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Die vorliegende Erfindung betrifft
einen Drucksensor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs
1.
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Drucksensoren kommen in vielen Bereichen der
Technik, insbesondere bei der Verfahrenstechnik, zur Anwendung,
um in flüssigen
oder gasförmigen Fluiden
Drücke
zu messen.
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Aus dem Datenblatt „Drucksensor
der Serie PD 1000/2000" der
Firma Metallux ist ein Drucksensor bekannt, der einen Monolithkörper mit
einem kreisringförmigen
Tragkörper
und einer Membran umfasst. Auf die Membran ist mittels Dickschichttechnik
im Siebdruckverfahren eine Brückenschaltung aus
Dehnmeßstreifen
aufgedruckt. Die Dehnmeßstreifen
sind dabei aus einer ausgehärteten,
leitfähigen
Hochtemperaturpaste hergestellt. Eine derartige Hochtemperaturpaste
enthält
in der Regel Edelmetalle und ist vergleichsweise teuer. Der Monolithkörper des
bekannten Drucksensors besteht aus Keramik, so dass die Herstellungskosten
der Monolithkörper
vergleichsweise hoch sind. Dies hat zur Folge, dass das Anwendungsspektrum
der Drucksensoren reduziert ist, da für eine Vielzahl von Anwendungen nur
vergleichsweise preiswerte Drucksensoren wirtschaftlich sinnvoll
sind.
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Üblicherweise
erfolgt der Einbau eines solchen Drucksensors in ein Gehäuse, das
z.B. aus Stahl, jedenfalls nicht aus Keramik, besteht, so dass unterschiedliche
Temperaturkoeffizienten vorliegen. Um Verspannungen der Membran
aufgrund von Wärmedehnungseffekten
zu vermeiden, kann daher eine aufwändige Lagerung des Drucksensors
im jeweiligen Gehäuse
erforderlich 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 hinsichtlich der
Membrandicke ergeben, wodurch die Gesamtempfindlichkeit der Drucksensoren
starken Streuungen unterworfen 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.
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Ein Drucksensor der eingangs genannten
Art ist beispielsweise aus der
DE 38 77 170 T2 bekannt und besitzt einen
Monolithkörper,
der einen Tragkörper
und eine Membran umfasst. Auf die Membran ist eine Schaltung zur
Druckermittlung aufgedruckt, wobei Schaltungskomponenten aus einer
aushärtenden Polymerpaste
hergestellt sind. Der Monolithkörper selbst
be steht aus einem Kunststoff. Desweiteren besitzt der Drucksensor
elektrische Anschlüsse,
die als Einsatz- oder Einlegeteile ausgestaltet und in den Monolithkörper eingebettet
sind. Dabei überlappen Abschnitte
der Einlegeteile die Membran, wodurch sich eine Bewegungskopplung
ergibt.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit
dem Problem, für
einen Drucksensor der eingangs genannten Art eine verbesserte Ausführungsform
anzugeben, die insbesondere preiswert herstellbar ist.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch
den Gegenstand des unabhängigen
Anspruchs gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen
sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken,
den Monolithkörper
aus Kunststoff und die Schaltungskomponenten aus einer Polymerpaste herzustellen.
Die serienmäßige Herstellung
eines Kunststoffmonolithen ist sehr preiswert realisierbar. Die
Erfindung nutzt dabei die Erkenntnis, dass es für eine Vielzahl von Anwendungen
nicht auf eine hohe Temperaturbeständigkeit des Drucksensors ankommt.
Bei vergleichsweise niedrigen Prozesstemperaturen können daher
Monolithkörper
auf einem entsprechenden Hochtemperaturkunststoff hinreichende Standzeiten
realisieren. Die Verwendung einer Polymerpaste zur Ausbildung der
Schaltungskomponenten, insbesondere der Dehnmeßstreifen, ermöglicht das
Aushärten
der aufgedruckten Schaltung bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen,
jedenfalls bei Temperaturen, denen der Hochtemperaturkunststoff
des Monolithkörpers
standhält.
Zweckmäßig wird
als Polymerpaste daher eine Niedertemperaturpaste verwendet. Darüber hinaus
kann eine Polymerpaste ohne oder mit vergleichsweise wenig Edelmetallanteil
verwendet werden, wodurch auch hier ein Preisvorteil erzielbar ist.
