DE19844808C1 - Membrane pressure sensor has coupling elements between membrane and deformable element and between membrane frame and deformable element provided by support profiles of material with same expansion coefficient - Google Patents
Membrane pressure sensor has coupling elements between membrane and deformable element and between membrane frame and deformable element provided by support profiles of material with same expansion coefficientInfo
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drucksensor vorrichtung mit einer Membrane, welche in einem Rahmen ein gefaßt ist und durch Anlegen von Druck in einer zur Membra ne senkrecht verlaufenden ersten Richtung auslenkbar ist, einem in einer zur Membrane parallel verlaufenden zweiten Richtung angebrachten, durch die Auslenkung der Membrane verformbaren Element, das mit der Membrane über ein erstes Verbindungselement und mit dem Rahmen über ein zweites Ver bindungselement verbunden ist, und einer mit dem verformba ren Element verbundenen Verformungserfassungseinrichtung zum Erfassen der Verformung des verformbaren Elements, wo bei das erste Verbindungselement in der ersten Richtung starr ausgebildet ist und in der zweiten Richtung flexibel ist und wobei das zweite Verbindungselement in der ersten Richtung und in der zweiten Richtung starr ausgebildet ist.The present invention relates to a pressure sensor device with a membrane, which in a frame is composed and by applying pressure in one to the Membra ne perpendicular first direction can be deflected, one in a second one running parallel to the membrane Direction, due to the deflection of the membrane deformable element that connects with the membrane over a first Connection element and with the frame via a second Ver Binding element is connected, and one with the deformable Ren element connected deformation detection device for detecting the deformation of the deformable element where at the first connecting element in the first direction is rigid and flexible in the second direction is and wherein the second connecting element in the first Direction and in the second direction is rigid.
Obwohl auf beliebige Drucksensorvorrichtungen anwendbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrundelie gende Problematik in bezug auf solche Drucksensorvorrich tungen erläutert, welche eine Membrane aus Stahl und ein verformbares Element in Form eines Siliziumbrückenelements auf weisen.Although applicable to any pressure sensor device, the present invention and the basis thereof problems in relation to such a pressure sensor device which explains a membrane made of steel and a deformable element in the form of a silicon bridge element point.
Aus der US 4 800 758 ist bereits ein Drucksensor bekannt bei dem spannungverringernde Einschnitte im Material des Drucksensors vorgesehen sind.A pressure sensor is already known from US Pat. No. 4,800,758 stress-reducing incisions in the material of the pressure sensor are provided.
Aus der DE 39 32 618 A1 ist bereits ein Drucksensor bekannt, bei dem durch eine bereichsweise abgedünnte Aufhängung einer Druck membran das Auftreten von mechanischen Spannungen in der Membran verringert wird. A pressure sensor is already known from DE 39 32 618 A1, at due to a thinned down suspension of a print membrane the occurrence of mechanical stresses in the membrane is reduced.
Allgemein ist aus der DE 40 28 376 bereits ein Drucksensor bekannt, welcher eine metallische Membrane und ein darauf angeordnetes Dehnungsmeßelement aufweist.In general, a pressure sensor is already known from DE 40 28 376 known, which is a metallic membrane and one on it arranged strain gauge.
Aus der US-A-4,141,253 ist ein druckübertragender Kragbal ken mit einem damit verbundenen Druckwandler bekannt, wobei eine Verbindung mittels eines elastischen Elements in Form einer Feder oder eines Drahts zwischen dem einen Kragbalke nende und einer durch Druck auslenkbaren Membran vorgesehen ist. Das andere Kragbalkenende ist direkt auf der Membrane angebracht.From US-A-4,141,253 is a pressure transmitting Kragbal ken known with an associated pressure transducer, wherein a connection by means of an elastic element in the form a spring or a wire between the one cantilever nende and a pressure deflectable membrane provided is. The other end of the cantilever is directly on the membrane appropriate.
Die WO 97/39320 offenbart die eingangs genannte Drucksen sorvorrichtung mit einer metallische Membrane und einem Dehnungsmeßelement in Form eines Siliziumbrückenelements mit darin eingebrachten piezoresistiven Widerstandselemen ten als Verformungserfassungseinrichtung.WO 97/39320 discloses the pressure sensors mentioned at the outset sensor device with a metallic membrane and a Strain measuring element in the form of a silicon bridge element with piezoresistive resistance elements incorporated into it ten as a deformation detection device.
