DE2237535A1 - Dehnungsmesser-druckwandler - Google Patents

Dehnungsmesser-druckwandler

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Description

Dr. rer, nat. Horst Schüler PATENTANWALT
6 Frankfurt/Main 1, 28, Juli 1972
Niddastraße 52 Vo J\\e ,
Telefon (0611)237220 Postscheck-Konto ·. 282420 Frankfurt/M. Bank-Konto: 225/0389 Deutsche Bank AG, Frankfurt/M.
GENERAL ELECTRIC COMPANI
1 River Road Schenectady, N.Y,/Ü»S,A»
Dehnungsmesser-Druckwandler
Die Erfindung bezieht sich auf solche Druckwandler, die Piezowiderstands-Dehnungsmesser verwenden, die in einem flexiblen Diaphragma bzw. einer Membran ausgebildet sind, die einem zu messenden Druck ausgesetzt ist, Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine verbesserte Befestigungsanordnung für das Diaphragma, die Meßfehler verhindert, die aus Diaphragma-Beanspruchungen resultieren, die nicht durch den zu messenden Druck hervorgerufen werden.
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Druckwandler, die eine Dehnungsmesser-Membran als druckempfindliches Element verwenden, sind an sich bekannt. Neuere Entwicklungen haben hervorragende Diaphragmen oder Membranen des integralen Typs erzeugt, bei dem eine flexible Membran oder ein Diaphragma aus einem monokristallinen Halbleiter wie z.B. Silizium gebildet wird. Die Dehnungsmesser-Widerstandselemente werden Integral auf der einen Seite der Membran durch ein Diffuslons-odeiJEpltaxial-Abscheidungsverfahren gebildet. Diese Konstruktion vermeldet Meßfehler, die bisher bei verbundenen bzw. geklebten Dehnungsmeßstrukturen auftraten, die durch eine Schlüpfung zwischen den Dehnungsmesserelementen und der flexiblen Membran hervorgerufen wurden, auf der die Elemente angebracht waren. Um jedoch derartige Dehnungsmesser-Membranen in Druckwandlern zu verwenden, muß die Membran auf geeignete Weise in einem Gehäuse angebracht werden, das mit einer Quelle des zu messenden Strömungsmitteldruckes verbunden werden kann· Bei vielen industriellen Applikationen sind die zu messenden Drucke im wesentlichen so, daß eine unempfindliche Befestigungs- und Abdichtungsanordnung für die den Druck abtastende Membran erforderlich 1st.
Um eine adäquate Festigkeit zu erzielen, wird die Membran gewöhnlich auf einem aus Metall hergestellten Träger befestigt, indem sie mit einem geeigneten Kleber, wie z. B. einem Epoxyharz, miteinander verbunden werden. Da die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des metallischen Trägers und der Siliziummembran wesentlich voneinander abweichen, führen Veränderungen der Umgebungstemperatur zu Spannungen auf der Membran, die Anlaß zu einem Meßfehler geben. Dieser Fehler entsteht deshalb, well die auf die Membran ausgeübten thermischen Beanspruchungen Veränderungen In dem gemessenen Widerstand der Dehnungsmesserelemente verursachen, die von denjenigen Änderungen nicht unterscheidbar sind, die durch Biegespannungen der Membran hervorgerufen werden, die aus änderungen in dem gemessenen Druck resultieren, Ferner kann sich die Klebeverbindung mit der Zeit oder bei einer höheren Temperatur verschlechtern, wodurch Verschiebungen In der Wandlercharak-
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teristlk hervorgerufen werden. Es sind Versuche gemacht worden, um diese Nachteile zu vermeiden, indem der Membranträgei* aus dem gleiche« Material wie die Membran hergestellt wurde, d. h. aus monokristallinem Silizium, so daß die Membran und der Träger die gleichen AusdehßungskoeffizienteB haben, BIe Schwierigkeit bei dieser Lösung besteht darin, daß die Verwendung von Silizium als Membranträgermaterial teuer ist, insbesondere wenn der Träger groß genug gemacht worden 1st, um die Membran mechanisch von einem Bereich starker Dehnung nahe der Druckdichtung zu trennen. Weiterhin ist Silizium ein sprödes Material, das untet Druck zum Bruch neigt, insbesondere in Bereichen, wo öberflächennarben oder -Riße vorhanden sein können.
Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Druckwandler zu schaffen, der eine Slliziummembrän mit integralen Dehnungsmessern verwendet und eine verbesserte Befestigungsanördnung für die Membran aufweist, die durch thermische Beanspruchung der Membran hervorgerufene Meßfehler eliminiert.
Weiterhin beinhaltet die Erfindung einen Druckwandler, der billiger als die bisher zur Verfügung stehenden zu fertigen ist.
Weiterhin ist es eine der Erfindung zugrunde liegendem Aufgabe, einen verbesserten Druckwandler zu schaffen, der leicht zu konstruieren und montieren ist und der auch zur Massenproduktion gut geeignet ist.
Erfindungsgemäß ist die druckempfindliche Siliziummembran auf dem einen Ende eines zyllnderförmigen Trägers angebracht, der eine derart angeordnete Axialbohrung aufweist, daß der aktive Bereich der Membran über der Bohrung liegt. Der Träger ist aus einem Eorsilikatrlas hergestellt, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient
ist
etwa der gleiche^ wie derjenige der Siliziummembran, um Temperaturbeanspruchungen in dem Diaphragma bzw. der Membran zu eliminieren. Um jede Schlüpfung zwischen der Membran und dem Träger
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zu verhindern, 1st die eingefaßte bzw, festgehaltene Randlage der Membran durch ein anodisches Verbindungsverfahren integrierend an dem Tr'ifrerende befestigt. Der Membranträger 1st so in dem Wandlergehäuse unter Ausbildung einer Dichtung mit diesem angebracht, daß das die Membran tragende Ende und die benachbarten Seitenabschnitte mit Abstand zu den GehSusewänden in eine Druckkammer hineinragen. Die Defestlgungsanordnung ist so, daß der Membranglasträger bei einer Benutzung nur auf Druck beansprucht ist, wodurch die Möglichkeit eines Bruches stark reduziert ist. Darüber hinaus sind die durch die Druckdichtung ausgeübten Befestigungsspannungen mechanisch von dem Membranende des Trägers getrennt. Elektrische Leiter, die zur Widerstandemessung an den Dehnmgsmesserelementen auf dem aktiven Bereich der Membran befestigt sind, werden auf einem Isolierteil getragen, der durch die axiale Bohrung im Membranträger hindurch zur Außenseite des Gehäuses führt. Die Befestigung und Führung der Leiter kann aber auch durch andere geeignete Mittel erfolgen.
Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen eines Ausführungsbeispieles näher erläutert,
Fig. 1 ist eine Schnittbilddarstellung von einem Druckwandler mit einer erfindungsgemäßen aufgebauten MembranbefeäigungsanOrdnung.
Fig. 2 1st eine Ansicht von oben auf den zylindförmigen Träger, auf dem die druckempfindliche Membran angebracht ist.
Fig. 3 ist eine Schnittbildansicht von dem oberen Ende des herausführenden Leiterstreifena, in Richtung der Schnittlinie 3 - 3 in Fig. 1 gesehen, zusammen mit daran angeschlossenen elektrischen Anschlüssen,
Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht von dem unteren Ende des her-
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ausführenden Leiterstreifens, in Richtung der Schnittlinie 1I - t in Fig. 1 gesehen, mit daran angeschlossenen elektrischen Anschlüssen.
In Fig. 1 1st ein Druckwandler gezeigt, der eine druckempfindliche Membran des Dehnungsmessertyps als Sensor zum Messen des Druckes eines Strömungsmittels verwendet. Wie aus dieser Figur hervorgeht, enthält der Druckwandler ein Gehäuse 10 mit einer Bohrung 11, die eine Druckkammer 12 bildet, die mit einer Umhüllung 13, wie z, B, einem Tank oder einer Leitung in Verbindung steht, in der ein Strömungsmittel enthalten ist, dessen Druck zu messen ist. Die Verbindung zwischen dem Wandler und der Umhüllung 13 kann in gezeigter Weise mittels eines Gewindeflansches Ik gebildet werden, der auf dem einen Ende des Gehäuses 10 ausgebildet ist.
