DE102008057447A1

DE102008057447A1 - Drucksensor mit einer Membran

Info

Publication number: DE102008057447A1
Application number: DE102008057447A
Authority: DE
Inventors: Markus Beylich
Original assignee: Mann and Hummel GmbH
Current assignee: Mann and Hummel GmbH
Priority date: 2007-11-14
Filing date: 2008-11-14
Publication date: 2009-07-09
Also published as: DE202007015980U1

Abstract

Es wird ein Drucksensor (1) mit einer Membran (4), die einem zu messenden Medium ausgesetzt ist und aus deren Auslenkung ein dem gemessenen Druck proportionales elektrisches Signal erzeugbar ist, vorgeschlagen, der mit einem Druckkanal (5) zur Heranführung des zu messenden Mediums an die Membran (4) versehen ist. Der Druckkanal (5) ist dabei so ausgebildet, dass sich eine hinterschnittfreie Kontur mit einer kegelförmigen Verengung zu der Membran (4) hin ergibt und dass die Form des Gehäuses (7, 8) des Drucksensors (1) durch eine entsprechende Materialauswahl und Materialstärke so ausgebildet ist, dass im Bereich der Membran (4) eine außen am Gehäuse (7, 8) anstehende Temperatur des umgebenden Mediums sich zuerst im Bereich der Membran (4) auswirkt.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Drucksensor mit einer Membran, vorzugsweise aus einem Halbleitermaterial, die dem zu messenden Medium ausgesetzt ist und aus deren Auslenkung ein dem gemessenen Druck proportionales elektrisches Signal erzeugbar ist, nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Stand der Technik
Beispielsweise ist es aus der DE 42 01 634 C2 bekannt, dass auf einem Halbleiterchip, vorzugsweise aus Silizium, eine Membran und eine Dehnungsmesseinrichtung aufgebracht sind, mit der über die Auslenkung der Membran ein an der Membran anliegender Druck eines Fluids, gegebenenfalls gegen einen Referenzdruck, zum Beispiel Vakuum, erfasst werden kann. Der Druckkanal, der das Fluid zur Membran hinleitet, ist dabei in ein formstabiles Gehäuse integriert und weist oft Hinterschnitte auf, die sich zur Membran hin erweitern.
Es ist an sich bekannt, dass zur Überwachung der Funktion eines Luftfilters in einem Kraftfahrzeug Drucksensoren angebracht werden, die insbesondere den Differenzdruck zwischen der Anströmseite und der Abströmseite des Filterelements messen und somit eine eventuelle Überladung des Filterelements mit Schmutzpartikeln anzeigen können.
Bei heutigen Drucksensoren in Siliziumtechnik wird der Trägerchip, der in der Regel auch die Elektronik aufweist, an einer Stelle so dünn hergestellt, dass dadurch die Messmembran entsteht, Diese Membranen sind zwar chemisch gegen eine Vielzahl von Stoffen resistent aber mechanisch sehr empfindlich. Die ist einerseits gewollt, um kleine Druckänderung messen zu können, bei denen die Membran nur geringfügig ausgelenkt wird, andererseits bringt dies auch mechanische Probleme mit sich.
Beispielsweise können sich bei Druckmessungen in Luft einige Wassertropfen durch Kondensation auf der Membran ansammeln und es kann bei tiefen Temperaturen zu einer Eisbildung kommen. Durch den Eisbildungsdruck auf die empfindliche Membran kann es dann zu einer Zerstörung der Membran kommen. Insbesondere in den durch die erwähnten Hinterschnitte gebildeten Kammern kann Wasser vor der Membran eingeschlossen werden und beim Einfrieren durch die Ausdehnung relativ große Kräfte auf die Membran ausüben.
Bisher wurde versucht, dies durch besondere Einbauvorschriften des Drucksensors oder aufwendige Konstruktionen, bis hin zu kleinen Heizungen für die Drucksensoren, zu vermeiden, und dadurch lokal ein Einfrieren zu verhindern. Aus der DE 17 98 410 ist lediglich eine thermoregulierende Membrananordnung für einen Druckaufnehmer bekannt, bei dem, um eine Überhitzung zu vermeiden, ein Kühlblech oder ein perforiertes Wärmeleit blech angeordnet ist. Durch die Perforation kann der Druck auf die Membran gelangen, die Wärme jedoch abgeführt werden.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht von einem Drucksensor mit einer Membran aus, die einem zu messenden Medium ausgesetzt ist und aus deren Auslenkung ein dem gemessenen Druck proportionales elektrisches Signal erzeugbar ist, mit einem Druckkanal zur Heranführung des zu messenden Mediums an die Membran. Erfindungsgemäß ist in vorteilhafter Weise der Druckkanal so ausgebildet, dass sich eine hinterschnittfreie Kontur mit einer kegelförmigen Verengung zu der Membran hin ergibt und die Form des Gehäuses des Drucksensors ist durch eine entsprechende Materialauswahl und Materialstärke so ausgebildet, dass im Bereich der Membran eine außen am Gehäuse anstehende Temperatur des umgebenden Mediums sich zuerst im Bereich der Membran auswirkt.