Fig. 5 zeigt eine schematische Breitseitenansicht einer be kannten Drucksensorvorrichtung. Fig. 5 shows a schematic broad side view of a known pressure sensor device.
Die bekannte Drucksensorvorrichtung hat eine metallische Membrane 1, welche in einem starren Rahmen 3 eingefaßt ist. Durch Anlegen von Druck P in einer Druckzuführung 7 ist die Membrane 1 in einer zur Membrane 1 senkrecht verlaufenden ersten Richtung z auslenkbar. Der Rahmen weist zweckmäßi gerweise ein Gewinde 6 auf, über das er fest an einer Druckleitung montierbar ist.The known pressure sensor device has a metallic membrane 1 , which is enclosed in a rigid frame 3 . By applying pressure P in a pressure feed 7 , the membrane 1 can be deflected in a first direction z, which is perpendicular to the membrane 1 . The frame expediently has a thread 6 , via which it can be securely mounted on a pressure line.
Die Membrane 1 ist mit einem in einer zur Membrane 1 paral lel verlaufenden zweiten Richtung y angebrachten, durch die Auslenkung der Membrane 1 verformbaren Element 2 in Form eines Siliziumbrückenelements mit einem Brückenbe reich 20 über ein erstes Verbindungselement 101' verbunden. Der Rahmen 3 ist über ein zweites Verbindungselement 102' mit dem verformbaren Element 2 verbunden. Als Ver bindungstechniken für die Verbindung der Verbindungselemen te 101', 102' zum Metall des Rahmens bzw. der Membran wer den Schweißen, Löten oder Kleben angegeben. Als Verbin dungstechniken für die Verbindung der Verbindungselemente 101', 102' zum verformbaren Element 2 wird Glaslot 103 an gegeben.The diaphragm 1 is connected to a second in a paral lel extending to the diaphragm 1 in the direction y attached, deformable by the deflection of the diaphragm 1 element 2 in the form of a silicon bridge element with a Brückenbe rich 20 via a first connecting element 101 '. The frame 3 is connected to the deformable element 2 via a second connecting element 102 ′. As connection techniques for the connection of the connecting elements 101 ', 102 ' to the metal of the frame or the membrane who specified the welding, soldering or gluing. As soldering techniques for the connection of the connecting elements 101 ', 102 ' to the deformable element 2 , glass solder 103 is given.
Auf dem verformbaren Element 2 ist eine Verformungserfas sungseinrichtung 11 in Form piezoresistiver Widerstandsele mente 11 zum Erfassen der Verformung des verformbaren Ele ments 2 vorgesehen. Die piezoresistiver Widerstandselemente 11 sind mit einer nicht gezeigten, auf dem Rahmen 3 vorge sehenen Auswerteelektronik verbunden.On the deformable element 2 , a deformation detection device 11 in the form of piezoresistive resistance elements 11 for detecting the deformation of the deformable element 2 is provided. The piezoresistive resistance elements 11 are connected to an evaluation electronics, not shown, provided on the frame 3 .
Insbesondere lehrt die WO 97/39320, als erstes Verbindungs element 101' eine in der z-Auslenkungsrichtung der Membran starre und in der dazu senkrechten y-Richtung flexible Stütze und als zweites Verbindungselement 102' einen star ren Sockel, jeweils aus Eisen-Nickel-Metall, vorzusehen. In particular, WO 97/39320 teaches, as a first connecting element 101 'support in the z-direction of deflection of the diaphragm rigid and flexible in the perpendicular y-direction and as a second connecting member 102' has a star ren base, each consisting of iron-nickel Metal to be provided.
Als nachteilhaft bei den obigen bekannten Ansätzen hat sich die Tatsache herausgestellt, daß die von unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Membrane (thermischer Ausdehnungskoeffizient von Stahl αStahl ≈ 10 ppm/K), etwaigen Verbindungselementen (thermischer Ausdeh nungskoeffizient von Nickel-Eisen-Metall αNi-Fe ≈ 6 ppm/K) und dem verformbaren Element (thermischer Ausdehnungskoef fizient von Silizium αSi = 2,5 ppm/K) herrührenden Längen änderungen wegen der resultierenden Verformungen einen stö renden Einfluß auf die Druckermittlung ausüben. Auch ist die Abhängigkeit der thermischen Ausdehnungskoeffizienten von der Temperatur stark nicht-linear.The fact that the different thermal expansion coefficients of membranes (thermal expansion coefficient of steel α steel ≈ 10 ppm / K), any connecting elements (thermal expansion coefficient of nickel-iron-metal α Ni) Fe ≈ 6 ppm / K) and the deformable element (thermal expansion coefficient of silicon α Si = 2.5 ppm / K) resulting from changes in length due to the resulting deformations have a disruptive influence on the pressure determination. The dependence of the thermal expansion coefficient on the temperature is also strongly non-linear.