Innerhalb der Druckkammer 12 1st eine druckempfindliche Membran oder ein Diaphragma 15 gehalten, das sich in Abhängigkeit von Druckänderungen in der Druckkammer biegt. Die Membran bzw. das Diaphragma ist vorzugsweise aus einem monokristalllneri Slllzlumsubstrat gebildet, das Piezowiderstands-Dehnungsmesserelemente l6 als Halbleiter-Dehnungssensoren aufweist, die darin einstückig durch eine Festkörper-Diffusion ausgebildet sind, TypischerweIse sind auf der Membran vier Dehnungsmesser angeordnet, so daß zwei auf Zug und zwei auf Druck beansprucht sind, wenn sich die Membran biegt. Diese sind In einer Wheatstone-Brückenschaltung verbunden, durch die Widerstandsänderungen als AnzeLge für den Druck In der Kammer 12 gemessen werden. Der Aufbau der Membran bzw, des Diaphragma ist bekannt und kann beispielsweise ähnlich wie der in dem US-Patent 3 557 319 gezeigte sein.
Um die Membran 15 in der Druckkammer' 12 so zu halten, daß ihre? entgegengesetzten Selten einer eine Biegespannung erzeugenden Druckdifferenz aufgesetzt sind, ist ein zyllnderförmlger, Träger 17 mit einer axialen Bohrung iß vorgesehen, die durch den Träger hindurchfflhrt. Die Membran 1st mit dem alnem Ende des Trägern
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verbunden, so daß ihr aktiver Bereich, der die Dehnungsmesserelemente 16 trägt, über einer öffnung 19 liegt, die an dem einen Ende von der axialen Bohrung 18 ausgebildet 1st. Die öffnung 20 an dem anderen Ende ist mit der Atmosphäre verbunden, wenn der Wandler zur Messung des Überdruckes verwendet wird, oder alternativ mit einer Niederdruckquelle oder mit Vakuum zur Messung des absoluten Druckes oder mit einer zweiten Druckquelle zur Messung einer Druckdifferenz. Somit biegt sich der aktive Bereich der Membran gemäß dem zu messenden Druck.
Um Meßfehler zu verhindern, die durch thermisch bedingte Ausdehnungsunterschiede zwischen der Membran 15 und dem Träger 17 hervorgerufen werden, ist der Träger aus einem hitzebest^.ändlgen Glas mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten hergestellt, der etwa gleich demjenigen der Membran ist. Ein derartiges Glas ist beispielsweise ein Borsilikatglas, das von der Corning Glas Company hergestellt und mit Pyrex Nr, 77^0 bezeichnet wird. Vorzugsweise wird das Glas vor einer Verwendung Vergütet, um irgendwelche örtlichen Spannungen zu beseitigen, μ
Um sicherzustellen, daß kein Meßfehler auftritt, der -durch eine Schlüpfung zwischen der Membran und dem Träger verursacht,wird, 1st der eingefaßte Randabschnitt 21 der Membran einstückig, (integrierend) mit dem Trägerende 22 verbunden. Dies ges.pjii.ehfc vorzugsweise durch ein anodisches Verbindungsverfahren, wie en>t beispielsweise in dem US-Patent 3 397 278 beschrieben 1st. Zur- , Herstellung dieser Verbindung wird das Trägerende 22 zunächst poliert, um eine optisch ebene Oberfläche neben der Membran lr> zu bilden. Wenn die Membran und das Trägerende fluchtend miteinander In Kontakt stehen, wLrd der Träger erhitzt, umjseine elektrische Leitfähigkeit zu erhöhen, während über die zu verbindenden Elemente ein elektrisches Potential gelegt wird. Dieses erzeugt einen elektrischen Stromfluß zwischen den Elementen und ein elektrostatisches Feld, wodurch eine Verbindung 2 5 ausgebildet wird, wie es In dem vorstehend genannten US-Patent
