DE4211993A1 - Membraneinheit fuer einen drucksensor - Google Patents
Membraneinheit fuer einen drucksensorInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Membraneinheit für einen
Drucksensor der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.
Solche Membraneinheiten werden vorteilhaft in Drucksensoren zur
Messung des Druckes oder der mittleren Strömungsgeschwindigkeit
in Flüssigkeiten und/oder Gasen in der Heizungs-, der Lüftungs-
und der Klimatechnik verwendet.
Eine Membraneinheit der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten
Art ist aus WO 88/01 049 bekannt. Die Membraneinheit besteht aus
einem in seiner ursprünglichen Form rechtkantigen Block aus
einem Halbleitermaterial, in dem durch Abtragen von Material
eine Meßmembran ausgebildet ist, die von einem rahmenförmigen
Membranträger eingefaßt wird.
Im weiteren ist eine Membraneinheit dieser Art bekannt
(US-PS 36 18 390), welche eine metallene Meßmembran enthält, die in
ein mehrteiliges Metallgehäuse eingespannt ist, und
DE-OS 27 09 834 zeigt zwei komplementäre kugelige Schalenteilstücke
aus Quarz, Glas oder Keramik, die zu einer Kapsel verschmolzen
sind, welche unter Druck verformbar ist.
Es ist auch bekannt (DE-OS 37 34 110 A1 und US-PS 48 09 555),
Abdeckmembranen aus Kunststoff zum Schutz von Drucksensoren vor
aggressiven Druckmedien einzusetzen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine präzise und
empfindliche Membraneinheit für Drucksensoren so zu gestalten,
daß sie einzeln oder paarweise in kostengünstigen Drucksensoren
einsetzbar und mit gleichen Kenndaten in großer Stückzahl
herstellbar ist.
Die Erfindung besteht in den im Anspruch 1 angegebenen
Merkmalen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den
abhängigen Ansprüchen.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der
Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Membraneinheit,
Fig. 2 eine Variante einer Membraneinheit im
Querschnitt,
Fig. 3 eine Variante eines Membranträgers im
Querschnitt und
Fig. 4 zwei übereinander angeordnete
Membraneinheiten, welche einen Hohlraum
einschließen.
Gleiche Dezimalzahlen in den Bezugszeichen bedeuten gleiche
Teile.
In der Fig. 1 bedeutet 1 einen festen Membranträger, der ein
durchgehendes Loch 2 mit einer Zentrumsachse 3 aufweist, wobei
das Loch 2 eine erste Deckfläche 4 und eine zweite Deckfläche 5
des Membranträgers 1 durchdringt. Eine im wesentlichen parallel
zur Zentrumsachse 3 auslenkbare Meßmembran 6, die auf einer der
beiden Seiten mindestens ein Wandlerelement 7 aufweist, ist im
Loch 2 angeordnet und mit dem Membranträger 1 formschlüssig
verbunden.
Eine Variante der Membraneinheit in der Fig. 2 unterscheidet
sich von derjenigen in der Fig. 1 nur durch den Aufbau der
Meßmembran 6′, welche aus einer ersten Membranschicht 8 und aus
einer zweiten Membranschicht 9 besteht. Das Wandlerelement 7′
ist zwischen den beiden Membranschichten 8 und 9 angeordnet.
Der Membranträger 1 (Fig. 1) bzw. 1′ (Fig. 2) kann in einer in
der Fig. 3 dargestellten Variante 1′′ ausgeführt sein, in welcher
er aus einem zylindrischen Teil und einem kegelstumpfförmigen
Teil besteht, so daß sich der äußere Durchmesser da des
Membranträgers 1′′ gegen die erste Deckfläche 4′′ hin verkleinert.