Der Drucksensor kann dabei an einem Luftfilter im Luftansaugweg für einen Verbrennungsmotor in einem Kraftfahrzeug angeordnet sein, sodass über eine Druckänderung der Beladungszustand des Luftfilters mit Partikeln ermittelbar ist.
Bevorzugt ist bei dem Drucksensor die Membran als Bestandteil eines Siliziumchips ausgebildet, wobei der Siliziumchip am Ende des Druckkanals angeordnet ist und eine kegelförmige Verengung aufweist, die in der Ausbildung der Membran endet und auf der anderen Seite der Membran ist eine Referenzdruckkammer angeordnet, die von einem Glasbauelement derart umschlossen ist, dass sich in der Verbindung von der Druckkammer im Bereich der Membran zu dem das Glasbauelement umgebenden Raum eine relativ gute Wärmeleitfähigkeit ergibt.
In vorteilhafter Weise kann sich die Druckkammer erfindungsgemäß im Anschluss an den Siliziumchip kegelförmig erweiternd fortsetzen, wobei das entsprechende Gehäuseteil aus Glas bestehen kann.
Die Erfindung betrifft den Schutz der Messzelle eines Drucksensors vor mechanischer Belastung durch Eis an der Membran. Zwar ist eine Druckmessung bei Vereisung des Messkanals auch weiterhin nicht möglich, eine Zerstörung der Messzelle kann aber vermieden werden.
Durch die erfindungsgemäße Gestaltung des Aufbaus des Drucksensors und seines Gehäuses wird dafür gesorgt, dass eventuell vorhandenes Wasser im Druckkanal erst an der empfindlichen Membran der Messzelle und danach im Druckkanal einfriert bzw. auftaut. Somit wird der mechanische Druck, z. B. durch die Ausdehnung des gefrierenden Wassers auf die Membran der Messzelle durch die Form des Druckkanals und die Wärmekapazität des Gehäuses verringert.
Durch die erfindungsgemäße Gestaltung des Druckkanals wird erreicht, dass eine eventuelle Eisbildung an der empfindlichen Membran beginnt und die weiteren Kräfte einer Eisbildung in einem Abstand von der Membran nicht durch die bereits vorhandenen Eisschicht auf der Membran drin gen können und somit von der Wand des Druckkanals aufgenommen werden können. Wird diese Bedingung eingehalten, so ist die weitere Formgebung und Materialauswahl für das Gehäuse völlig frei.
Dadurch, dass es im gesamten Druckkanal bis zur Membran der Messzelle keine Hinterschnitte gibt, dass der Druckkanal kegelförmig ausgebildet ist und sich somit das kleinste Volumen direkt vor der Membran befindet und dadurch dass die Form des Gehäuses im Bereich des Druckkanals und der Membran so gewählt wird, dass bei einer Abkühlung der Umgebung die Temperatur im Gehäuse an der Membran zuerst den Gefrierpunkt erreicht, wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass die Membran durch das frühe Gefrieren von Wasser an seiner Oberfläche quasi mit einer Schutzschicht versehen ist, die die Membran vor weiterem mechanischen Druck schützt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird anhand einer 1 der Zeichnung mit einem Ausführungsbeispiel erläutert, das schematisch einen Schnitt durch einen Drucksensor für einen Luftfilter in einem Kraftfahrzeug zeigt, der mit einem kegelförmigen zulaufenden Druckkanal ausgestattet ist.
Ausführungsform(en) der Erfindung
In 1 der Zeichnung ist ein Drucksensor 1 gezeigt, der einen Siliziumchip 2 als Träger für piezoresistive Sensorelemente 3 und eine Membran 4 aufweist. In einem Druckkanal 5 wird das zu messende Medium, zum Bei spiel Luft eines Luftfilters in einem Kraftfahrzeug, der Membran 4 zugeführt, wobei der Membran 4 eine Referenzdruckkammer 6, hier mit einem Vakuum, gegenüberliegt.
Die Referenzdruckkammer 6 ist von einem Gehäuseteil 7 aus Glas umgeben und der Druckkanal 5 setzt sich unterhalb der Membran 4 mit einer ebenfalls kegelförmigen Erweiterung in einem weiteren Gehäuseteil 8 fort.
Wenn nun im Druckkanal 5 des Drucksensors 1 eventuell vorhandenes Wasser oder Wassertröpfchen vorhanden sind, so ist dies zuerst in einem Bereich 9 an der Membran 4 einer tiefen Temperatur in der Umgebung der Gehäuseteile 7 und 8 sowie des Siliziumchips 2 ausgesetzt. Dadurch, dass es im gesamten Druckkanal 5 bis zur Membran 4 keine Hinterschnitte gibt und der Druckkanal 5 kegelförmig ausgebildet ist, befindet sich somit das kleinste Volumen direkt vor der Membran 4. Bei einer Abkühlung der Umgebung des Gehäuses erreicht die Temperatur zuerst an der Membran 4 durch die Wärmeleitung 10 den Gefrierpunkt. Durch das frühe Gefrieren von Wasser an der Oberfläche der Membran 4 wird diese quasi mit einer Schutzschicht versehen ist, die die Membran 4 vor weiterem mechanischen Druck von gefrierenden Wasser im Druckkanal 5 schützt.
Die oben beschriebene Darstellung gilt für Absolutdrucksensoren. Bei einem Differenzdrucksensor besitzt das Gehäuseteil 7 zumindest eine Öffnung um eine Verbindung zwischen Umgebungsdruck und Innendruck herzustellen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 4201634 C2 [0002]
- DE 1798410 [0006]