Die Erfindung stellt somit für
Niedertemperaturanwendungen einen extrem preiswert herstellbaren
Drucksensor zur Verfügung.
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Des weiteren kann durch eine entsprechende
Formgebung die Kunststoffmembran vergleichsweise weich gestaltet
werden, so dass sich bei einer kleinen Geometrie sehr große Empfindlichkeiten
zur Messung kleiner Drücke
erzielen lassen. Außerdem können Formtoleranzen
durch die Auswahl eines geeigneten Herstellungsverfahrens reduziert
werden, so dass Schwankungen der Gesamtempfindlichkeit des jeweiligen
Drucksensors vergleichsweise klein sind. Kleine Herstellungstoleranzen
ergeben sich insbesondere dann, wenn zur Herstellung des Monolithkörpers ein
Spritzgußverfahren
angewandt wird.
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Mit Hilfe eines beim erfindungsgemäßen Drucksensor
verwendeten Einsatz- oder Einlegeelements, das mit der Membran bewegungsgekoppelt ist,
kann die Elastizität
der Membran gezielt beeinflusst werden. Insbesondere ist es dadurch
möglich, das
Dehnungsverhalten der Membran gezielt im Hinblick auf eine gewünschte Empfindlichkeit
und/oder Anwendungsform des Drucksensors auszulegen.
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Erfindungsgemäß ist dieses Einsatz- oder Einlegeelement
durch einen ein- oder mehrteiligen Membrankern oder durch eine Vakuumdose
gebildet, der bzw. die in der Membran angeordnet und vom Kunststoff
des Monolithkörpers
vollständig
umhüllt ist.
Bei dieser Bauweise kann der Membrankern 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 Membrankern auch solche
Materialien, insbesondere Metalle, verwendet werden, die sich einerseits
nicht zum Bedrucken mit der Schaltung eignen und/oder die bestimmten
Medien, in denen der Druck gemessen werden soll, nicht ungeschützt ausgesetzt
werden können, da
sonst beispielsweise eine Korrosionsgefahr besteht. Durch die Integration
eines solchen Membrankerns in das Innere der Membran kann durch
ein entsprechendes Design des Membrankerns besonders einfach die
Federungscharakteristik der Membran gezielt beeinflusst bzw. modelliert
werden.
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Bei der alternativen Ausführung, bei
welcher das Einsatz- oder
Einlegeelement durch die Vakuumdose gebildet ist, erfolgt der Einbau
der Vakuumdose in die Membran ebenfalls zweckmäßig bereits während der
Herstellung des Monolithkörpers.
Die Kopplung der Membran mit einer Vakuumdose ermöglicht die
Ausbildung des Drucksensors als Absolutdrucksensor. Von besonderem
Vorteil ist dabei, dass derartige Vaku umdosen vergleichsweise preiswert
herstellbar sind und das darin eingebrachte Vakuum hinreichend lange
aufrechterhalten. Durch die dichte Umhüllung 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.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung
besitzt der Drucksensor elektrische Anschlüsse, die als Einsatz- oder
Einlegeteile 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.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile
der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und
aus der zugehörigen
Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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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.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung
sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert,
wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder funktional gleiche
oder ähnliche
Bauteile beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch,
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1 einen
Längsschnitt
durch einen Drucksensor bei einer ersten Ausführungsform,
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2 eine
Draufsicht auf den Drucksensor gemäß 1,
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3 einen
Längsschnitt
wie in 1, jedoch bei
einer zweiten Ausführungsform,
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4 eine
Draufsicht wie in 2,
jedoch bei der Ausführungsform
gemäß 3,
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5 eine
Draufsicht auf einen Membrankern,
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6 eine
Draufsicht wie in 5,
jedoch bei einer anderen Ausführungsform,
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7 einen
Längsschnitt
wie in 1, jedoch bei
einer dritten Ausführungsform,
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8 eine
Draufsicht wie in 2,
jedoch bei der Ausführungsform
gemäß 7.