Auch der Ansatz gemäß der WO 97/39320 kann dieses Problem nicht zufriedentsellend lösen, weil die geometrische Form der Stütze nicht an die geometrische Form des Sockels ange paßt ist.The approach according to WO 97/39320 can also solve this problem not solve satisfactorily because of the geometric shape the support does not conform to the geometric shape of the base fits.
Die erfindungsgemäße Drucksensorvorrichtung mit den Merkma len des Anspruchs 1 weist gegenüber den bekannten Lösungs ansätzen den Vorteil auf, daß ihr Aufbau eine optimale An passung zwischen der Membrane und dem verformbaren Element vorsieht, so daß die unterschiedlichen thermischen Ausdeh nungskoeffizienten keine Auswirkung mehr auf das Signal ha ben. The pressure sensor device according to the invention with the Merkma len of claim 1 points over the known solutions approach the advantage that their structure is optimal fit between the membrane and the deformable element provides so that the different thermal expansion coefficient no longer has an effect on the signal ha ben.
Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee be steht darin, daß die beiden Verbindungselemente aufeinander abgestimmt sind, nämlich das erste und das zweite Verbin dungselement ein erstes und ein zweites Stützprofil aus ei nem Material gleicher thermischer Ausdehnung mit einer we sentlich größeren Höhe und Breite als Dicke aufweisen, wel che jeweils nur in der Dickenrichtung flexibel sind.The idea underlying the present invention be is that the two connecting elements on top of each other are coordinated, namely the first and the second verb a first and a second support profile made of egg nem material of the same thermal expansion with a we have considerably greater height and width than thickness, wel che are only flexible in the thickness direction.
In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbil dungen und Verbesserungen der in Anspruch 1 angegebenen Drucksensorvorrichtung.Advantageous further developments can be found in the subclaims Developments and improvements to those specified in claim 1 Pressure sensor device.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist die geometrische Form des zweiten Stützprofils aus einem einzelnen oder meh reren aneinandergesetzten ersten Stützprofilen gebildet. Damit läßt sich eine hochsymmetrische Anordnung erzielen.According to a preferred development, the geometric Shape of the second support profile from a single or meh reren formed first support profiles. A highly symmetrical arrangement can thus be achieved.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung sind das eine oder die mehreren die geometrische Form des zweiten Stützprofils bildenden ersten Stützprofile um 90° zum die erste Verbin dungseinrichtung bildenden ersten Stützprofil verdreht. So läßt sich leicht realisieren, daß das erste Verbindungsele ment in der zweiten bzw. y-Richtung flexibel ist, das zwei te Verbindungselement aber nicht, da die Biegerichtungen (Dickenrichtungen) gegeneinander verdreht sind.According to a preferred development, these are one or the other the several the geometric shape of the second support profile forming first support profiles by 90 ° to the first connection tion device forming first support profile rotated. So can be easily realized that the first Verbindungsele ment in the second or y direction is flexible, the two te connecting element but not because of the bending directions (Thickness directions) are twisted against each other.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist das erste Verbindungselement ein z-förmiges erstes Stützprofil auf, weist das zweite Verbindungselement ein zur Membrane hin offenes u-förmiges zweites Stützprofil auf und weist das u-förmige Stützprofil im wesentlichen die geometrische Form zweier symmetrisch aneinandergesetzter z-förmiger Stützprofile auf. Durch diese Ausgestaltung wird die Anbin dung am Rahmen verstärkt und eine Stabilität in der dritten bzw. z-Richtung sowie eine Flexibilität in der zweiten bzw. y-Richtung vermittelt.According to a further preferred development, the first connecting element a z-shaped first support profile , the second connecting element has a membrane open U-shaped second support profile and has the u-shaped support profile essentially the geometric Shape of two symmetrical z-shaped Support profiles. With this configuration, the ban reinforcement on the frame and stability in the third or z-direction and flexibility in the second or mediated y direction.