Claims

Drucksensor mit einer Membran (4), die einem zu messenden Medium ausgesetzt ist und aus deren Auslenkung ein dem gemessenen Druck proportionales elektrisches Signal erzeugbar ist, mit einem Druckkanal (5) zur Heranführung des zu messenden Mediums an die Membran (4), dadurch gekennzeichnet, dass der Druckkanal (5) so ausgebildet ist, dass sich eine hinterschnittfreie Kontur mit einer kegelförmigen Verengung zu der Membran (4) hin ergibt und dass die Form des Gehäuses (7, 8) des Drucksensors (1) durch eine entsprechende Materialauswahl und Materialstärke so ausgebildet ist, dass im Bereich der Membran (4) eine außen am Gehäuse (7, 8) anstehende Temperatur des umgebenden Mediums sich zuerst im Bereich der Membran (4) auswirkt.
Drucksensor nach Anspruch 1 mit einer Membran (2) als Bestandteil eines Siliziumchips (2), dadurch gekennzeichnet, dass der Siliziumchip (2) am Ende des Druckkanals (5) angeordnet ist und eine kegelförmige Verengung aufweist, die in der Ausbildung der Membran (4) endet und dass auf der anderen Seite der Membran (4) eine Referenzdruckkammer (6) angeordnet ist, die von einem Glasbauelement als Gehäuseteil (7) derart umschlossen ist, dass sich in der Verbindung von der Druckkammer (5) an der Membran (4) zu dem das Glasbauelement umgebenden Bereich (9) eine relativ gute Wärmeleitfähigkeit ergibt.
Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckkammer (5) sich im Anschluss an den Siliziumchip (2) in einem weiteren Gehäuseteil (8) kegelförmig erweiternd fortsetzt.
Drucksensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Gehäuseteil (8) im Anschluss an den Siliziumchip (2) aus Glas besteht.
Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (1) an einem Luftfilter im Luftansaugweg für einen Verbrennungsmotor in einem Kraftfahrzeug angeordnet ist und über eine Druckänderung der Beladungszustand des Luftfilters mit Partikeln ermittelbar ist.
Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuseteil (7) eine Öffnung zum Druckausgleich zwischen Druckkammer (6) und Umgebungsdruck aufweist.