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1 ViΊ Γ7Β ausführlich beschrieben ist. Der aktive Bereich der Membran i ni normalerweise kreisförmig und hat etwa die gleiche 1'1Ia-ChG wie die Fläche der Bohrung 18. Der Außenrand der Membran Kann quadratisch, wie es in"Pig, 2 gezeigt ist, oder kreisförmig sein oder irgendeine andere geeignete Form haben. Der eingefaßte Randabschnitt 21 sollte genügend tief sein, so daß dadurch im wesentlichen keine Biegekraft auf den aktiven Mittelbereich der Membran übertragen wird und dadurch eine Nichtlinearität des Sensorverhaltens hervorgerufen wird,
Vorzugsweise vor dem oben beschriebenen Verbindungsverfahren werden elektrische Verbindungen mit den Dehnungsmesserelementen 16 hergestellt, durch die Widerstandsänderungen darin als eine Anzeige für den Druck über der Membran in einer Wheatstone-Brückenschaltung gemessen werden,
Typischerweise werden die Widerstandselemente auf der Membran,
als R
die in Figur 1I schematisch/R., R^1 /und Rj. dargestellt sind, durch Diffusion eines Materials wie z, B. Bor in die Membran gebild-et, um so die vier Widerstandsschenkel der Brückenschaltung zusammen mit den integral ausgebildeten Zwischenverbindungsstellen und den Kontaktstreifen an den Widerstands-Knotenpunkten auszubilden. Eine derartige Anordnung ist beispielsweise in dem vorstehend angegebenen US-Patent 3 537 319 beschrieben, Leiterdrähte 2Ma, 2*Jb, 2*Jc und 2^d, die aus Gold oder einem anderen geeigneten Material hergestellt sind, verbinden die vier Kontaktstreifen (nicht gezeigt) und die oberen Enden der Leiterstreifen 25, 26, 27 und 28. Wie am besten aus den Figuren 3 und Ί zu ersehen ist, werden diese Streifen im Abstand zueinander auf einem isolierenden herausführenden Streifen 29 getragen, der aus einem geeignetem hitzebeständigen Material, wie z. B, Aluminiumoxid, hergestellt und so dimensioniert ist, daß ein Einsatz in die Bohrung 18 gestattet ist.
Die unteren Enden der Kontaktstreifen sind durch geeignete Leiterdrähte 31a, 31b, 31c und 31d mit einer V.'iderstands-Meßschal-
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tung verbunden, die ein Galvanometer 32 und eine Spannungsquelle 33 aufweist, wie es Pig. 3 gezeigt ist.
Nachdem die Leiterdrähte mit den Wlderstandselementen 16 der Membran sowie den Leiterstreifen 25, 26, 27 und 28 verbunden worden sind, wird das Leiterband 29 durch die Bohrung 18 In die in Figur 1 gezeigte Lage geschoben. Die Membran wird dann auf dem Trägerende 22 angeordnet und durch Strömungsmitteldruck In ihrer Lage gehalten. Die Verbindung der Membran mit dem Träger wird dann in der oben beschriebenen Weise durchgeführt und danach wird der Streifen 29 In der Bohrung 18 unbeweglich gemacht, Indem in das offene Ende ein Klebemittel eingespritzt wird. Auf Wunsch können die Dehnungsmesserelemente 16 auf der Oberseite der Membran angeordnet werden und in diesem Falle können die Leiter an der Außenseite des Trägers 17 befestigt werden.
Die endgültige Membrandicke kann durch Xtzung nach abgeschlossener Fertigung verringert werden, um somit eine Einstellung der Druckempfindlichkeit und die Entfernung irgendeiner Oberflächenbeschädigung zu gestatten, die die Festigkeit der Membran beeinträchtigen könnte.