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Entsprechend den 1 bis 8 weist
ein erfindungsgemäßer Drucksensor 1 einen
Monolithkörper 2 auf,
der erfindungsgemäß aus einem
Kunststoff, insbesondere aus einem Thermoplast-Kunststoff, vorzugsweise
aus einem Hochtemperaturkunststoff, hergestellt ist. Der Monolithkörper 2 umfasst
einen Tragkörper 3 sowie
eine einstückig
daran ausgebildete Membran 4.
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Der Tragkörper 3 ist hier als
geschlossener Kreisring ausgebildet; ebenso sind andere, insbesondere
eckige, Ringgeometrien möglich.
An einem axialen Ende des Tragkörpers 3 ist die
Membran 4 ausgebildet. Hierdurch ist eine von einem Inneren 5 des Tragkörpers 3 abgewandte
Oberseite 6 der Membran 4 besonders gut zum Aufdrucken
einer hier nicht dargestellten Brückenschaltung aus Dehnmeßstreifen geeignet.
Erfindungsgemäß wird für die Herstellung der
Dehnmeßstreifen
eine aushärtbare
und leitfähige Polymerpaste
verwendet, die insbesondere ohne bzw. arm an Edelmetallen ist. Die
Brückenschaltung wird
zweckmäßig im Rahmen
der sogenannten Dickschichttechnik im Siebdruckverfahren auf die
Oberseite 6 der Membran 4 aufgedruckt. Gleichzeitig
kann die aufgedruckte Schaltung ein Temperaturkompensationsnetzwerk
umfassen. Üblicherweise
umfasst eine solche Brückenschaltung
vier Dehnmeßstreifen, von
denen zwei in Zugzonen und zwei in Druckzonen der Membran 4 angeordnet
sind. Die für
die Ausbildung der Dehnmeßstreifen
oder anderer Komponenten, z.B. Widerstände, der Schaltung verwendete
Polymerpaste ist zweckmäßig eine
Niedertemperaturpaste.
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Der Monolithkörper 2 weist elektrische
Anschlüsse 7 auf,
an denen z.B. die von der aufgedruckten Schaltung erzeugten Signale
abgreifbar sind. Des Weiteren können
andere Anschlüsse
beispielsweise dazu dienen, integrierte Schaltungen mit dem Drucksensor 1 zu
verbinden. Die Anschlüsse
bilden dann sogenannte „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 definierten integrierten
Schaltkreis repräsentiert.
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Vorzugsweise ist der Monolithkörper 2 als Spritzgußbauteil
ausgebildet, wodurch es besonders einfach möglich ist, die Anschlüsse 7 durch
Umgießen
bzw. Umspritzen mit dem Kunststoff in den Monolithkörper 2 einzubetten.
Hierdurch werden die Anschlüsse 7 bereits
bei der Herstellung des Monolithkörpers 2 in diesen
integriert.
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Der Tragkörper 3 ist bei der
hier gezeigten Ausführungsform
an seinem von der Membran 4 abgewandten anderen Ende mit
einer ringförmigen
Aufnahmenut 8 ausgestattet, in die eine Dichtung 9,
hier ein O-Ring, einlegbar ist. Je nach Montagesituation kann die
Dichtung 9 dabei radial und/oder axial dichten.
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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
Schweißvorsprung 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 eignet sich hierzu ein Ultraschallschweißvorgang.
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Die Membran 4 kann hinsichtlich
ihrer Dicke und/oder Form gezielt so gestaltet werden, dass sich eine
erwünschte
Federelastizität
ergibt. Die Federelastizität
der Membran 4 bestimmt die Empfindlichkeit des Drucksensors 1 sowie
den Druckbereich, in dem der Drucksensor 1 verwendbar ist.
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Zweckmäßigerweise wird die Membran 4 an einer
dem Inneren 5 zugewandten Unterseite 12 mit dem
Medium beaufschlagt, dessen Druck mit Hilfe des Drucksensors 1 gemessen
werden soll. D.h., die aufgedruckte Schaltung hat üblicherweise
keinen Kontakt mit dem zu messenden Medium.
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Entsprechend den 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 oder mehrteilig ausgestaltet sein.
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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.
