DE102020125681A1 - pressure cell - Google Patents

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Manuel HARTER
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Druckmesszelle (1) mit einem Druckmessumformer (3) und einem mit dem Druckmessumformer (3) verbundenen Druckabnehmer (2), wobei der Druckabnehmer (2) eine Membran (4) zur Aufnahme eines Drucks aufweist, wobei innerhalb des Druckabnehmers (2) ein Innenraum (6) gebildet wird, der an die Membran (4) angrenzt, und wobei innerhalb des Innenraums (6) ein Druckmittlermedium (9) befindlich ist. Die Druckmesszelle (1) weist erfindungsgemäß eine gasdichte Beschichtung (12) auf, welche die Membran (4) flächig bedeckt.The invention relates to a pressure measuring cell (1) with a pressure transducer (3) and a pressure pickup (2) connected to the pressure transducer (3), the pressure pickup (2) having a membrane (4) for recording a pressure, wherein within the pressure pickup ( 2) an interior space (6) is formed, which adjoins the membrane (4), and wherein a pressure transmitter medium (9) is located within the interior space (6). According to the invention, the pressure measuring cell (1) has a gas-tight coating (12) which covers the entire surface of the membrane (4).

Description

Die Erfindung betrifft eine Druckmesszelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a pressure measuring cell according to the preamble of claim 1.

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Formen von Druckmesszellen bekannt. Solche Druckmesszellen werden in Druckmessgeräten eingesetzt und überführen einen Druck in ein elektrisches Signal, das dann weiterverarbeitet werden kann. Druckmesszellen werden nach dem zugrundeliegenden Messprinzip, den zum Prozess hin orientierten Materialien sowie danach unterschieden, ob absolute oder relative Drücke gemessen werden können.Various forms of pressure measuring cells are known from the prior art. Such pressure measuring cells are used in pressure measuring devices and convert a pressure into an electrical signal that can then be processed further. Pressure measuring cells are differentiated according to the underlying measuring principle, the materials oriented towards the process and whether absolute or relative pressures can be measured.

Dementsprechend gibt es beispielsweise kapazitive Druckmesszellen, die eine Druckänderung durch Verformung einer Membran und einer daraus resultierenden Änderung einer Kapazität erfassen, resistive und piezoresistive Druckmesszellen, bei denen eine Verformung einer Membran beispielsweise mittels Dehnungsmessstreifen erfasst und aus einer Widerstandsänderung der Dehnungsmessstreifen auf den Druck geschlossen wird, und piezoelektrische Druckmesszellen, die den piezoelektrischen Effekt zur Druckbestimmung ausnutzen.Accordingly, there are, for example, capacitive pressure measuring cells, which detect a pressure change through deformation of a membrane and a resulting change in capacitance, resistive and piezoresistive pressure measuring cells, in which a deformation of a membrane is detected, for example, by means of strain gauges and the pressure is deduced from a change in resistance of the strain gauges. and piezoelectric pressure measuring cells that use the piezoelectric effect to determine pressure.

Die Unterscheidung nach den zum Prozess hin orientierten Materialien, also den Materialien, die mit der Prozessumgebung und den Prozessmedien in Kontakt kommen, unterscheidet in der Regel zwischen metallischen und keramischen Druckmesszellen, wobei die einen eine metallische und die anderen eine keramische Membran aufweisen. Aus fertigungs- und messtechnischen Gründen ist häufig ein Grundkörper der Druckmesszelle aus dem gleichen Material wie die Membran gefertigt. Fertigungstechnisch ist eine Verbindung zwischen gleichen oder gleichartigen Materialien häufig einfacher herzustellen, als zwischen verschiedenen Materialien. Messtechnisch ist es von Vorteil, Materialien mit ähnlichen oder idealerweise identischen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu verwenden - auch dies ist bei gleichen oder gleichartigen Materialien einfacher zu erreichen.The distinction between the process-oriented materials, i.e. the materials that come into contact with the process environment and the process media, usually distinguishes between metal and ceramic pressure measuring cells, with one having a metal membrane and the other a ceramic membrane. For production and measurement reasons, a base body of the pressure measuring cell is often made of the same material as the membrane. In terms of manufacturing technology, it is often easier to create a connection between the same or similar materials than between different materials. In terms of metrology, it is advantageous to use materials with similar or ideally identical thermal expansion coefficients - this is also easier to achieve with the same or similar materials.

Ob absolute oder relative Drücke gemessen werden können, richtet sich in der Regel danach, ob einer Membranrückseite ein zweiter Druck, beispielsweise ein Außendruck, zugeführt wird, oder ob die Membranrückseite evakuiert ist.Whether absolute or relative pressures can be measured usually depends on whether a second pressure, for example an external pressure, is supplied to the back of the membrane, or whether the back of the membrane is evacuated.