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist das u- förmige Stützprofil einteilig. Mit anderen Worten gibt es nur eine imaginäre Symmetrielinie, durch die das u- Stützprofil in zwei identische z-Stützprofile aufteilbar ist.According to a further preferred development, the u- shaped support profile in one piece. In other words, there is just an imaginary line of symmetry through which the u- Support profile can be divided into two identical z-support profiles is.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind das er ste Verbindungselement und das zweite Verbindungselement mit gleicher Schweißgeometrie auf die Membrane bzw. den Rahmen geschweißt. Dieses Merkmal erhöht die Unempfindlich keit gegenüber Temperaturschwnkungen weiter.According to a further preferred development, this is him most connecting element and the second connecting element with the same welding geometry on the membrane or Welded frame. This characteristic increases the insensitivity against temperature fluctuations.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind das er ste Verbindungselement und das zweite Verbindungselement mittels Glaslot mit dem verformbaren Element verbunden. Das sorgt für eine optimale thermische Anpassung der Verbindung zwischen den Verbindungelementen, die vorzugsweise aus Nic kel-Eisen-Metall sind, und dem verformbaren Element, das vorzugsweise aus Silizium ist. According to a further preferred development, this is him most connecting element and the second connecting element connected to the deformable element by means of glass solder. The ensures optimal thermal adaptation of the connection between the connecting elements, which are preferably made of Nic are iron-iron metal, and the deformable element that is preferably made of silicon.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Ver bindungsfläche des ersten Verbindungselements mit dem ver formbaren Element im wesentlichen halb so groß wie diejeni ge des zweiten Verbindungselements. Dies ist insbesondere zweckmäßig, wenn das zweite Verbindungselement in seiner geometrischen Form aus zwei ersten Stützprofilen zusammen gesetzt ist, aber nicht zwingend notwendig.According to a further preferred development, the Ver binding surface of the first connecting element with the ver malleable element essentially half the size of those ge of the second connecting element. This is particularly so useful if the second connecting element in its geometric shape composed of two first support profiles is set, but not absolutely necessary.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind das er ste Verbindungselement und das zweite Verbindungselement aus Nickel-Eisen-Metall hergestellt. Dies ist deshalb vor teilhaft, weil der thermische Ausdehnungskoeffizient von Nickel-Eisen-Metall nahe demjenigen von Silizium liegt.According to a further preferred development, this is him most connecting element and the second connecting element made of nickel-iron metal. This is why partial because the thermal expansion coefficient of Nickel-iron metal is close to that of silicon.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die Membrane und der Rahmen einteilig gefaßt und/oder einstüc kig ausgebildet. Dies erhöht die Haltbarkeit bzw. Stabili tät gegenüber hohen Drücken und erleichtert die Herstell barkeit.According to a further preferred development, the Membrane and the frame in one piece and / or one piece kig trained. This increases the durability or stabili action against high pressures and facilitates manufacturing availability.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die Membrane und der Rahmen aus Stahl hergestellt. Dies ist für die Verwendung als Hochdrucksensor zweckmäßig.According to a further preferred development, the Membrane and the frame made of steel. This is for the use as a high pressure sensor expedient.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Schichtstärke der oberen Verbindungen des ersten Verbin dungselements und des zweiten Verbindungselements zum ver formbaren Element gleich. Auch dies wirkt sich mindernd auf thermische Verspannungen aus.According to a further preferred development, the Layer thickness of the upper connections of the first connection dungselements and the second connecting element for ver malleable element the same. This also has a reducing effect thermal tension.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die un teren Verbindungen des ersten Verbindungselements und des zweiten Verbindungselements zur Membran gleich. Insbesonde re sind gleich dicke und gleich große Schweißstellen zweck mäßig.According to a further preferred development, the un ter connections of the first connecting element and the second connecting element to the membrane the same. In particular re are equally thick and the same size welds purpose moderate.