Die äußere Mantelfläche des kegelstumpfförmigen Teils und die
Deckfläche 4′′ schließen einen stumpfen Winkel a ein, der mit
Vorteil 135° beträgt. Die Meßmembran 6′′ ist wenigstens
annähernd bündig mit der Deckfläche 4′′ am freien Ende des
kegelstumpfförmigen Teils. Der Durchmesser d des Lochs 2′′ nimmt
gegen die Deckfläche 4′′ hin immer mehr ab. Das Loch 2′′ weist
innerhalb des kegelstumpfförmigen Teils vorteilhaft einen
kugelzonenförmigen Raumteil mit zwei parallelen Begrenzungs
flächen unterschiedlicher Größe auf, von denen die kleinere mit
einer Seite der Meßmembran 6′′ zusammenfällt. Durch die Gestalt
des kegelstumpfförmigen Teils mit dem kugelzonenförmigen Teil
des Lochs 2′′ wird erreicht, daß die Meßmembran 6′′ mit der
ersten Deckfläche bündig und nicht zurückversetzt herstellbar
ist.
Die Fig. 4 zeigt zwei gleiche Membraneinheiten, deren
Membranträger 1a und 1b bündig übereinander angeordnet sind, so
daß ihre Zentrumsachsen 3a und 3b zusammenfallen und ein
Hohlraum 10 gebildet wird, welcher an die beiden Meßmembranen
6a und 6b grenzt. Der Hohlraum 10 ist gasdicht verschlossen oder
über einen Einlaß 11, welcher mindestens in einem der beiden
Membranträger 1a oder 1b ausgebildet ist, einem Druckmedium von
außen zugänglich.
Die Meßmembran 6 bzw. 6′ bzw. 6′′ bzw. 6a bzw. 6b besteht aus
einem Polymer. Gut geeignet ist ein als AF-Polymer bezeichnetes
Fluorpolymer, das aus einer ersten Gruppe mit einer Anzahl n
Strukturen von
und einer zweiten Gruppe mit einer
Anzahl m Strukturen von
aufgebaut ist und
folgende Strukturformel aufweist:
AF-Polymer ist beispielsweise unter der Bezeichnung Teflon
(geschützte Marke von Du Pont) AF in unterschiedlich löslichen
Varianten auf dem Markt und beispielsweise in der Schrift
"Teflon AF, Amorphous Fluoropolymer, A New Generation Of Teflon
Fluorocarbon Resins For High Performance" der Firma Du Pont und
im Fachartikel "Teflon AF, eine neue Generation von Fluor
polymeren" von Dr. Paul Korinek (cav, Juni 1990, Seite 21 bis
23) beschrieben.
Dadurch, daß die Meßmembran 6 bzw. 6′ bzw. 6′′ bzw. 6a bzw. 6b
aus einem geeigneten Polymer ist, kann zu deren Herstellung mit
Vorteil das im folgenden beschriebene Verfahren angewendet
werden.
Das Polymer wird in einem geeigneten Lösemittel derart gelöst,
daß eine blasenfreie Lösung mit einer bestimmten Konzentration
entsteht. Der eingehend entfettete Membranträger 1 bzw. 1′ bzw.
1′′ wird bis zu einer bestimmten Eintauchtiefe in die Lösung
getaucht und mit vorbestimmter Geschwindigkeit derart aus der
Lösung herausgezogen, daß das Loch 2 bzw. 2′ bzw. 2′′ durch
einen membranartigen Film, welcher mindestens eine erste Schicht
der Meßmembran 6 bzw. 6′ bzw. 6′′ ist, verschlossen wird. Die
Dicke des Films und seine mechanischen Eigenschaften sind durch
die Konzentration, die Eintauchtiefe und die Geschwindigkeit
beim Herausziehen beeinflußbar.
Die auf diese Weise hergestellte Meßmembran 6 bzw. 6′ bzw. 6′′
ist frei von Verspannungen und formschlüssig fest mit dem
Membranträger 1 bzw. 1′ bzw. 1′′ verbunden. Es werden keine
zusätzlichen Befestigungsmittel benötigt, welche die Meßmembran
6 bzw. 6′ bzw. 6′′ nachträglich verspannen könnten oder welche
die guten Elastizitätseigenschaften des Polymers am Rand der
Meßmembran 6 bzw. 6′ bzw. 6′′ verdecken würden.