Die vorliegende Anmeldung geht von einer Druckmesszelle mit einem Druckmessumformer und einem mit dem Druckmessumformer verbundenen Druckabnehmer aus. Eine Druckmessung findet somit nicht unmittelbar über den Druckmessumformer statt, sondern es besteht eine mechanische Entkopplung über den Druckabnehmer. Der Druckabnehmer kann zum Beispiel an dem Druckmessumformer befestigt oder mit diesem einstückig ausgebildet sein. Der Druckabnehmer weist eine Membran auf, die sich unter Druck verformt. Innerhalb des Druckabnehmers wird ein Innenraum gebildet, der an die Membran des Druckmessumformers angrenzt. Bevorzugt grenzt der Innenraum ferner an eine Außenfläche des Druckmessumformers an. Der Innenraum ist eine zunächst hohle Kammer, in die ein Druckmittlermedium eingebracht wird. Dabei kann es sich beispielsweise um ein synthetisches Öl handeln. Bei Ausübung eines Drucks auf die Membran verformt sich diese. Der Druckmessumformer kann die veränderten Druckverhältnisse in dem Innenraum erfassen. In der Regel weist der Druckmessumformer eine Kammer auf, in der sich ein Drucksensor befindet.The present application is based on a pressure measuring cell with a pressure transmitter and a pressure sensor connected to the pressure transmitter. A pressure measurement does not take place directly via the pressure transmitter, but there is a mechanical decoupling via the pressure sensor. The pressure pickup can, for example, be attached to the pressure transmitter or formed in one piece with it. The pressure sensor has a membrane that deforms under pressure. An interior space is formed within the pressure pickup, which is adjacent to the diaphragm of the pressure transmitter. The interior preferably also adjoins an outer surface of the pressure transducer. The interior is initially a hollow chamber into which a pressure transmitter medium is introduced. This can be a synthetic oil, for example. When pressure is exerted on the membrane, it deforms. The pressure transmitter can record the changed pressure conditions in the interior. As a rule, the pressure transmitter has a chamber in which a pressure sensor is located.

Bei der vorangehend beschriebenen Druckmesszelle ist zwar der Druckmessumformer von dem Medium, dessen Druck bestimmt werden soll, entkoppelt. Wird aber zum Beispiel ein Gasdruck gemessen, dann können Atome durch die dünne Membran hindurchdiffundieren. Es sammelt sich Gas innerhalb des Innenraums an. Dadurch entsteht ein Überdruck, sodass Messergebnisse der Druckmesszelle verfälscht werden können. Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zu Grunde, eine Druckmesszelle bereitzustellen, bei der es vermieden wird, dass sich Gas in dem Innenraum mit dem Druckmittlermedium ansammelt.In the case of the pressure measuring cell described above, the pressure measuring transducer is decoupled from the medium whose pressure is to be determined. However, if a gas pressure is measured, for example, then atoms can diffuse through the thin membrane. Gas accumulates inside the cabin. This creates an overpressure, so that the measurement results of the pressure measuring cell can be falsified. The invention is therefore based on the object of providing a pressure measuring cell in which gas is prevented from accumulating in the interior space with the pressure transmitter medium.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Bereitstellung einer Druckmesszelle nach dem Patentanspruch 1.The object is achieved by providing a pressure measuring cell according to patent claim 1.

Die Erfindung betrifft somit eine Druckmesszelle mit einem Druckmessumformer und einem mit dem Druckmessumformer verbundenen Druckabnehmer, wobei der Druckabnehmer eine Membran zur Aufnahme eines Drucks aufweist, wobei innerhalb des Druckabnehmers ein Innenraum gebildet wird, der an die Membran angrenzt, und wobei innerhalb des Innenraums ein Druckmittlermedium befindlich ist. Erfindungsgemäß weist die Druckmesszelle eine gasdichte Beschichtung auf, welche die Membran flächig bedeckt. Wenn mittels dieser Druckmesszelle ein Gasdruck gemessen wird, dann wird durch die gasdichte Beschichtung verhindert, dass Gasatome in den Innenraum diffundieren. Die Druckmesszelle behält ihre Messgenauigkeit bei.The invention thus relates to a pressure measuring cell with a pressure transducer and a pressure transducer connected to the pressure transducer, the pressure transducer having a membrane for recording a pressure, an interior space being formed within the pressure transducer which adjoins the membrane, and a pressure transmitter medium being located within the interior space is located. According to the invention, the pressure measuring cell has a gas-tight coating that covers the entire surface of the membrane. If a gas pressure is measured using this pressure measuring cell, the gas-tight coating prevents gas atoms from diffusing into the interior. The pressure measuring cell maintains its measuring accuracy.

Es ist bevorzugt, wenn die gasdichte Beschichtung durch ein gasdichtes, kohlenstoffbasiertes Material gebildet wird. Einige kohlenstoffbasierte Materialien sind hervorragend dazu geeignet, eine druckdichte Beschichtung bereitzustellen. Zum Beispiel kann Graphit als ein mögliches Ausgangsmaterial genannt werden. Erfindungsgemäß kann etwa eine Graphitfolie verwendet werden, um die gasdichte Beschichtung bereitzustellen. Als ein anderes kohlenstoffbasiertes Material wird Graphen vorgeschlagen. Erfindungsgemäß kann auch eine Kombination aus Graphen und Graphit verwendet werden. Ferner ist es möglich, dass das kohlenstoffbasierte Material mit weiteren Materialien kombiniert wird.It is preferred if the gas-tight coating is formed by a gas-tight, carbon-based material. Some carbon-based materials are excellent at providing a pressure-tight coating. For example, graphite can be mentioned as a possible starting material. According to the invention about a graphite foil can be used to provide gas-tight coating. Graphene is proposed as another carbon-based material. According to the invention, a combination of graphene and graphite can also be used. Furthermore, it is possible that the carbon-based material is combined with other materials.