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist das ver formbare Element ein Siliziumbrückenelement mit eingebrach ten piezoresistiven Widerstandselementen als Verformungser fassungseinrichtung.According to a further preferred development, this is ver malleable element with a silicon bridge element broken in ten piezoresistive resistance elements as deformation elements detection device.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist das verformbare Element einen Brückenbereich und einen ersten und zweiten, sich daran anschließenden Verbindungsbereich zur Verbindung mit dem ersten bzw. zweiten Verbindungsele ment auf, wobei die Verbindungsfläche des jeweiligen Ver bindungsbereichs vorzugsweise jeweils im wesenlichen voll ständig mit dem entsprechenden Verbindungselement verbunden ist. Dies sorgt für eine optimale Anbindung der beiden Ver bindungselemente. Abhängig von der speziellen Geometrie kann auch eine teilweise Verbindung ausreichend. According to a further preferred development, the deformable element a bridge area and a first and second connecting area adjoining it for connection to the first or second connecting element ment, with the connecting surface of the respective ver binding area preferably essentially in full permanently connected to the corresponding connecting element is. This ensures an optimal connection of the two ver binding elements. Depending on the special geometry a partial connection may also be sufficient.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dar gestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention are shown in the drawings provided and explained in more detail in the following description.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 eine schematische Breitseitenansicht einer Ausfüh rungsform der erfindungsgemäßen Drucksensorvorrich tung; Fig. 1 is a schematic broad side view of an embodiment of the pressure sensor device according to the invention;
Fig. 2 und Fig. 3, schematische Schmalseitenansichten der Ausführungs form der erfindungsgemäßen Drucksensorvorrichtung nach Fig. 1 in Richtung des Pfeiles A und des Pfeiles B; Fig. 2 and Fig. 3, schematic narrow side views of the embodiment of the pressure sensor device according to the invention of Figure 1 in the direction of arrow A and arrow B;
Fig. 4 eine schematische Aufsicht auf Fig. 1; und Fig. 4 is a schematic plan view of Fig. 1; and
Fig. 5 eine schematische Breitseitenansicht einer bekannten Drucksensorvorrichtung. Fig. 5 is a schematic broadside view of a known pressure sensor device.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten. In the figures, the same reference symbols designate the same or functionally identical components.
In Fig. 1 bis 4, welche ein Ausführungsbeispiel der erfin dungsgemäßen Drucksensorvorrichtung zeigen, bezeichnen zu sätzlich zu den bereits eingeführten Bezugszeichen A, B, C Betrachtungsrichtungen mit Bezug auf Fig. 1, F eine Flexi bilitätsrichtung einer ersten Verbindungseinrichtung 101 in Form eines ersten Stützprofils, S und S' Symmetrielinien einer zweiten Verbindungseinrichtung 102 in Form eine s zweiten Stützprofils und 105 eine jeweilige Verbindungs stelle.In Figs. 1 to 4, which show an embodiment of OF INVENTION to the invention pressure sensor device, refer to addition to those already introduced reference numerals A, B, C viewing directions with reference to Fig. 1, F bilitätsrichtung a Flexi first connecting means 101 in the form of a first support section , S and S 'lines of symmetry of a second connection device 102 in the form of a second support profile and 105 a respective connection point.
Die Drucksensorvorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel hat einen metallischen Rahmen 3 aus Stahl, in den eine Mem brane 1 einstückig eingearbeitet ist, z. B. durch Verformen oder Drehen aus einem Metallrohling.The pressure sensor device according to the embodiment has a metallic frame 3 made of steel, in which a membrane 1 is integrally incorporated, for. B. by deforming or turning from a metal blank.
Als das erste und das zweite Verbindungselement 101, 102 dienen ein erstes und ein zweites Stützprofil aus einem Ma terial gleicher thermischer Ausdehnung und gleicher Dicke, zweckmäßigerweise Nickel-Eisen-Metall, mit einer wesentlich größeren Höhe und Breite als Dicke, welche jeweils nur in der Dickenrichtung flexibel sind.As the first and the second connecting element 101 , 102 serve a first and a second support profile made of a material of the same thermal expansion and the same thickness, advantageously nickel-iron metal, with a significantly greater height and width than the thickness, which each only in the Thickness direction are flexible.
