DE10023589A1 - Gefrierresistenter Drucksensor - Google Patents
Gefrierresistenter DrucksensorInfo
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft einen gefrierresistenten Drucksensor, welcher ein Drucksensorgehäuse (9), das einen Druckmessraum (10) umschließt, und einen Druckmesszelle (2) umfasst. Weiter ist ein elastisch nachgiebiges Ausgleichselement (1) vorgesehen, welches im Druckmaßraum (10) angeordnet ist.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drucksensor und
insbesondere einen gefrierresistenten Drucksensor.
Der Druck wird als mess- und regeltechnische Größe in einer
Vielzahl von Anwendungen benötigt, die von der
Medizintechnik bis hin zur Kraftfahrzeugtechnik reichen.
Entsprechend vielfältig sind die Anwendungen von
Drucksensoren.
Die Entwicklung der Mikroelektronik und Mikromechanik seit
den 70er Jahren hat es ermöglicht, Drucksensoren mit Hilfe
der Siliziumtechnologie miniaturisiert, kostengünstig und
in großen Mengen herzustellen. Derartige Drucksensoren sind
jedoch nicht stabil gegenüber hohen Drücken, wie sie
auftreten, wenn der Drucksensor einem Druckmedium
ausgesetzt wird, welches sich beim Einfrieren volumenmäßig
ausdehnt, wie z. B. Wasser.
Ein Beispiel eines gefrierresistenten Drucksensors zeigt
die WO-98/31997. Bei dem dort offenbarten Drucksensor ist
ein Silizium-Chip auf einem Glasträger befestigt. Der
Glasträger weist eine Öffnung zum Silizium-Chip auf. Der
Glasträger ist auf einem rohrförmigen Träger befestigt,
sodass eine durchgängige Leitung gebildet wird. Das
Druckmedium steht über die Leitung in Kontakt mit dem
Silizium-Chip. In der Leitung ist ein kompressibler Einsatz
eingebracht. Nachteilig bei diesem Drucksensor ist, dass es
trotz des kompressiblen Einsatzes möglich ist, dass der
Drucksensor beim Gefrieren des Fluids beschädigt wird, da
der kompressible Einsatz nur in einem Teilstück der Leitung
angeordnet ist und somit Fluid im Bereich des
Druckmessraums und nach dem kompressiblen Einsatz gefrieren
kann, sodass keine ausreichende Expansionsmöglichkeit für
das gefrierende Fluid im Druckmessraum gegeben ist und der
Drucksensor beschädigt werden kann. Weiterhin ist
nachteilig, dass das Verfahren zum Einbringen des
kompressiblen Einsatzes aufwendig ist. Weiter wird der
kompressible Einsatz während des Befestigungsvorgangs des
Silizium-Chips zum Glasträger beziehungsweise des
Glasträgers zum rohrförmigen Träger hohen thermischen
Beanspruchungen ausgesetzt, sodass er nur eine geringe
Lebensdauer aufweist, bzw. bei der Montage beschädigt
werden kann.
Weiter ist aus der WO-98/20248 ein Sensor für den absoluten
Druck im Einlasskrümmer bekannt, welcher ein Gehäuse und
einen Deckel aufweist. Dabei ist der Deckel mit dem Gehäuse
über mehrere Schlitze und entsprechend ausgebildete
Vorsprünge verbunden, um ein Lösen des Deckels vom Gehäuse
bzw. eine Zerstörung der Verbindung zwischen den beiden
Elementen zu verhindern. Ein derartiger Aufbau ist jedoch
nicht für einen gefrierresistenten Drucksensor geeignet.