Es ist vorteilhaft, wenn die Beschichtung eine Dichtungsschicht aufweist, die durch eine kohlenstoffbasierte, zweidimensionale Kristallstruktur gebildet wird. Erst seit vergleichsweise kurzer Zeit sind Fertigungsverfahren bekannt, die es erlauben, zweidimensionale kohlenstoffbasierte Materialien herzustellen. Insbesondere handelt es sich bei solchen Materialien um Graphene. Graphene sind kohlenstoffbasierte Materialien mit zweidimensionalem Aufbau. Bei diesen bilden die Kohlenstoffatome ein bienenwabenförmiges Muster aus. Mögliche Anwendungsgebiete für Graphene sind aktuell noch Gegenstand der Forschung.It is advantageous if the coating has a sealing layer formed by a carbon-based, two-dimensional crystal structure. Manufacturing processes that allow the production of two-dimensional carbon-based materials have only been known for a comparatively short time. In particular, such materials are graphene. Graphenes are carbon-based materials with a two-dimensional structure. In these, the carbon atoms form a honeycomb pattern. Possible areas of application for graphene are currently still the subject of research.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung weist die Beschichtung eine Dichtungsschicht auf, die durch Graphenoxid gebildet wird. Bei Graphenoxid handelt es sich um ein kohlenstoffbasiertes Nanomaterial mit einer zweidimensionalen Struktur, das gasdicht ist. Beispielsweise Heliumatome können eine solche Dichtungsschicht nicht passieren. Nichtsdestotrotz ist es erfindungsgemäß auch möglich, sonstige graphenbasierte Materialien für die Beschichtung zu verwenden, welche gasdicht sind.According to a particular embodiment of the invention, the coating has a sealing layer formed by graphene oxide. Graphene oxide is a carbon-based nanomaterial with a two-dimensional structure that is gas-tight. For example, helium atoms cannot pass through such a sealing layer. Nevertheless, it is also possible according to the invention to use other graphene-based materials for the coating that are gas-tight.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Beschichtung genau eine Dichtungsschicht aufweist. Wie vorangehend ausgeführt ist es möglich, kohlenstoffbasierte Materialien herzustellen, die eine zweidimensionale Struktur aufweisen. Diese können einlagig bereitgestellt werden. Somit ist es möglich, extrem dünne Beschichtungen zu schaffen. Dies ist bei der erfindungsgemäßen Druckmesszelle von Vorteil, denn die gasdichte Beschichtung soll die Membraneigenschaften so wenig wie möglich beeinflussen. Es ergibt sich außerdem ein äußerst geringer Materialverbrauch.It is particularly advantageous if the coating has exactly one sealing layer. As stated above, it is possible to produce carbon-based materials that have a two-dimensional structure. These can be provided in one layer. It is thus possible to create extremely thin coatings. This is advantageous in the case of the pressure measuring cell according to the invention, because the gas-tight coating should affect the membrane properties as little as possible. There is also an extremely low consumption of material.

Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung weist die Beschichtung eine Vielzahl von stapelartig angeordneten Schichten umfassend die Dichtungsschicht und zu der Dichtungsschicht gleichartig ausgebildete weitere Dichtungsschichten auf. Anstatt einer einschichtigen Konfiguration wird somit eine mehrschichtige Konfiguration vorgeschlagen. Dies kann insbesondere von Vorteil sein, um eine widerstandsfähigere gasdichte Beschichtung bereitzustellen. Bei einigen zweidimensional aufgebauten kohlenstoffbasierten Materialien können sich aufgrund unzureichender Fertigungsverfahren gelegentliche Materialdefekte einstellen. Dies kann dazu führen, dass bei einer einschichtigen Konfiguration keine ausreichende Dichtigkeit besteht. Um dem entgegenzuwirken, können mehrere Dichtungsschichten übereinander angeordnet werden. Dabei ist es bevorzugt, wenn die Beschichtung weniger als 150, vorzugsweise weniger als 120 und weiter bevorzugt weniger als 100 Dichtungsschichten aufweist. Es ist dabei bevorzugt, die Beschichtung so dünn wie möglich, jedoch so dick wie nötig auszubilden, d. h. dass die Beschichtung möglichst dünn gehalten werden soll, um eine Steifigkeit der Membran nicht unnötig stark zu erhöhen, aber dick genug sein muss um die Gasdichtigkeit zu gewährleisten.According to an alternative embodiment of the invention, the coating has a multiplicity of layers arranged in a stack, comprising the sealing layer and further sealing layers designed in the same way as the sealing layer. A multi-layer configuration is thus proposed instead of a single-layer configuration. This can be of particular advantage in order to provide a more resistant gas-tight coating. With some two-dimensional carbon-based materials, occasional material defects can occur due to inadequate manufacturing processes. This can result in insufficient tightness in a single layer configuration. To counteract this, several sealing layers can be arranged one on top of the other. It is preferred here if the coating has fewer than 150, preferably fewer than 120 and more preferably fewer than 100 sealing layers. It is preferred to make the coating as thin as possible but as thick as necessary, i. H. that the coating should be kept as thin as possible in order not to unnecessarily increase the rigidity of the membrane, but it must be thick enough to ensure gas tightness.