Wenn die Membran 15, der Träger 17 und der herausführende Leiterstreifen 29 zusammengebaut sind, werden sie auf einem Gehäuse 10 angebracht, um so· eine druckdichte Abdichtung auszubilden. Zu diesem Zweck ist ein Gewindeflansch 31I vorgesehen, der auf den unteren Gehäuseteil geschraubt werden kann. Der Flansch weißt eine nach Innen ragende Schulter 35 auf, auf dem das untere Ende des Membranträgers 17 ruht. Durch die Schulter 35 wird auch ein Haltering 36 getragen, der gegen eine 0-Ringdichtung 37 drückt» die In einem ausgeschnittenen Abschnitt 38 des Gehäuses angeordnet ist. Wenn der Flansch 3Ί angezogen wird, wird der 0*11 ing durch Kompression und durch die Wirkung einer Nockenfläche 39 in dem Ausschnitt 38 in einen dichtenden Kontakt mit de» zylitiderförmlgen Träger 17 gedrückt. Der auf den Glastrtger 17
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geübte dichtende Druck ist radial gerichtet, um eine Druckkraft auf den Träger auszuüben. Da Glas auf Druck stark belastbar ist, wl-dersteht es jeder Tendenz zum Bruch aufgrund des Dichtdruckes,
In einigen Applikationen, wo der O-Ring als Dichtung nicht zufriedenstellend ist, kann der Träger 17 ein zusammengesetzter Körper sein, der aus einem metallischen Rohrschaft in dem Dichtungsbereich mit einem Glasabschnitt an dem einen Ende für die Anbringung der Meßeinrichtung hergestellt ist. Dies liefert eine größere Flexibilität der verwendeten Dichtungsart.
Aus der in Figur 1 gezeigten zusammengebauten Lage wird deutlich, daß das Membranende 22 des Trägers 17 und desgleichen die benachbarten Seitenabschnitte davon im Abstand zu den Gehäusewänden in die Druckkammer 12 hineinragen. Da die Bohrung 18 mit einem · kleineren Druck in Verbindung steht, als er normalerweise in der Kammer 12 steht, erfahren das Ende 22 des Trägers 17 und desgleichen die Seitenabschnit.te oberhalb der Dichtung 37 aufgrund der gemessenen Druckdifferenz eine Druckkraft, Wie im Falle des Dichtungsdruckes ist diese Kraftrichtung wünschenswert, da Glas auf Druck viel stärker beanspruchbar ist als auf Zug. Somit widersteht der Aufbau des Druckwandlers unter normalen Betriebsdruckbedingungen jeder Tendenz des Glases zum Bruch. Ferner ist zu bemerken, daß die Konstruktion die Trennung der druckempfindlichen Membran 15 von jeder Beanspruchung bzw, Dehnung im Träger 17 gestattet, die durch Druckkräfte hervorgerufen wird, die durch die Druckdichtung 37 ausgeübt werden, Diese Trennung der Beanspruchung wird durch eine richtige Auswahl der Länge des Trägers 17 sichergestellt, der in die Druckkammer 12 hineinragt. Während die Länge des Membranträgers nicht besonders kritisch ist, wurden gute Ergebnisse in der Praxis dadurch erhalten, daß diese hineinragende Länge das drei- bis zehn-fache des Trägerdurchmessers gemacht wurde. Da das Glasrohr, aus dem Träger 17 hergestellt wird, relativ billig ist, kann der Abstand der Beanspruchungstrennung ohne ernsthaften Kostennachteil groß gemacht ;■ werden,
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Zwar 1st der Leiterstreifen in der Weise dargestellt, daß er vier Leiter trägt, es kann aber auch eine größere Anzahl verwendet werden, um eine Nulleinstellung durch externe Parallelschaltung oder andere Zwecke wie z. B. eine Temperaturmessung zu gestatten·
Aus der vorstehenden Beschreibung wird deutlich, daß ein verbesserter Druckwandler geschaffen worden ist, der eine druckempfindliche Dehnungsmessmembran verwendet. Die integrale Verbindung 23 zwischen der Membran 15 und dem Träger 17 verhindert Jede Schlüpfung, die zu Meßfehlern Infolge von Hysterese-Wirkungen führen könnte. Indem der Träger 17 aus einem billigen Material wie z. B. Glas hergestellt wird, werden die Kosten des Wandlers gesenkt . Indem auch die Ausdehnungskoeffizienten des Glasträgers und der Siliziummembran angepaßt werden, werden thermische Beanspruchungen eleminiert, die zu Meßfehlern führen. Ferner wird dadurch, daß eine Konstruktion geschaffen wird, in der der Glasmembranträger nur auf Druck beansprucht wird, jede Tendenz zum Bruch stark vermindert, wenn er hohen Betriebsdrucken ausgesetzt ist. /
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der Druckwandler in kleinen Größen hergestellt werden kann Im Vergleich zu bekannten Druckwandlern mit vergleichbaren Druckbereichen und Empfindlichkeiten, Beispielswelse ist in einem Druckwandler, der erfindungsgemäß aufgebaut und zur Meßung eines Überdruckes
ο
in dem Bereich von 0 bis 63,3 kp/cm (0 - 900 psi) geeicht ist, der aktive Durchmesser des Dehnungsmessers etwa 0,2 cm (0,080 Zoll) mit einer Dicke von 0,02 cm (0,008 Zoll). Die Innen-und Außendurchmesser des rohrförmigen Glasträgers und seine Länge betragen 0,2 cm (0,080 Zoll), 0,76 cm (0,300 Zoll) bzw. 4,i|4 cm (1,75 Zoll).