Der erfindungsgemäße gefrierresistente Drucksensor mit den
Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil,
dass ein elastisch nachgiebiges Ausgleichselement im
Druckmessraum angeordnet ist. Dadurch wird sichergestellt,
dass bei einem Gefrieren des Fluids im Druckmessraum sich
dieses infolge des Vorhandenseins des elastisch
nachgiebigen Ausgleichelements im Druckmessraum ausdehnen
kann, ohne dass eine Druckmesszelle des Drucksensors
zerstört bzw. beschädigt werden kann. Bei einer normalen
Druckbeaufschlagung, d. h. wenn das Fluid im Druckmessraum
nicht gefroren ist, hat das elastisch nachgiebige
Ausgleichselement keine Funktion. Der Druck breitet sich
gleichmäßig bis zur Druckmesszelle aus. Wenn nun das
Druckmedium einfriert, kann sich kein bzw. höchstens ein
sehr geringer Überdruck einstellen, da das elastisch
nachgiebige Element der Volumenausdehnung nachgibt und
somit eine Volumenausdehnung des Druckmediums aufnimmt.
Daher kann eine Beschädigung der Druckmesszelle bzw. des
Gehäuses des Drucksensors verhindert werden.
Vorzugsweise weist das elastisch nachgiebige
Ausgleichselement selbst elastische Eigenschaften auf.
Dabei kann beispielsweise das elastisch nachgiebige Element
aus Gummi oder einem Schaumstoff hergestellt sein, oder als
eine elastisch verformbare Membrandose ausgeführt sein.
Vorzugsweise ist das elastisch nachgiebige
Ausgleichselement als elastische Platte ausgeführt.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden
Erfindung ist das elastisch nachgiebige Ausgleichselement
elastisch gelagert. Dabei ist es beispielsweise möglich,
dass die elastische Lagerung durch eine elastisch
eingeklebte Platte gebildet wird. Hierbei wird
beispielsweise eine feste Platte im Inneren des
Drucksensorgehäuses mittels eines Klebstoffes befestigt,
welcher auch nach dem Aushärten elastische Eigenschaften
aufweist. Um hierbei eine ausreichende Nachgiebigkeit der
elastisch eingeklebten Platte sicherzustellen, sollte noch
zusätzlich zwischen der elastisch eingeklebten Platte und
der Gehäusewand ein mit einem Gas gefüllter Hohlraum
vorhanden sein, welcher zur Aufnahme der
Volumenvergrößerung geeigent ist.
Vorzugsweise ist das elastisch nachgiebige
Ausgleichselement nur eine über eine Feder gelagerte
Platte. Hierbei sollte die Feder nur eine geringe
Federkraft besitzen, um eine ausreichende Expansion des
Fluids beim Gefrieren im Druckmessraum zu ermöglichen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden
Erfindung ist das elastisch nachgiebige Ausgleichselement
als eine elastische Gehäusewand ausgeführt. Dies kann
beispielsweise dadurch erreicht werden, dass ein Teil der
Gehäusewand eine geringere Dicke als der Rest der
Gehäusewand aufweist. Somit lässt sich ein
gefrierresistenter Drucksensor besonders einfach und mit
geringen Kosten herstellen.
Vorteilhaft ist das elastisch nachgiebige Ausgleichselement
als eine im Gehäuse integrierte elastische Platte
ausgeführt. Die Größe der elastischen Platte kann dabei
entsprechend der bereitzustellenden Volumenvergrößerung
dimensioniert werden. Vorzugsweise ist das im Druck
sensorgehäuse befindliche Medium Wasser.
Um einen zusätzlichen Schutz der Druckmesszelle zu
gewährleisten, kann die Druckmesszelle z. B. in Dickschicht
technik ausgeführt sein. Weiterhin ist es auch möglich,
dass die Druckmesszelle mit einer Schutzschicht versehen
ist.
Erfindungsgemäß ist es weiterhin möglich, dass der
Drucksensor z. B. als Absolutdrucksensor oder auch als
Differenzdrucksensor ausgeführt ist.
In der Zeichung sind zwei Ausführungsbeispiele der
vorliegenden Erfindung dargestellt und werden in der
nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch ein erstes
Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
gefrierresistenten Drucksensors und
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch ein zweites
Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
gefrierresistenten Drucksensors.