Nach einem Trocknungsvorgang kann die Dicke des Films durch
weitere Schichten wiederholt vergrößert werden, indem der Film
erneut in die Lösung getaucht wird oder indem die Lösung auf den
Film aufgetropft oder aufgesprüht wird. Eine besonders glatte
Oberfläche des Films wird erreicht, wenn dieser abschließend in
eine Polymer-Lösung geringer Konzentration, oder gar in reines
Lösungsmittel getaucht wird.
Bevor das Wandlerelement 7 bzw. 7′ bzw. 7′′ angebracht wird, muß
die Meßmembran genügend getrocknet sein.
Bei der Herstellung der Meßmembran 1 bzw. 1′ bzw. 1′′ werden
gute Resultate erreicht, wenn das Polymer Teflon AF 1600 ist,
welches in einem Konzentrationsbereich von 1 bis 10 Gewichts
prozenten im umweltverträglichen (für die Ozonschicht
unschädlichen) Lösemittel Fluorinert FC-75 oder FC-77 gelöst
ist. Der Trocknungsvorgang vor dem Vergrößern der Dicke des
Films wird mit Vorteil in einer ersten Stufe bei Raumtemperatur
und in einer zweiten Stufe etwa 40 K unter dem Siedepunkt des
Lösungsmittels ausgeführt. Abschließend wird vorteilhaft in
einem Vakuumofen bei einer Temperatur zwischen 50 °C und 150 °C
und einem Druck zwischen 10 Pa und 100 Pa getrocknet.
Das Wandlerelement 7 bzw. 7′ bzw. 7′′ ist bekannterweise ein
Dehnungsmeßstreifen, ein optischer Reflektor oder eine leitende
Schicht, welche als eine der Platten eines Kondensators dient.
Ein optischer Reflektor oder eine leitende Schicht wird durch
ein bekanntes Dünnfilmverfahren, beispielsweise durch
Aufdampfen, galvanisches Abscheiden oder Sputtern von Aluminium,
Gold, einem Platinmetall oder einem anderen geeigneten Metall
angefertigt. Die Dicke der leitenden Schicht liegt mit Vorteil
im Bereich von etwa 20 nm bis 200 nm.
Die zweite Membranschicht 9 (Fig. 2) wird nach dem Anbringen des
Wandlerelements 7′ durch Tauchen in die Lösung oder durch
Aufsprühen oder Auftropfen der Lösung aufgebracht.
Wenn das Wandlerelement 7 bzw. 7′ ein Dehnungsmeßstreifen ist,
wird der Membranträger bevorzugt nach der Fig. 2 ausgeführt.
Dabei wird der Dehnungsmeßstreifen auf die erste Membran
schicht 8 gelegt und in seiner Lage durch Fixierung seiner
elektrischen Anschlüsse festgehalten, worauf die zweite
Membranschicht 9 so aufgebracht wird, daß der Dehnungs
meßstreifen zwischen den beiden Membranschichten 8 und 9 liegt.
Auf Wunsch kann der Dehnungsmeßstreifen in einer bekannten Art,
beispielsweise durch Ätzen eines fototechnisch angebrachten
Musters in eine an der ersten Membranschicht 8 bzw. auf der
Meßmembran 6 bzw. 6′′ aufgebrachten Metallschicht, direkt mit
der Membraneinheit hergestellt werden.
Die Meßmembran 6 bzw. 6′ bzw. 6′′ kann auch durch Gießen eines
flüssigen Polymers - vorteilhaft durch Gießen des flüssigen
AF-Polymers - hergestellt werden. Dabei wird mit Vorteil der
Membranträger 1 bzw. 1′ bzw. 1′′ mindestens als ein Teil der
Gießform benutzt, so daß zwischen der Meßmembran 6 bzw. 6′
bzw. 6′′ und dem Membranträger 1 bzw. 1′ bzw. 1′′ eine
formschlüssige Verbindung entsteht.