Das erste Verbindungselement 101 ist ein z-förmiges erstes Stützprofil, und das zweite Verbindungselement 102 ist ein zur Membrane 1 hin offenes u-förmiges zweites Stützprofil, wobei das u-förmige Stützprofil im wesentlichen die geome trische Form zweier symmetrisch aneinandergesetzter z- förmiger Stützprofile aufweist. Dabei sind die beiden die geometrische Form des u-förmigen Stützprofils bildenden z- förmigen Stützprofile um 90° zum die erste Verbindungsein richtung 101 bildenden z-förmigen Stützprofil verdreht. Dies ist insbesondere aus Fig. 1 in Verbindung mit Fig. 4 ersichtlich. Dabei ist das u-förmige Stützprofil einteilig ausgebildet, d. h. die Symmetrielinie S in Fig. 4 ist rein imaginär.The first connecting element 101 is a Z-shaped first support profile, and the second connecting element 102 is a U-shaped second support profile open to the membrane 1 , the U-shaped support profile having essentially the geometric shape of two symmetrically arranged Z-shaped support profiles . The two, the geometric shape of the U-shaped support profile forming Z-shaped support profiles are rotated by 90 ° to the first connection device 101 forming Z-shaped support profile. This can be seen in particular from FIG. 1 in conjunction with FIG. 4. The U-shaped support profile is formed in one piece, ie the line of symmetry S in FIG. 4 is purely imaginary.
Das erste Verbindungselement 101 und das zweite Verbindung selement 102 sind mit gleicher Schweißgeometrie auf die Membrane 1 bzw. den unbewegten Rahmen 3 geschweißt, d. h. die Auflageflächen und die Schweißpunkte sind im wesentli chen identisch.The first connecting element 101 and the second connecting element 102 are welded to the membrane 1 or the stationary frame 3 with the same welding geometry, that is to say the supporting surfaces and the welding points are essentially identical.
Das erste Verbindungselement 101 und das zweite Verbindung selement 102 sind mittels einer Glaslotschicht 103 mit dem verformbaren Element 2 verbunden, das ein Siliziumbrüc kenelement mit eingebrachten piezoresistiven Widerstandse lementen 11 als Verformungserfassungseinrichtung aufweist. Eine Auswerteelektronik ist aus Gründen der Übersichtlich keit nicht gezeigt. Die Glaslotschicht ist niederschmelzend und liegt in ihrem thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen denjenigen von Silizium und Nickel-Eisen-Metall.The first connecting element 101 and the second connecting element 102 are connected by means of a glass solder layer 103 to the deformable element 2 , which has a silicon bridge element with inserted piezoresistive resistance elements 11 as the deformation detection device. An evaluation electronics is not shown for reasons of clarity. The glass solder layer has a low melting point and its thermal expansion coefficient lies between that of silicon and nickel-iron metal.
Die Verbindungsfläche des ersten Verbindungselements 101 mit dem verformbaren Element 2 ist bei diesem Beispiel im wesentlichen halb so groß wie diejenige des zweiten Verbin dungselements 102 wobei die Schichtstärke der Verbindungen gleich ist. The connection area of the first connection element 101 with the deformable element 2 is in this example substantially half as large as that of the second connection element 102 , the layer thickness of the connections being the same.
Wie aus Fig. 4 ersichtlich, hat das verformbare Element 2 einen Brückenbereich 20 und einen ersten und zweiten, sich direkt daran anschließenden Verbindungsbereich zur Verbin dung mit dem ersten bzw. zweiten Verbindungselement 101, 102, wobei die Verbindungsfläche des jeweiligen Verbin dungsbereichs jeweils im wesenlichen vollständig mit dem entsprechenden Verbindungselement 101, 102 verbunden ist. Somit ergibt sich eine besonders stabile und streßoptimier te Verbindung mit den beiden Stützprofilen.As can be seen from FIG. 4, the deformable element 2 has a bridge region 20 and a first and second, directly adjoining connection region for connection to the first and second connection elements 101 , 102 , the connection surface of the respective connection region being essentially is completely connected to the corresponding connecting element 101 , 102 . This results in a particularly stable and stress-optimized connection with the two support profiles.
Das z-förmige Stützprofil der ersten Verbindungseinrichtung 101 zwischen dem Siliziumbrückenelement 2 und der Membrane 1 sowie das u-förmige Stützprofil der zweiten Verbindungs einrichtung 102 sind jeweils in z-Richtung starr und zur Spannungsentkopplung in ihrer jeweiligen Dickenrichtung flexibel, was auf der Membrane 1 der y-Richtung und auf dem Rahmen 3 der x-Richtung entspricht. Das u-förmige Stützpro fil ist in y-Richtung ebenfalls starr. Damit ist es möglich zu verhindern, daß die Temperaturausdehnung des Stahls auf das Meßelement in Form des Siliziumbrückenelements 2 über tragen wird.The z-shaped support profile of the first connection device 101 between the silicon bridge element 2 and the membrane 1 and the u-shaped support profile of the second connection device 102 are each rigid in the z-direction and flexible for voltage decoupling in their respective thickness direction, which on the membrane 1 y-direction and on the frame 3 corresponds to the x-direction. The U-shaped Stützpro fil is also rigid in the y direction. This makes it possible to prevent the temperature expansion of the steel from being transmitted to the measuring element in the form of the silicon bridge element 2 .
