DE202007015980U1 - Pressure sensor with a membrane - Google Patents

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Abstract

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.pressure sensor with a membrane (4) exposed to a medium to be measured is and from the deflection of a proportional to the measured pressure electrical signal can be generated, with a pressure channel (5) for Bringing the medium to be measured to the membrane (4), characterized in that the pressure channel (5) is formed that is an undercut-free contour with a cone-shaped Narrowing towards the membrane (4) results and that the shape of the housing (7,8) of the pressure sensor (1) by an appropriate choice of material and material thickness is designed so that in the field the diaphragm (4) an outside of the housing (7,8) pending Temperature of the surrounding medium is first in the region of the membrane (4).

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Technisches GebietTechnical area

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.The The invention relates to a pressure sensor with a membrane, preferably of a semiconductor material exposed to the medium to be measured and from the deflection thereof a pressure proportional to the measured pressure electrical signal can be generated, according to the preamble of the main claim.

Stand der TechnikState of the art

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.For example, it is from the DE 42 01 634 C2 known that on a semiconductor chip, preferably made of silicon, a membrane and a strain gauge are applied, with the over the deflection of the membrane a voltage applied to the membrane pressure of a fluid, optionally against a reference pressure, for example vacuum, can be detected. The pressure channel, which leads the fluid to the membrane, is integrated into a dimensionally stable housing and often has undercuts that widen towards the membrane.

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.It is known per se to monitor the function an air filter mounted in a motor vehicle pressure sensors be, in particular the differential pressure between the upstream side and measure the downstream side of the filter element and thus a possible overload of the filter element with dirt particles can show.

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.at today's pressure sensors in silicon technology becomes the carrier chip, which usually also has the electronics, in one place made thin, thereby creating the measuring membrane. Although these membranes are chemically resistant to a variety of substances resistant but mechanically very sensitive. On the one hand, this is wanted to be able to measure small pressure change, at where the membrane is only slightly deflected, on the other hand This also brings with it mechanical problems.

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.For example When pressure measurements in air, some drops of water can occur by condensation on the membrane and it can accumulate at low Temperatures come to an ice formation. Due to the ice formation pressure On the sensitive membrane, it can then lead to destruction come to the membrane. Especially in the mentioned by the Undercuts formed chambers may include water in front of the membrane and when frozen by the expansion are relatively large Exert forces on the membrane.

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 1 798 410 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.So far, attempts have been made to avoid this by special installation instructions of the pressure sensor or complex constructions, to small heaters for the pressure sensors, and thereby prevent local freezing. From the DE 1 798 410 is merely a thermoregulating membrane assembly for a pressure transducer is known in which, in order to avoid overheating, a cooling plate or a perforated Wärmeleit is arranged sheet. Due to the perforation, the pressure can reach the membrane, but the heat is dissipated.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

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.The Invention is based on a pressure sensor with a membrane, the is exposed to a medium to be measured and from the deflection an electrical signal proportional to the measured pressure can be generated is, with a pressure channel for the introduction of the measured Medium to the membrane. According to the invention is in Advantageously, the pressure channel designed so that a undercut-free contour with a conical narrowing towards the membrane results and the shape of the housing of the Pressure sensor is through an appropriate material selection and material thickness designed so that in the membrane an outside on Housing pending temperature of the surrounding medium itself first affects the membrane.

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.Of the Pressure sensor can be attached to an air filter in Luftansaugweg for an internal combustion engine be arranged in a motor vehicle, so that the loading state via a pressure change of the air filter can be determined with particles.

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 Drucckammer im Bereich der Membran zu dem das Glasbauelement umgebenden Raum eine relativ gute Wärmeleitfähigkeit ergibt.Prefers In the case of the pressure sensor, the membrane is part of a silicon chip formed, wherein the silicon chip arranged at the end of the pressure channel is and has a conical constriction, which in the Formation of the membrane ends and on the other side of the membrane is a reference pressure chamber arranged by a glass component so enclosed is that in the connection of the pressure chamber in the region of the membrane to the space surrounding the glass component gives a relatively good thermal conductivity.

In vorteilhafter Weise kann sich die Druckkammer erfindungsgemäß im Anschluss an den Siliziumchip kegelförmig erweiternd fortsetzen, wobei das entsprechende Gehäuseteil aus Glas bestehen kann.In Advantageously, the pressure chamber according to the invention in Continue connecting the silicon chip in a cone-shaped manner, wherein the corresponding housing part may consist of glass.

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.The The invention relates to the protection of the measuring cell of a pressure sensor mechanical stress by ice on the membrane. Although a pressure measurement still not possible with icing of the measuring channel a destruction of the measuring cell can be avoided.

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.By the inventive design of the structure of Pressure sensor and its housing will be taken care that any existing water in the pressure channel only at the sensitive Membrane of the measuring cell and then frozen or thawed in the pressure channel. Thus, the mechanical pressure, z. B. by the extent of freezing water on the membrane of the measuring cell by the mold the pressure channel and reduces the heat capacity of the housing.