Bei der in der Fig. 1 bzw. in der Fig. 2 gezeigten Membran
einheit wird die Meßmembran 6 bzw. 6′ in einem Drucksensor auf
der einen Seite von einem ersten Druckmedium mit einem Druck p1
beaufschlagt, während auf der andern Seite der Meßmembran 6
bzw. 6′ ein Druck p2 eines zweiten Druckmediums wirkt. Eine
Druckdifferenz p1-p2 verursacht in den Meßmembranen 6 bzw. 6′
eine Kraft, welche im Wandlerelement in bekannter Art einen von
der Druckdifferenz p1-p2 abhängigen Signalhub bewirkt.
Die in der Fig. 4 gezeigte Membraneinheit ist besonders
vorteilhaft, wenn die Membranträger 1a und 1b gemäß der in der
Fig. 3 gezeigten Variante ausgebildet sind und wenn die Wandler
elemente 7a und 7b leitende Schichten sind, welche zusammen
einen Kondensator bilden, dessen Kapazität relativ hoch sein
kann, da ein Abstand der beiden leitenden Schichten durch diese
Bauweise auf Wunsch sehr klein gestaltet werden kann.
Ein erstes Druckmedium mit einem Druck p2 im Hohlraum 10
beaufschlagt die Meßmembran 6a bzw. 6b auf der einen Seite,
während auf der anderen Seite der Meßmembran 6a bzw. 6b ein
Druck p1 eines zweiten Druckmediums wirkt. Eine Druckdifferenz
p1-p2 verursacht in den Meßmembranen 6a und 6b einander
entgegengesetzte Kräfte, welche die Meßmembranen 6a und 6b
gegengleich aus lenken und dadurch beim Kondensator eine große
Kapazitätsänderung und damit einen von der Druckdifferenz p1-p2
abhängigen großen Signalhub bewirken.
Die äußere Form des Membranträger 1 bzw. 1′ bzw. 1′′ bzw. 1a
bzw. 1b ist, ohne dessen Funktion zu beeinträchtigen, in weiten
Grenzen an die besonderen Erfordernisse anpaßbar, welche sich
beispielsweise durch Einbaumittel eines Gehäuses ergeben. Gut
anpaßbar ist die Deckfläche 5 bzw. 5′ bzw. 5′′ bzw. 5a bzw. 5b.
Je nach den gewünschten Eigenschaften ist der Membranträger 1
bzw. 1′ bzw. 1′′ bzw. 1a bzw. 1b aus einem Metall oder aus einem
Kunststoff.
Die beschriebene Membraneinheit läßt sich einzeln oder auch
paarweise in unterschiedlich gestaltbaren Drucksensoren bei
verschiedenen Wandlerprinzipien einsetzen. Durch die Wahl eines
geeigneten Polymers für die Meßmembran 6 bzw. 6′ bzw. 6′′ bzw.
6a bzw. 6b ist diese in vielen Druckmedien korrosionssicher
einsetzbar. Im weiteren ist das Wandlerelement 7′ zwischen den
beiden Membranschichten 8 und 9 gegenüber dem Druckmedium
elektrisch isoliert und korrosionssicher angeordnet. Der
Membranträger 1 bzw. 1′ bzw. 1′′ bzw. 1a bzw. 1b ist mit
bekannten Verfahren wie beispielsweise Stanzen oder Prägen in
großer Stückzahl kostengünstig herstellbar.
Es ist vorteilhaft auf einem Blechstreifen eine größere Anzahl
a Löcher 2 bzw. 2′ bzw. 2′′ bzw. 2a bzw. 2b auszubilden, in
mindestens einem Tauchvorgang oder durch Gießen die Anzahl a
Meßmembranen 6 bzw. 6′ bzw. 6′′ bzw. 6a bzw. 6b gemeinsam in der
beschriebenen Art auszubilden, die Wandlerelemente 7 bzw. 7′
bzw. 7a bzw. 7b anzuordnen und abschließend die Anzahl a
Membraneinheiten auszustanzen. Werden die Membraneinheiten
paarweise (Fig. 4) für einen kapazitiven Drucksensor eingesetzt,
so wird die mittlere Kapazität durch die Dicke des Blech
streifens bestimmt.