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Bei den hier gezeigten Ausführungsformen ist
das Einsatz- oder
Einlegeelement 11 jeweils im Tragkörper 3 fest verankert.
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
Federungscharakteristik besitzt.
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Bei der Ausführungsform gemäß den 3 bis 6 ist das Einsatz- oder Einlegeelement 11 durch einen
Membrankern 13 gebildet. Der Membrankern 13 ist
in der Membran 4 angeordnet, derart, dass der Kunststoff
des Monolithkörpers 2 den
Membrankern 13 vollständig
umhüllt.
Durch diese Bauweise ist der Membrankern 13 nicht dem zu
messenden Medium ausgesetzt, sondern durch den Kunststoff des Monolithkörpers 2 geschützt. Darüber hinaus
ist der Kunststoff des Monolithkörpers 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. Grundsätzlich 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 Membrankern 13 die Federungscharakteristik der (resultierenden)
Membran 4 des Drucksensors 1.
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Entsprechend 5 kann der Membrankern 13 durch
eine volle Scheibe gebildet sein. Durch die Auswahl des Werkstoffs
sowie der Wandstärke
kann die Federungscharakteristik der Membran 4 bestimmt
werden.
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Grundsätzlich kann für den Membrankern 13 jede
beliebige, geeignete Form oder Gestalt verwendet werden, um die
Federcharakteristik der Membran 4 gezielt zu modellieren.
Beispielhaft ist in 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 dabei nicht, um eine
höhere
Beweglichkeit zu besitzen.
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Durch die exemplarisch genannten
Varianten der 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 modelliert werden können,
indem der Membrankern 13 bzw. das Einsatz- oder Einlegeelement 11 hinsichtlich
wenigstens eines der folgenden Kriterien speziell ausgelegt wird:
Form, Material, Elastizität
und Dimensionierung.
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Der Monolithkörper 2 besitzt hier
im Bereich seines Tragkörpers 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 jeweilige Relativlage des im Übrigen rotationssymmetrischen
Monolithkörpers 2 maschinell
erkennbar bzw. einstellbar ist.
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Wie aus den 4 bis 6 hervorgeht,
kann auch der Membrankern 13 zweckmäßig mit einer Indexierung 17 in
Form einer Aussparung ausgestattet sein.
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Die Ausführungsformen der 1 bis 6 zeigen einen Drucksensor 1,
der als Differenzdrucksensor verwendbar ist. Das bedeutet, dass
der Drucksensor 1 immer nur eine Druckdifferenz zwischen
der Oberseite 6 und der Unterseite 12 der Membran 4 feststellen
kann. In entsprechender Weise muss dann auch der Einbau des Drucksensors 1 erfolgen.
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Im Unterschied dazu zeigen die 7 und 8 eine Ausführungsform, bei welcher der
Drucksensor 1 als Absolutdrucksensor 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 mittels Laserschweißen, von
zwei Halbschalen unter Vakuum hergestellt werden.
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Wenn nun der Drucksensor 1 gemäß 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 zwischen dem an Oberseite 6 und Unterseite 12 anliegenden Druck
und dem Vakuum der Vakuumdose 18, also in Abhängigkeit
des Absolutdrucks.
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Auch die Vakuumdose 18 ist
zweckmäßig so in
die Membran 4 integriert, dass sie vollständig vom Kunststoff
des Monolithkörpers 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.
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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.
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Auf die Membran 4 ist eine
hier nicht gezeigte Schaltung mittels Dickschichttechnik, z.B. im
Siebdruckverfahren, aufgedruckt, die zur Ermittlung des an der Membran 4 angreifenden
Drucks geeignet ist. Einzelne Komponenten der Schaltung werden dabei aus
einer aushärtbaren
Paste aufgetragen, die in einem nachfolgenden Arbeitsschritt ausgehärtet wird. Erfindungsgemäß handelt
es sich hierbei um eine Polymerpaste. Zweckmäßig handelt es sich bei der Schaltung
um eine Brückenschaltung
aus Dehnmeßstreifen,
die aus der genannten Polymerpaste hergestellt sind.
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Insbesondere dann, wenn der Monolithkörper 2 als
Spritzgußbauteil
ausgebildet ist, kann die Integration des Membrankerns 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.