Der Aufbau der Drucksensoren in den Fig. 1 und 2 ist
nicht maßstäblich gezeichnet, um ein besseres Erfassen der
vorliegenden Erfindung zu ermöglichen.
In Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen gefrierresistenten Drucksensors gemäß der
vorliegenden Erfindung dargestellt. Der Drucksensor umfasst
ein Gehäuse 9, eine Druckmesszelle 2 und eine Trägerplatte
3. Die Messzelle 2 ist auf der Trägerplatte 3 befestigt und
ist im Inneren eines Druckmessraums 10 angeordnet. Hierbei
ist die Trägerplatte 3 fest mit dem Gehäuse 9 verbunden.
Weiter weist der Drucksensor gemäß dem ersten Ausführungs
beispiel einen Druckstutzen 4 auf, welcher mit dem
Druckmessraum 10 in Verbindung steht und über den ein
Druckmedium wie z. B. Harnstoff in den Druckmessraum 10
zugeführt werden kann.
Weiter ist im Druckmessraum 10 ein z. B. aus Gummi oder
einem Schaumstoff hergestelltes elastisch nachgiebiges Aus
gleichselement 1 angeordnet. Wie in Fig. 1 gezeigt, ist
das elastisch nachgiebige Ausgleichselement 1 direkt an der
Wand des Gehäuses 9 z. B. mittels Kleben befestigt. Hierbei
liegt die Druckmesszelle 2 dem elastisch nachgiebigen
Ausgleichselement 1 direkt gegenüber. Dies ist eine
besonders vorteilhafte Anordnung der Druckmesszelle 2 und
des elastisch nachgiebigen Ausgleichselements 1 zueinander,
um Beschädigungen der Druckmesszelle 2 zu verhindern.
Um die von der Druckmesszelle 2 aufgenommene Drücke weiter
zu verarbeiten, ist die Trägerplatte 3 über eine
elektrische Verbindung 5 mit einem Stecker 6 verbunden,
über den dann die aufgenommenen Werte z. B. einer Steuer-
und/oder Auswerteeinheit zugeführt werden können. Auch
werden die Versorgung- und die Signalspannung über die
elektrische Verbindung 5 von der Trägerplatte 3 zum bzw.
vom Stecker 6 geleitet.
Wenn nun das im Druckmessraum 10 vorhandene Druckmedium
einfriert, gibt das elastisch nachgiebige Ausgleichselement
1 nach und wird zusammengedrückt. Dadurch vergrößert sich
das Volumen des Druckmessraums 10, sodass die Ausdehnung
des Druckmediums infolge des Gefrierens kompensiert werden
kann. Daher wird die Druckmesszelle 2 beim Gefrieren des
Druckmediums im Druckmessraum 10 nicht beschädigt. Hierbei
kann auch ein sehr geringer Überdruck im Druckmessraum 10
während des Gefrierens auftreten, ohne das die
Druckmesszelle 2 beschädigt wird.
In Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen gefrierresistenten Drucksensors dar
gestellt. Gleiche Teile sind mit dem gleichen Bezugszeichen
wie im ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet.
Im Gegensatz zu dem gefrierresistenten Drucksensor des
ersten Ausführungsbeispiels ist beim zweiten Aus
führungsbeispiel als elastisch nachgiebiges Ausgleichs
element eine elastisch eingeklebte Platte 7 vorgesehen. Die
Platte 7 ist derart in einem inneren Hohlraum des Gehäuses
9 eingeklebt, dass im Gehäuse 9 neben dem Druckmessraum 10
noch ein weiterer Hohlraum 11 entsteht. Hierbei wird die
Platte 7 mittels eines auch nach dem Aushärten elastischen
Klebers an ihrem gesamten Umfang in das Gehäuse 9
eingeklebt. Dadurch entsteht der Hohlraum 11, welcher mit
einem Gas, z. B. Luft gefüllt ist. Durch das Einkleben ist
der Hohlraum 11 gegebenüber dem Druckmessraum 10
abgedichtet.