Wie vorangehend ausgeführt sollte die Beschichtung möglichst dünn sein. Die gasdichte Beschichtung weist vorzugsweise eine Dicke von weniger als 1 µm auf. Noch vorteilhafter ist eine Dicke der gasdichten Beschichtung von weniger als 0,1 µm. Eine Lage aus Graphen weist eine Dicke von ca. 3,35 × 10-10 m auf, dementsprechend ist gleichwohl ein vielschichtiger Aufbau möglich. Je dünner die Beschichtung ist, umso geringer ist prinzipiell die durch sie hervorgerufene Beeinträchtigung der Membraneigenschaften.As stated above, the coating should be as thin as possible. The gas-tight coating preferably has a thickness of less than 1 μm. A thickness of the gas-tight coating of less than 0.1 μm is even more advantageous. A graphene layer has a thickness of approx. 3.35 × 10 -10 m, which means that a multi-layered structure is nevertheless possible. In principle, the thinner the coating, the lower the impairment of the membrane properties caused by it.

Der Innenraum kann erfindungsgemäß durch eine Membrankammer und einen Verbindungskanal gebildet werden, wobei die Membrankammer an die Membran angrenzt und der Verbindungskanal an eine Außenfläche des Druckmessumformers angrenzt und in die Membrankammer mündet. Die Membrankammer bildet somit einen vergleichsweise großen Abschnitt des Innenraums, in dem das Druckmittlermedium mit der Membran flächig in Verbindung steht. Wenn die Membran verformt wird, dann ist eine dadurch hervorgerufene Druckänderung des Druckmittlermediums von dem Druckmessumformer messbar, denn der Verbindungskanal führt von der Membrankammer bis hin zu dem Druckmessumformer. Es sind gleichwohl auch andere Ausführungsformen ohne eine klare Unterteilung des Innenraums in eine Membrankammer und einen Verbindungskanal möglich. Ferner können auch mehrere Membrankammern und/oder mehrere Verbindungskanäle vorgesehen sein.According to the invention, the interior can be formed by a membrane chamber and a connecting channel, the membrane chamber adjoining the membrane and the connecting channel adjoining an outer surface of the pressure transducer and opening into the membrane chamber. The membrane chamber thus forms a comparatively large section of the interior space, in which the pressure-transmitting medium is in surface contact with the membrane. If the membrane is deformed, a pressure change in the pressure transmitter medium caused by this can be measured by the pressure transmitter, because the connecting channel leads from the membrane chamber to the pressure transmitter. However, other embodiments without a clear subdivision of the interior space into a membrane chamber and a connecting channel are also possible. Furthermore, several membrane chambers and/or several connecting channels can also be provided.

Es ist bevorzugt, wenn der Druckmessumformer einen piezoelektrischen Drucksensor aufweist. Der Drucksensor wird gemäß dieser Ausführungsform in der Regel von einem Siliziumchip gebildet. Dieser Chip besteht aus einer mit piezoresistiven Widerständen strukturierten Membran, die sich unter Druck wölbt. Der Siliziumchip ist sehr empfindlich gegenüber äußeren Einflüssen und muss deshalb in den meisten Fällen hermetisch gekapselt werden. Der piezoelektrische Drucksensor ist daher besonders bevorzugt druckdicht in ein Edelstahlgehäuse eingebaut, das frontseitig mit einer dünnen Edelstahlmembran verschlossen ist. Diese Edelstahlmembran bildet die Außenfläche des Druckmessumformers, an die der Verbindungskanal des Druckabnehmers angrenzt. Innerhalb des Druckmessumformers befindet sich bevorzugt eine Sensorkammer, in der der Drucksensor angeordnet ist. Die Sensorkammer sollte vorzugsweise auch mit einem Druckmittlermedium befüllt sein.It is preferred if the pressure transducer has a piezoelectric pressure sensor. According to this embodiment, the pressure sensor is generally formed by a silicon chip. This chip consists of a membrane structured with piezoresistive resistors, which bulges under pressure. The silicon chip is very sensitive to external influences and must therefore be hermetically encapsulated in most cases. The piezoelectric pressure sensor is therefore particularly preferably installed in a pressure-tight manner in a stainless steel housing which is closed at the front with a thin stainless steel membrane. This noble steel membrane forms the outer surface of the pressure transmitter, to which the connecting channel of the pressure sensor is adjacent. A sensor chamber, in which the pressure sensor is arranged, is preferably located within the pressure transmitter. The sensor chamber should preferably also be filled with a diaphragm seal medium.