Eine optimale Wirkung zur Verminderung von Temperatureffek ten in z-Richtung läßt sich insbesondere erzielen, wenn beide Stützprofile so identisch wie möglich aufgebaut sind, also gleich hoch sind, aus identischem Material sind und die Blechdicke gleich ist. An optimal effect to reduce temperature effects ten in the z direction can be achieved in particular if both support profiles are constructed as identically as possible, are the same height, are of identical material and the sheet thickness is the same.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise mo difizierbar.Although the present invention is based on a preferred one Embodiment described above, it is not limited to this, but in a variety of ways identifiable.
Insbesondere sind die angegebenen Materialien nur bei spielshalben genannt, und die Erfindung ist auch auf andere Materialkombinationen anwendbar, bei denen sich der artige Temperaturausdehnungsprobleme aufgrund verschiedener thermischer Ausdehnungskoeffizienten ergeben.In particular, the specified materials are only for called games half, and the invention is also on other material combinations applicable, in which the like thermal expansion problems due to various thermal expansion coefficient result.
Wichtig ist die geometrische Abstimmung beider Stützprofile aufeinander.The geometrical coordination of both support profiles is important on each other.
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel könnte das u- förmige Stützprofil auch auch zwei einzelnen aneinanderge setzten z-förmigen Stützprofilen bestehen.In an alternative embodiment, the u- shaped support profile also two individual to each other set z-shaped support profiles exist.
Auch können zwei um 90° gegeneinander verdrehte identische z-Profile oder u-Profile verwendet werden. Two identical ones rotated by 90 ° can also be used z profiles or u profiles can be used.
P Druck
A, B, C Betrachtungsrichtungen
F Flexibilitätsrichtung
S, S' Symmetrielinien
P pressure
A, B, C viewing directions
F Direction of flexibility
S, S 'lines of symmetry
11
Membrane
membrane
22nd
verformbares Element
deformable element
33rd
Rahmen
frame
66
Gewinde
thread
77
Druckzuführung
Pressure supply
1111
piezoresistive Widerstandselemente
piezoresistive resistance elements
2020th
Brückenbereich
Bridge area
103103
Glaslot
Glass solder
105105
Lötstelle
Solder joint
101101
, ,
102102
erstes, zweites Stützprofil
first, second support profile
101101
', ',
102102
' Stütze, Sockel
'' Support, base
Claims (15)
einer Membrane (1), welche in einem Rahmen (3) eingefaßt ist und durch Anlegen von Druck in einer zur Membrane (1) senkrecht ver laufenden ersten Richtung (z) auslenkbar ist;
einem in einer zur Membrane (1) parallel verlaufenden zweiten Richtung (y) angebrachten, durch die Auslenkung der Membrane (1) verformbaren Element (2), das mit der Membrane (1) über ein er stes Verbindungselement (101) und mit dem Rahmen (3) über ein zweites Verbindungselement (102) verbunden ist; und
einer mit dem verformbaren Element (2) verbundenen Verformungs erfassungseinrichtung (11) zum Erfassen der Verformung des ver formbaren Elements (2); wobei
das erste Verbindungselement (101) in der ersten Richtung (z) starr ausgebildet ist und in der zweiten Richtung (y) flexibel ist; und
das zweite Verbindungselement (102) in der ersten Richtung (z) und in der zweiten Richtung (y) starr ausgebildet ist;
dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Verbindungselement (101, 102) als er stes und ein zweites Stützprofil aus einem Material gleicher thermischer Ausdehnung ausgebildet sind, und daß das erste Stützprofil in einer dritten Richtung (x) starr und daß das zweite Stützprofil in der dritten Richtung (x) flexibel ausge bildet ist. 1. Pressure sensor device with:
a membrane ( 1 ) which is enclosed in a frame ( 3 ) and can be deflected by applying pressure in a direction perpendicular to the membrane ( 1 ) ver first direction (z);
one in a second direction (y) running parallel to the membrane ( 1 ), by the deflection of the membrane ( 1 ) deformable element ( 2 ), which with the membrane ( 1 ) via a first connecting element ( 101 ) and with the frame ( 3 ) is connected via a second connecting element ( 102 ); and
a deformation detection device ( 11 ) connected to the deformable element ( 2 ) for detecting the deformation of the deformable element ( 2 ); in which
the first connecting element ( 101 ) is rigid in the first direction (z) and flexible in the second direction (y); and
the second connecting element ( 102 ) is rigid in the first direction (z) and in the second direction (y);
characterized in that the first and the second connecting element ( 101 , 102 ) as he stes and a second support profile made of a material of the same thermal expansion, and that the first support profile in a third direction (x) rigid and that the second support profile in the third direction (x) is flexible.