Somit besteht das elastisch nachgiebige Ausgleichselement
beim zweiten Ausgangsbeispiel aus der Platte 7 sowie der
elastischen Lagerung 8, welche durch den Klebstoff
bereitgestellt wird.
Wenn nun ein im Druckmessraum 10 vorhandenes Druckmedium
gefriert, wird die elastisch eingeklebte Platte 7 infolge
ihrer elastischen Lagerung etwas in den Hohlraum 11
hineinbewegt, wodurch sich das Volumen des Hohlraums 11
verkleinert. Da im Hohlraum 11 ein gasförmiges Medium
vorhanden ist, ist diese Volumenverkleinerung ohne weiteres
möglich. Dadurch kann die beim Gefrieren des Druckmediums
im Druckmessraum 10 auftretende Volumenvergrößerung
ausgeglichen werden. Somit wird die im Druckmessraum 10
angeordnete Druckmesszelle 2 nicht beschädigt.
Zusammenfassend wurde insoweit ein gefrierresistenter
Drucksensor beschrieben, welcher ein Drucksensorgehäuse 9,
das einen Druckmessraum 10 umschließt, und eine Druckmess
zelle 2 umfasst. Weiter ist ein elastisch nachgiebiges
Ausgleichselement 1, 7, 8 vorgesehen, welches im Druck
messraum 10 angeordnet ist.
Die vorhergehende Beschreibung der Ausführungsbeispiele
gemäß der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen
Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der
Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene
Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der
Erfindung sowie ihre Äquivalente zu verlassen.
Claims (10)
1. Gefrierresistenter Drucksensor umfassend:
ein Drucksensorgehäuse (9), welches einen Druckmessraum (10) umschließt,
eine Druckmesszelle (2) und
ein elastisch nachgiebiges Ausgleichselement (1; 7, 8) welches im Druckmessraum (10) angeordnet ist.
ein Drucksensorgehäuse (9), welches einen Druckmessraum (10) umschließt,
eine Druckmesszelle (2) und
ein elastisch nachgiebiges Ausgleichselement (1; 7, 8) welches im Druckmessraum (10) angeordnet ist.
2. Gefrierresistenter Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, dass das elastisch nachgiebige
Ausgleichselement (1) selbst elastische Eigenschaften
auf weist.
3. Gefrierrestistenter Drucksensor nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, dass das elastisch nachgiebige Ausgleichs
element aus Gummi, Schaumstoff oder einer elastisch
verformbaren Membrandose ausgeführt ist.
4. Gefrierrestistenter Drucksensor nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, dass das elastisch nachgiebige Ausgleichs
element (1) als elastische Platte ausgeführt ist.
5. Gefrierresistenter Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, dass das elastisch nachgiebige Ausgleichs
element elastisch gelagert ist.
6. Gefrierresistenter Drucksensor nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet, dass das elastisch nachgiebige
Ausgleichselement als elastisch eingeklebte Platte (7)
ausgebildet ist.
7. Gefrierresistenter Drucksensor nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet, dass das elastisch nachgiebige
Ausgleichselement als eine über eine Feder gelagerte Platte
ausgeführt ist.
8. Gefrierresistenter Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, dass das elastisch nachgiebige Ausgleichs
element als eine elastische Gehäusewand ausgebildet ist.
9. Gefrierrestistenter Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, dass das elastisch nachgiebige
Ausgleichselement als eine im Gehäuse integrierte
elastische Platte ausgebildet ist.
10. Gefrierresistenter Drucksensor nach einem der Ansprüche
1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckmesszelle
(2) in Dickschichttechnik ausgeführt ist oder dass die
Druckmesszelle (2) eine Schutzschicht aufweist.
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