Die Membran weist vorzugsweise eine wellenförmig strukturierte Oberfläche auf, wobei die Beschichtung an der Oberfläche anliegt und in ihrer Form der Oberfläche angepasst ist. Die Membran soll leicht verformbar sein. Um dies zu unterstützen, wird sie bevorzugt strukturiert, und zwar in der Regel wellenförmig. Die Membran kann zumindest abschnittsweise einen wellenförmigen Querschnitt aufweisen oder eine Dicke der Membran kann variabel sein. Eine so hervorgerufene wellenförmige Struktur kann regelmäßig sein und zum Beispiel einer Sinuskurve entsprechen, es sind aber auch unregelmäßige Strukturen denkbar.The membrane preferably has a surface with a wavy structure, the coating being in contact with the surface and being adapted in shape to the surface. The membrane should be easily deformable. In order to support this, it is preferably structured, usually in a wavy shape. The membrane can have a wavy cross section, at least in sections, or the thickness of the membrane can be variable. A wavy structure produced in this way can be regular and, for example, correspond to a sine curve, but irregular structures are also conceivable.

Entsprechende strukturierte Membranen sind in einer Richtung senkrecht zu ihrer Oberfläche leichter auslenkbar, in einer Richtung parallel zu ihrer Oberfläche hingegen steifer. Erfindungsgemäß kann auf eine entsprechend strukturierte Oberfläche ein gasdichte Beschichtung aufgebracht werden. Eine kohlenstoffbasierte, zweidimensionale Kristallstruktur kann jedoch unter Umständen auf eine so strukturierte Oberfläche nicht aufgebracht werden, ohne dass sich Bruchstellen in der Kristallstruktur bilden. Dadurch würde die Beschichtung eventuell undicht. Um dies zu vermeiden, kann in diesem Fall eine Beschichtung mit einer Vielzahl von Dichtungsschichten verwendet werden. Auch wenn sich in einzelnen Dichtungsschichten einzelne Bruchstellen bilden, ist die Beschichtung dann im Ergebnis trotzdem gasdicht.Corresponding structured membranes can be deflected more easily in a direction perpendicular to their surface, but are more rigid in a direction parallel to their surface. According to the invention, a gas-tight coating can be applied to a correspondingly structured surface. However, a carbon-based, two-dimensional crystal structure may not be able to be applied to a surface structured in this way without cracks forming in the crystal structure. This could cause the coating to leak. To avoid this, in this case, a coating with a multiplicity of sealing layers can be used. Even if individual fractures form in individual sealing layers, the result is that the coating is still gas-tight.

Erfindungsgemäß kann die Beschichtung auf eine Innenseite der Membran aufgebracht sein. Die Beschichtung kann insbesondere bei der Verwendung von Materialien auf Kohlenstoffbasis extrem dünn ausgeführt sein. Dies kann dazu führen, dass die Beschichtung nicht oder zumindest für einige Anwendungen nicht ausreichend widerstandsfähig ist. In solchen Fällen kann die Beschichtung auf die Innenseite der Membran aufgebracht sein. Die Beschichtung befindet sich also auf einer Oberfläche der Membran, die dem Innenraum zugewandt ist. Es ist alternativ jedoch auch möglich, dass die Beschichtung auf eine Außenfläche der Membran aufgebracht ist. Erfindungsgemäß kann auch sowohl auf die Innenfläche als auch auf die Außenfläche der Membran eine gasdichte Beschichtung aufgebracht sein.According to the invention, the coating can be applied to an inside of the membrane. The coating can be extremely thin, particularly when using carbon-based materials. This can result in the coating not being resistant, or at least not sufficiently resistant for some applications. In such cases, the coating can be applied to the inside of the membrane. The coating is therefore located on a surface of the membrane that faces the interior. Alternatively, however, it is also possible for the coating to be applied to an outer surface of the membrane. According to the invention, a gas-tight coating can also be applied both to the inner surface and to the outer surface of the membrane.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Beschichtung auf eine Außenseite der Membran aufgebracht ist, wobei die Beschichtung mit einer Schutzschicht bedeckt ist. Da die Beschichtung gemäß einigen Varianten der Erfindung äußerst dünn ausgebildet ist, kann es sinnvoll sein, sie vor Beschädigungen zu schützen. Erfindungsgemäß kann ein Schutzlack oder dergleichen auf die Beschichtung aufgebracht sein, der sie vor äußeren mechanischen Einwirkungen schützt. Zusätzlich oder alternativ kann eine Katalysatorschicht vorgesehen sein, insbesondere eine Katalysatorschicht mittels derer molekularer Wasserstoff in H3O+ Ionen umgewandelt wird, und somit aufgrund des vergrößerten Radius nicht mehr durch die Membran diffundiert. Die Katalysatorschicht kann beispielsweise Rhodium und/oder Ruthenium als Katalysatormaterial umfassen.According to a further advantageous embodiment of the invention, it can be provided that the coating is applied to an outside of the membrane, the coating being covered with a protective layer. Since the coating is extremely thin according to some variants of the invention, it can be useful to protect it from damage. According to the invention, a protective lacquer or the like can be applied to the coating, which protects it from external mechanical influences. In addition or as an alternative, a catalyst layer can be provided, in particular a catalyst layer by means of which molecular hydrogen is converted into H 3 O + ions and thus no longer diffuses through the membrane due to the increased radius. The catalyst layer can include rhodium and/or ruthenium as catalyst material, for example.

