 3 in the housing 2 of the pressure sensor 1 7 of the membrane 5 are accessible from the side 25 of the pressure sensor 1 facing away from the measuring medium, so that in the installed state of the pressure measuring cell 3 it is possible, for example, to carry out a laser adjustment on a resistor attached to the side 7 of the membrane 5 .
Bei der in Fig. 8 dargestellten Ausführungsform der Druckmeßzelle 3 bzw. des Abstützelements 10' beträgt die Dicke 17 des Grundkörpers 4 ebenfalls ca. 6 mm, die Dicke 9 der Membran 5 beispielsweise 0,25 mm, die Höhe 18 der DMS-Widerstände 8 ca. 0,02 mm, die Tiefe 19 der Aussparung 11 ca. 0,2 mm und die Höhe 26 der Abstützsegmente 23 beispielsweise 0,012 mm. In the embodiment of the pressure measuring cell 3 or the support element 10 ′ shown in FIG. 8, the thickness 17 of the base body 4 is also approximately 6 mm, the thickness 9 of the membrane 5 is, for example, 0.25 mm, and the height 18 of the strain gauge resistors 8 approx. 0.02 mm, the depth 19 of the recess 11 approx. 0.2 mm and the height 26 of the support segments 23, for example 0.012 mm.
Der Grundkörper 4 und die Membran 5 bestehen vorzugsweise aus einer Keramik, insbesondere aus Aluminiumoxid, können jedoch auch aus einem Glas, einem Quarz oder einem Saphir hergestellt werden. Für das Abstützelement 10' wird vorzugsweise ein Kunststoff, insbesondere PES oder PEEK oder eine Keramik verwendet wobei das Abstützelement 10' auch als Isolierung zwischen den elektrischen Anschlüssen der Druckmeßzelle 3, beispielsweise den Leiterbahnen 12, und dem Gehäuse 2 dient. The base body 4 and the membrane 5 preferably consist of a ceramic, in particular of aluminum oxide, but can also be produced from a glass, a quartz or a sapphire. A plastic, in particular PES or PEEK or a ceramic, is preferably used for the support element 10 ', the support element 10 ' also serving as insulation between the electrical connections of the pressure measuring cell 3 , for example the conductor tracks 12 , and the housing 2 .
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