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.By the inventive design of the pressure channel is achieved that a possible ice formation on the sensitive Membrane begins and the other forces of ice formation at a distance from the diaphragm not by the already existing Ice layer on the membrane can enter into it and thus of the wall of the pressure channel can be recorded. Becomes complied with this condition, so is the further shaping and material selection for the housing completely free.

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.Thereby, that there is no pressure in the entire pressure channel up to the membrane of the measuring cell Undercuts are that the pressure channel formed cone-shaped and thus the smallest volume is directly in front of the membrane and in that the shape of the housing in the region of the pressure channel and the membrane is chosen so that when cooled the environment the temperature in the housing at the diaphragm first reached the freezing point is achieved in an advantageous manner the membrane by the early freezing of water its surface virtually provided with a protective layer is that protects the membrane from further mechanical pressure.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

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.The invention is based on a 1 of the drawing explained with an embodiment schematically showing a section through a pressure sensor for an air filter in a motor vehicle, which is equipped with a tapered tapered pressure channel.

Ausführungsform(en) der ErfindungEmbodiment (s) of the invention

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.In 1 The drawing is a pressure sensor 1 shown a silicon chip 2 as a carrier for piezoresistive sensor elements 3 and a membrane 4 having. In a pressure channel 5 is the medium to be measured, for example, the air of an air filter in a motor vehicle, the membrane 4 supplied, wherein the membrane 4 a reference pressure chamber 6 , here with a vacuum, is opposite.

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.The reference pressure chamber 6 is from a housing part 7 surrounded by glass and the pressure channel 5 sits down below the membrane 4 with a likewise conical extension in another housing part 8th continued.

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.If now in the pressure channel 5 of the pressure sensor 1 any existing water or water droplets are present, this is first in an area 9 on the membrane 4 a low temperature in the vicinity of the housing parts 7 and 8th and the silicon chip 2 exposed. By doing so throughout the pressure channel 5 to the membrane 4 there are no undercuts and the pressure channel 5 is conical, thus the smallest volume is directly in front of the membrane 4 , When the environment of the housing cools down, the temperature first reaches the membrane 4 through the heat conduction 10 the freezing point. By early freezing of water at the surface of the membrane 4 this is virtually provided with a protective layer, which is the membrane 4 before further mechanical pressure of freezing water in the pressure channel 5 protects.

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.The illustration described above applies to absolute pressure sensors. In a differential pressure sensor has the housing part 7 at least one opening to establish a connection between ambient pressure and internal pressure.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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  • - DE 1798410 [0006] - DE 1798410 [0006]

Claims (6)

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.Pressure sensor with a membrane ( 4 ), which is exposed to a medium to be measured and from whose deflection an electrical signal proportional to the measured pressure can be generated, with a pressure channel ( 5 ) for bringing the medium to be measured to the membrane ( 4 ), characterized in that the pressure channel ( 5 ) is formed so that an undercut-free contour with a conical narrowing to the membrane ( 4 ) and that the shape of the housing ( 7 . 8th ) of the pressure sensor ( 1 ) is formed by an appropriate choice of material and material thickness so that in the region of the membrane ( 4 ) one outside the housing ( 7 . 8th ) the temperature of the surrounding medium is first in the region of the membrane ( 4 ). 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.Pressure sensor according to claim 1 with a membrane ( 2 ) as part of a silicon chip ( 2 ), characterized in that the silicon chip ( 2 ) at the end of the pressure channel ( 5 ) is arranged and has a conical constriction, which in the formation of the membrane ( 4 ) and that on the other side of the membrane ( 4 ) a reference pressure chamber ( 6 ) arranged by a glass component as a housing part ( 7 ) is enclosed in such a way that in the connection of the pressure chamber ( 5 ) on the membrane ( 4 ) to the area surrounding the glass component ( 9 ) gives a relatively good thermal conductivity. Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckkammer (5) sich im Anschluss an den Siliziumchip (2) in einem weitern Gehäuseteil (8) kegelförmig erweiternd fortsetzt.Pressure sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the pressure chamber ( 5 ) following the silicon chip ( 2 ) in a further housing part ( 8th ) continues to extend conically. Drucksensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Gehäuseteil (8) im Anschluss an den Siliziumchip (2) aus Glas besteht.Pressure sensor according to claim 3, characterized in that the further housing part ( 8th ) following the silicon chip ( 2 ) consists of glass. 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.Pressure sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the pressure sensor ( 1 ) is arranged on an air filter in Luftansaugweg for an internal combustion engine in a motor vehicle and is determined by a pressure change of the loading state of the air filter with particles. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuseteil (7) eine Öffnung zum Druckausgleich zwischen Druckkammer (6) und Umgebungsdruck aufweist.Pressure sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the housing part ( 7 ) an opening for pressure equalization between the pressure chamber ( 6 ) and ambient pressure.
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