Die Membran besteht vorzugsweise aus einem Metall. Erfindungsgemäß kann ein Gehäuse des Druckabnehmers ebenfalls aus einem Metall bestehen. Das Gehäuse und die Membran können in diesem Fall einstückig ausgebildet sein. Es ist aber auch möglich, dass es sich bei der Membran um ein zusätzliches Bauteil handelt, das lediglich an dem Gehäuse befestigt wird. Es sind ferner Ausführungsformen der Erfindung möglich, bei denen die Membran aus einem Keramikmaterial oder einem sonstigen Material besteht.The membrane is preferably made of a metal. According to the invention, a housing of the pressure sensor can also consist of a metal. In this case, the housing and the membrane can be formed in one piece. However, it is also possible for the membrane to be an additional component that is only attached to the housing. Embodiments of the invention are also possible in which the membrane consists of a ceramic material or another material.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt. Dabei zeigt:

  • 1 eine schematische Darstellung gemäß einer ersten Variante der erfindungsgemäßen Druckmesszelle in einer Schnittansicht,
  • 2 eine schematische Darstellung gemäß einer zweiten Variante der erfindungsgemäßen Druckmesszelle in einer Schnittansicht und
  • 3 eine schematische Darstellung gemäß einer dritten Variante der erfindungsgemäßen Druckmesszelle in einer Schnittansicht.
Advantageous embodiments of the invention are shown in the drawings. It shows:
  • 1 a schematic representation according to a first variant of the pressure measuring cell according to the invention in a sectional view,
  • 2 a schematic representation according to a second variant of the pressure measuring cell according to the invention in a sectional view and
  • 3 a schematic representation according to a third variant of the pressure measuring cell according to the invention in a sectional view.

1 zeigt eine schematische Darstellung gemäß einer ersten Variante der erfindungsgemäßen Druckmesszelle 1 in einer Schnittansicht. Die Druckmesszelle 1 weist einen Druckabnehmer 2 und einen Druckmessumformer 3 auf. Der Druckabnehmer 2 ist dafür vorgesehen, einen Druck eines externen Mediums wie eines Gases oder einer Flüssigkeit mittels einer Membran 4 aufzunehmen. Der Druckabnehmer 2 weist ein Gehäuse 5 auf, das die Membran 4 trägt. Sowohl die Membran 4 als auch das Gehäuse 5 bestehen aus Metall. Die Membran 4 ist sehr dünn, sodass sie sich leicht verformen kann, wenn sich bei dem externen Medium eine Druckänderung einstellt. 1 shows a schematic representation according to a first variant of the pressure measuring cell 1 according to the invention in a sectional view. The pressure measuring cell 1 has a pressure pickup 2 and a pressure transducer 3 . The pressure sensor 2 is intended to record a pressure from an external medium such as a gas or a liquid by means of a membrane 4 . The pressure sensor 2 has a housing 5 which carries the membrane 4 . Both the membrane 4 and the housing 5 are made of metal. The membrane 4 is very thin, so that it can easily deform if there is a pressure change in the external medium.

Der Druckabnehmer 2 weist einen Innenraum 6 auf. Der Innenraum 6 gliedert sich in eine Membrankammer 7 und einen Verbindungskanal 8. In dem Innenraum 6 befindet sich ein Druckmittlermedium 9, bei dem es sich vorliegend um ein synthetisches Öl handelt. Wenn sich die Membran 4 verformt, dann ändert sich ein Druck des Druckmittlermediums 9. Der Verbindungskanal 8 führt das Druckmittlermedium 9 bis hin zu einer Außenfläche 10 des Druckmessumformers 3. Die Außenfläche 10 des Druckmessumformers 3 wird durch eine Sensormembran 11 des Druckmessumformers 3 gebildet. Innerhalb des Druckmessumformers 3 ist ein piezoelektrischer Sensor angeordnet, der vorliegend nicht dargestellt ist. Der piezoelektrische Sensor verformt sich, wenn die Sensormembran 11 sich aufgrund einer Druckänderung des Druckmittlermediums 9 nach innen oder nach außen wölbt. Dabei wird ein elektrisches Signal und letztlich ein Messwert generiert. Somit lässt sich ein Druck des die Druckmesszelle 1 umgebenden Mediums ermitteln.The pressure sensor 2 has an interior space 6 . The interior space 6 is divided into a membrane chamber 7 and a connecting channel 8. In the interior space 6 there is a pressure transmitter medium 9, which is a synthetic oil in the present case. When the membrane 4 deforms, the pressure of the pressure transmitter medium 9 changes. The connecting channel 8 leads the pressure transmitter medium 9 to an outer surface 10 of the pressure transmitter 3. The outer surface 10 of the pressure transmitter 3 is formed by a sensor membrane 11 of the pressure transmitter 3. A piezoelectric sensor, which is not shown here, is arranged inside the pressure transducer 3 . The piezoelectric sensor deforms when the sensor membrane 11 bulges inwards or outwards as a result of a pressure change in the pressure-transmitting medium 9 . An electrical signal and ultimately a measured value are generated. A pressure of the medium surrounding the pressure measuring cell 1 can thus be determined.