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Claims (3)

-Ii--Patentansprüche
1. Druckwandler, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (10) mit Wänden, die eine Kammer (12) bilden, die mit einer Quelle des zu messenden Druckes (12) verbindbar ist, eine Membran (15) aus monpkristallinem Silizium, auf deren einen Seite von einem aktiven Membranbereich Piezo-Widerstands-Dehnungsmesser (l6) angeordnet sind, einen zylinderförmigen Träger (17) für die Membran (15), der aus Glas mit einer axialen Bohrung (18) hergestellt ist, wobei die Membran (15) einen eingefaßten Randteil aufweist, der einstückig mit dem einen Ende des Glasträgers (17) derart verbunden ist, daß der aktive Membranbereich über der axialen Bohrung Cl8) liegt, Mittel zur Befestigung des Trägers (17) auf dem Gehäuse (10) unter Ausbildung einer Dichtung (37) mit dem Gehäuse, so daß das die Membran (15) tragende Ende (22) und benachbarte Seitenabschnitte des Trägers (17) im Abstand zu den Gehäusewänden in die Kammer (12) hineinragen, und wobei sich die axiale Bohrung (18) am entgegengesetzten Ende des Trägers (17) zum Gehäuseaußenraum öffnet, so daß die Membran (15) von mechanischen Befestigungsspannungen getrennt und der gläserne Träger (17) auf Druck beansprucht ist, wenn die Kammer (12) unter Druck gesetzt ist, und durch elektrische Leiter (25 - 28), die mit den Dehnungsmessern (16) verbunden sind und von dem Gehäuse (10) nach außen führen,
2. Druckwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet-, daß der Membranträger (17) aus einem Borsililfatglas hergestellt ist, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient etwa gleich demjenigen der Siliziummembran ist, so daß durch Temperaturänderungen hervorgerufene Membranepannungen verringert sind»
3. Druckwandler nach Anspruch 1, dadurch g e k e η n-ε-e i c h η e t, daß die elektrischen Leiter (25 - Ρδ) im
309809/07 SO ■
Abstand angeordnete Streifen aus leitendem Material umfassen, die auf einem Streifen (29) aus einem isolierenden Substrat getragen sind, der durch die Bohrung (18) hindurchführt .
M. Druckwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Membraneinheit auf dem Gehäuse (10) angebracht ist und in die Druckkammer (12) hineinragt, die zusammengesetzt ist und einen langgestreckten Glasträger mit einer axialen Bohrung und eine spannungsempfindliche Siliziummembran aufweist, die auf dem einen Ende des Trägers befestigt ist, derart, daß sie über der Bohrung liegt, wobei die Membran einen eingefaßten äußeren Randteil aufweist, der durch ein anodisches Verbindungsverfahren integral mit dem Träger verbunden ist.
5. Druckwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß elektrische Leiter (2Ίβ 24d) an der Unterseite der Membran befestigt sind und durch die Bohrung aus dem Gehäuse herausführen,
6. Druckwandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein isolierender Streifen die Leiter trägt und derart dimensioniert ist, daß er in der Bohrung aufnehmbar ist.
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