Claims (9)
1. Membraneinheit für einen Drucksensor, mit einer Meßmembran
(6; 6′; 6′′), die mit einem elektrischen Wandlerelement (7; 7′;
7′′) versehen ist, und mit einem Membranträger (1; 1′; 1′′), der
ein durchgehendes Loch (2; 2′; 2′′) aufweist, dadurch
gekennzeichnet, daß die Meßmembran (6; 6′; 6′′) aus einem
Polymer besteht, im Loch (2; 2′; 2′′) des Membranträgers (1; 1′;
1′′) aufgespannt ist und mit diesem ohne zusätzliche
Befestigungsmittel fest verbunden ist.
2. Membraneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Meßmembran (6; 6′; 6′′) aus AF-Polymer ist.
3. Membraneinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß das Wandlerelement (7; 7′; 7′′) an einer
Seite an die Meßmembran (6; 6′; 6′′) angebracht ist.
4. Membraneinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Meßmembran (6′) aus zwei Membran
schichten (8; 9) besteht und das Wandlerelement (7′) zwischen
den beiden Membranschichten (8; 9) angeordnet ist.
5. Membraneinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß das Wandlerelement (7; 7′; 7′′) ein
Dehnungsmeßstreifen ist.
6. Membraneinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß das Wandlerelement (7; 7′; 7′′) eine
elektrisch leitende Schicht ist.
7. Membraneinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Meßmembran (6; 6′; 6′′) wenigstens
annähernd bündig in eine erste von zwei vom Loch (2; 2′; 2′′)
durchstoßenen Deckflächen (4; 4′; 4′′; 5; 5′; 5′′) des Membran
trägers (1; 1′; 1′′) übergeht und daß sich der Durchmesser des
Lochs (2; 2′; 2′′) und der äußere Durchmesser des Membran
trägers (1; 1′; 1′′) gegen die erste Deckfläche (4; 4′; 4′′) hin
verkleinern.
8. Verfahren zur Herstellung einer Membraneinheit nach einem der
Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Membran
träger (1; 1′; 1′′) in flüssiges Polymer getaucht und mit
vorbestimmter Geschwindigkeit derart wieder herausgezogen wird,
daß sich die Meßmembran (6; 6′; 6′′) ausbildet.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die
Dicke der Meßmembran (6; 6′; 6′′) durch mehrmaliges Tauchen in
flüssiges Polymer vergrößert wird.
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| DE3817560A1 (de) * | 1988-05-24 | 1989-11-30 | Braeutigam Hans Juergen Dr Ing | Verfahren zur herstellung von rohrmembranen aus silikonkautschuk mit einer mechanischen wandverstaerkung, ausbildung von rohrmembranen mit einer mechanischen wandverstaerkung und anwendung dieser rohrmembranen |
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1992
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| DE10114665A1 (de) * | 2001-03-23 | 2002-09-26 | Bernhard Trier | Drucksensor mit Membran |
| DE10114666A1 (de) * | 2001-03-23 | 2002-09-26 | Bernhard Trier | Differenzdrucksensor |
| DE10252023B3 (de) * | 2002-11-06 | 2004-07-15 | Metallux Gmbh | Drucksensor |
| US7162925B2 (en) | 2002-11-06 | 2007-01-16 | Metallux Ag | Pressure sensor with monolithic body and circuit-bearing membrane attached thereto |
| DE102007011472A1 (de) | 2007-03-07 | 2008-09-11 | Metallux Ag | Drucksensitive Membran für einen elektronischen Sensor |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CH683034A5 (de) | 1993-12-31 |
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