Die Membran 4 ist sehr dünn. Es soll erfindungsgemäß verhindert werden, dass durch die Membran 4 Gase hindurchdiffundieren und in das Druckmittlermedium 9 gelangen, denn dies könnte zu einer Messwertverfälschung führen. Zu diesem Zweck ist auf die Membran 4 eine gasdichte Beschichtung 12 aufgebracht. Die gasdichte Beschichtung 12 wird durch eine Schicht aus Graphenoxid gebildet. Die gasdichte Beschichtung 12 beeinflusst die Verformung der Membran 4 somit nur unwesentlich, sodass Drücke genau gemessen werden können. Der Materialverbrauch der Beschichtung 12 ist äußerst gering und es wird verhindert, dass Gase durch die Membran 4 in den Innenraum 6 eindringen.The membrane 4 is very thin. According to the invention, it should be prevented that gases diffuse through the membrane 4 and get into the pressure transmitter medium 9, because this could lead to a falsification of the measured value. A gas-tight coating 12 is applied to the membrane 4 for this purpose. The gas-tight coating 12 is formed by a layer of graphene oxide. The gas-tight coating 12 therefore only has an insignificant effect on the deformation of the membrane 4, so that pressures can be measured accurately. The material consumption of the coating 12 is extremely low and gases are prevented from penetrating through the membrane 4 into the interior space 6 .

2 zeigt eine schematische Darstellung gemäß einer zweiten Variante der erfindungsgemäßen Druckmesszelle 1 in einer Schnittansicht. Eine Membran 4 dieser Druckmesszelle 1 weist eine gasdichte Beschichtung 12 auf, die auf eine Innenseite 13 der Membran 4 aufgebracht ist. Die gasdichte Beschichtung 12 wird durch ein kohlenstoffbasiertes Material gebildet, das sehr dünn ist. Um die Beschichtung 12 zu schützen, ist diese innerhalb eines Innenraums 6 eines Druckabnehmers 2 der Druckmesszelle 1 angeordnet. Eine Beschädigung der gasdichten Beschichtung 12 durch äußere mechanische Einwirkungen wird auf diese Weise vermieden. 2 shows a schematic representation according to a second variant of the pressure measuring cell 1 according to the invention in a sectional view. A membrane 4 of this pressure measuring cell 1 has a gas-tight coating 12 which is applied to an inside 13 of the membrane 4 . The gas-tight coating 12 is formed by a carbon-based material that is very thin. In order to protect the coating 12, it is arranged inside an interior space 6 of a pressure sensor 2 of the pressure measuring cell 1. Damage to the gas-tight coating 12 by external mechanical influences is avoided in this way.

3 zeigt eine schematische Darstellung gemäß einer dritten Variante der erfindungsgemäßen Druckmesszelle 1 in einer Schnittansicht. Eine Membran 4 dieser Druckmesszelle 1 weist eine gasdichte Beschichtung 12 auf, die auf eine Außenseite 14 der Membran 4 aufgebracht ist. Die gasdichte Beschichtung 12 wird durch ein kohlenstoffbasiertes Material gebildet, das sehr dünn ist. Um die gasdichte Beschichtung 12 zu schützen, ist diese mit einer Schutzschicht 15 aus einem Schutzlack bedeckt. Eine Beschädigung der gasdichten Beschichtung 12 durch äußere mechanische Einwirkungen wird auf diese Weise verhindert. 3 shows a schematic representation according to a third variant of the pressure measuring cell 1 according to the invention in a sectional view. A membrane 4 of this pressure measuring cell 1 has a gas-tight coating 12 which is applied to an outside 14 of the membrane 4 . The gas-tight coating 12 is formed by a carbon-based material that is very thin. In order to protect the gas-tight coating 12, it is covered with a protective layer 15 made of a protective lacquer. Damage to the gas-tight coating 12 by external mechanical influences is prevented in this way.