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10232721A1 (en) * | 2002-07-16 | 2004-02-12 | Siemens Ag | Pressure sensor with pressure sensor in a micromechanical design |
| DE10243538A1 (en) * | 2002-09-16 | 2004-03-25 | EBM Brosa Messgeräte GmbH & Co. KG | High pressure sensor for measurement of pressures up to 10,000 bar comprises membrane and extension parts with a pressure-tight conical seat between them formed by tightening a threaded connection to enclose a pressure chamber |
| DE10131688B4 (en) * | 2000-12-13 | 2006-05-18 | Trafag Ag | Temperature-compensated pressure sensor includes membrane, compensator and flexural element with selected mechanical- and thermal properties |
| DE102013114728A1 (en) * | 2013-12-11 | 2015-07-02 | Trafag Ag | MEASURING CELL ASSEMBLY FOR A HIGH PRESSURE BOLTABLE PRESSURE SENSOR |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4141253A (en) * | 1976-03-31 | 1979-02-27 | Honeywell Inc. | Force transducing cantilever beam and pressure transducer incorporating it |
| US4800758A (en) * | 1986-06-23 | 1989-01-31 | Rosemount Inc. | Pressure transducer with stress isolation for hard mounting |
| DE3932618A1 (en) * | 1989-09-29 | 1991-04-18 | Fraunhofer Ges Forschung | DEVICE FOR MEASURING MECHANICAL FORCES AND EFFECTS |
| WO1997039320A1 (en) * | 1996-04-13 | 1997-10-23 | Robert Bosch Gmbh | Pressure sensor |
-
1998
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-
1999
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Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4141253A (en) * | 1976-03-31 | 1979-02-27 | Honeywell Inc. | Force transducing cantilever beam and pressure transducer incorporating it |
| US4800758A (en) * | 1986-06-23 | 1989-01-31 | Rosemount Inc. | Pressure transducer with stress isolation for hard mounting |
| DE3932618A1 (en) * | 1989-09-29 | 1991-04-18 | Fraunhofer Ges Forschung | DEVICE FOR MEASURING MECHANICAL FORCES AND EFFECTS |
| WO1997039320A1 (en) * | 1996-04-13 | 1997-10-23 | Robert Bosch Gmbh | Pressure sensor |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10131688B4 (en) * | 2000-12-13 | 2006-05-18 | Trafag Ag | Temperature-compensated pressure sensor includes membrane, compensator and flexural element with selected mechanical- and thermal properties |
| DE10232721A1 (en) * | 2002-07-16 | 2004-02-12 | Siemens Ag | Pressure sensor with pressure sensor in a micromechanical design |
| US7152479B2 (en) | 2002-07-16 | 2006-12-26 | Siemens Aktiengesellschaft | Pressure transmitter having a pressure sensor of micromechanical design |
| DE10243538A1 (en) * | 2002-09-16 | 2004-03-25 | EBM Brosa Messgeräte GmbH & Co. KG | High pressure sensor for measurement of pressures up to 10,000 bar comprises membrane and extension parts with a pressure-tight conical seat between them formed by tightening a threaded connection to enclose a pressure chamber |
| DE10243538B4 (en) * | 2002-09-16 | 2006-07-20 | EBM Brosa Messgeräte GmbH & Co. KG | high pressure transducer |
| DE102013114728A1 (en) * | 2013-12-11 | 2015-07-02 | Trafag Ag | MEASURING CELL ASSEMBLY FOR A HIGH PRESSURE BOLTABLE PRESSURE SENSOR |
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| 8100 | Publication of the examined application without publication of unexamined application | ||
| D1 | Grant (no unexamined application published) patent law 81 | ||
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