BezugszeichenlisteReference List

11
Druckmesszellepressure cell
22
Druckabnehmerpressure pickup
33
Druckmessumformerpressure transmitter
44
Membranmembrane
55
Gehäusehousing
66
Innenrauminner space
77
Membrankammermembrane chamber
88th
Verbindungskanalconnecting channel
99
Druckmittlermediumdiaphragm seal medium
1010
Außenflächeouter surface
1111
Sensormembransensor membrane
1212
Beschichtungcoating
1313
Innenseiteinside
1414
Außenseiteoutside
1515
Schutzschichtprotective layer

Claims (13)

Druckmesszelle (1) mit einem Druckmessumformer (3) und einem mit dem Druckmessumformer (3) verbundenen Druckabnehmer (2), wobei der Druckabnehmer (2) eine Membran (4) zur Aufnahme eines Drucks aufweist, wobei innerhalb des Druckabnehmers (2) ein Innenraum (6) gebildet wird, der an die Membran (4) angrenzt, und wobei innerhalb des Innenraums (6) ein Druckmittlermedium (9) befindlich ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckmesszelle (1) eine gasdichte Beschichtung (12) aufweist, welche die Membran (4) flächig bedeckt.Pressure measuring cell (1) with a pressure transducer (3) and a pressure transducer (2) connected to the pressure transducer (3), the pressure transducer (2) having a membrane (4) for recording a pressure, with an interior space inside the pressure transducer (2). (6) is formed, which adjoins the membrane (4), and wherein a pressure transmitter medium (9) is located within the interior (6), characterized in that the pressure measuring cell (1) has a gas-tight coating (12) which Membrane (4) fully covered. Druckmesszelle (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gasdichte Beschichtung (12) durch ein gasdichtes, kohlenstoffbasiertes Material gebildet wird.Pressure measuring cell (1) after claim 1 , characterized in that the gas-tight coating (12) is formed by a gas-tight, carbon-based material. Druckmesszelle (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (12) eine Dichtungsschicht aufweist, die durch eine kohlenstoffbasierte, zweidimensionale Kristallstruktur gebildet wird.Pressure measuring cell (1) according to one of Claims 1 or 2 , characterized in that the coating (12) has a sealing layer which is formed by a carbon-based, two-dimensional crystal structure. Druckmesszelle (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (12) eine Dichtungsschicht aufweist, die durch Graphenoxid gebildet wird.Pressure measuring cell (1) according to one of Claims 1 or 2 , characterized in that the Coating (12) has a sealing layer formed by graphene oxide. Druckmesszelle (1) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (12) genau eine Dichtungsschicht aufweist.Pressure measuring cell (1) according to one of claims 3 or 4 , characterized in that the coating (12) has exactly one sealing layer. Druckmesszelle (1) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (12) eine Vielzahl von stapelartig angeordneten Schichten umfassend die Dichtungsschicht und zu der Dichtungsschicht gleichartig ausgebildete weitere Dichtungsschichten aufweist.Pressure measuring cell (1) according to one of claims 3 or 4 , characterized in that the coating (12) has a multiplicity of layers arranged in a stack, comprising the sealing layer and further sealing layers designed in the same way as the sealing layer. Druckmesszelle (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (12) eine Dicke von weniger als 1 µm aufweist.Pressure measuring cell (1) according to one of claims 2 until 6 , characterized in that the coating (12) has a thickness of less than 1 µm. Druckmesszelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum (6) durch eine Membrankammer (7) und einen Verbindungskanal (8) gebildet wird, wobei die Membrankammer (7) an die Membran (4) angrenzt und der Verbindungskanal (8) an eine Außenfläche (10) des Druckmessumformers (3) angrenzt und in die Membrankammer (7) mündet.Pressure measuring cell (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the interior (6) is formed by a membrane chamber (7) and a connecting channel (8), the membrane chamber (7) adjoining the membrane (4) and the connecting channel (8) adjoins an outer surface (10) of the pressure transmitter (3) and opens into the diaphragm chamber (7). Druckmesszelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckmessumformer (3) einen piezoelektrischen Drucksensor aufweist.Pressure measuring cell (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the pressure measuring transducer (3) has a piezoelectric pressure sensor. Druckmesszelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (4) eine wellenförmig strukturierte Oberfläche aufweist, wobei die Beschichtung (12) an der Oberfläche anliegt und in ihrer Form der Oberfläche angepasst ist.Pressure measuring cell (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the membrane (4) has a wavy structured surface, the coating (12) lying on the surface and being adapted in shape to the surface. Druckmesszelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (12) auf eine Innenseite (13) der Membran (4) aufgebracht ist.Pressure measuring cell (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the coating (12) is applied to an inside (13) of the membrane (4). Druckmesszelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (12) auf eine Außenseite (14) der Membran (4) aufgebracht ist, wobei die Beschichtung (12) mit einer Schutzschicht (15) bedeckt ist.Pressure measuring cell (1) according to one of Claims 1 until 10 , characterized in that the coating (12) is applied to an outer side (14) of the membrane (4), the coating (12) being covered with a protective layer (15). Druckmesszelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (4) aus einem Metall besteht.Pressure measuring cell (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the membrane (4) consists of a metal.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE3008572A1 (en) 1980-03-06 1981-09-10 Robert Bosch Gmbh, 7000 Stuttgart Pressure measurement cell for IC engine induction - has glass-ceramic membrane on thick film substrate with solid attachment between
DE69922727T2 (en) 1998-03-31 2005-12-15 Hitachi, Ltd. Capacitive pressure transducer
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