DE4133061A1

DE4133061A1 - Drucksensor

Info

Publication number: DE4133061A1
Application number: DE19914133061
Authority: DE
Inventors: Jiri Dipl Ing Dr Marek; Kurt Ing Grad Weiblen
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1991-10-04
Filing date: 1991-10-04
Publication date: 1993-04-15
Also published as: WO1993007457A1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Drucksensor nach der Gattung des Hauptanspruches. Aus der US 36 97 919 sind bereits Drucksensoren bekannt, bei denen das Meßelement durch eine Edelstahlmembrane und eine inkompressible Flüssigkeit vor dem Einfluß aggressiver Meßme dien geschützt wird. Besonderen Wert wird dabei auf die hermetisch dichte Verpackung des Meßelementes gelegt. Das Meßelement wird durch eine Bohrung in einem Glasträger, die auch einen Referenzdruck auf das Meßelement läßt, kontaktiert. Die feste Verbindung von Glas träger und Gehäuse wird durch eine konische Fassung erreicht. Dieser Drucksensor ist aufwendig in seiner Fertigung.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Drucksensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruches hat demgegenüber den Vorteil, daß das Meßelement auf sehr einfache und kostengünstige Weise gegen den Einfluß aggres siver Medien geschützt wird.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Drucksensors möglich. Besonders vorteilhaft ist die Ver wendung von Fluorkohlenstoffen, insbesondere PTFE, da die mikropo rösen Eigenschaften dieser Materialien besonders gut sind und gut kontrolliert werden können. Durch die Beschichtung des Meßelementes mit einem Elastomer werden die Meßelemente zusätzlich gegen die kor rosive Wirkung von Gasen geschützt. Als besonders gut mit den Meß elementen verträglich hat sich dabei Silikonkautschuk herausge stellt. Durch die getrennte Fertigung von Deckel mit eingebauter poröser Platte und Gehäuse können jeweils optimierte Fertigungstech niken verwendet werden. Besonders vorteilhaft ist dabei die Verwen dung von Spritzguß für die Herstellung der Deckel, da in diesem Fall die porösen Platten bei der Herstellung zum Teil umspritzt werden können und so eine besonders einfache Massenfertigung möglich ist. Durch die Ausgestaltung des Deckels mit Luftkanälen wird sicherge stellt, daß die poröse Platte vor direkten Flüssigkeitsspritzern und direkter Berührung geschützt wird. Durch die Verwendung eines Boro silicatglas-Elements werden, wegen des geringen thermischen Ausdeh nungskoeffizienten dieses Materials, die thermischen Spannungen zwischen Meßelement und Gehäuse minimiert. Durch die Verwendung ei nes Druckdurchlasses im Borosilicatglas-Element kann der Drucksensor als Differenzdrucksensor ausgestaltet werden. Durch die Ausgestal tung des Borosilicatglas-Elementes als Rohr wird die Montage des Borosilicatglas-Elementes in dem Gehäuse vereinfacht. In diesem Fall kann das Borosilicatglas-Element mit nur geringem Justieraufwand in das Gehäuse eingeklebt werden. Fertigungstechnisch ist es besonders einfach, wenn das Gehäuse elektrische Durchführungen aufweist und das Meßelement durch Bonddrähte angeschlossen wird. Um eine einfache Verbindung von Gehäuse und Deckel zu gewährleisten, ist das Gehäuse mit einem Absatz für die Aufnahme des Deckels versehen. Durch den Druckmittelanschluß des Gehäuses wird der Einsatz des Sensors als Differenzdrucksensor vereinfacht.

Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen darge stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Drucksensor mit einem Meß element auf einem Borosilicat-Glas-Sockel und Fig. 2 einen erfin dungsgemäßen Drucksensor mit einem rohrförmigen Borosilicatglas-Ele ment.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 und Fig. 2 ist mit 1 ein Meßelement bestehend aus einem Siliziumrahmen 2 und einer Membran 3 bezeichnet. Dieses Meßelement 1 ist auf einem Borosilicatglas-Element 10, 11 montiert. Mit 4 ist das Gehäuse und mit 8 der Deckel bezeichnet. In den Deckel 8 ist eine poröse Platte 5 eingebaut. Über eine teilweise als Luftkanal 9 aus gestaltete Öffnung 19 gelangt der Druck des Mediums 6 z. B. der Außenluft auf die Poröse Platte 5 und so auf die Oberseite des Meßelements 1. Durch je einen Druckdurchlaß 12, 13 des Borosilicat glas-Elements 10, 11 und des Gehäuses 4 wird die Unterseite der Mem bran 3 mit einem anderen Druck belastet. In folge dieses Druckunter schieds wird die Membran 3 verformt. Wenn das Meßelement 1 nur von einer Seite mit einem veränderlichen Druck belastet wird und auf der anderen Seite einen hermetisch dichten Hohlraum aufweist, so kann der Sensor als Absolutdrucksensor verwendet werden, sonst als Differenzdrucksensor. Das Meßelement 1 wird durch elektrische Durch führungen 15 und durch Bonddrähte 18 angeschlossen. Der Deckel 8 ist in einem Absatz 16 des Gehäuses 4 eingeklebt. Das Gehäuse 4 weist einen Druckmittelanschluß 17 auf. Das Meßelement 1 ist oben mit einer dünnen Silikonkautschukschicht 7 bedeckt.

Die poröse Platte 5 besteht aus einem Fluorkohlenstoff wie bei spielsweise PTFE. Die poröse Platte 5 hat die Eigenschaft Flüssig keiten vom Meßelement 1 fernzuhalten und gleichzeitig Gasmoleküle ungehindert durchzulassen. Auf diese Weise wird das Meßelement 1 vor dem korrosiven Einfluß von Flüssigkeiten wie beispielsweise Benzin, Öl oder Wasser geschützt. Durch die Gasdurchlässigkeit findet jedoch ein ungehinderter Druckausgleich zwischen dem vorwiegend gasförmigen Medium 6 und dem Inneren des Gehäuses 4 statt. Das Meßelement 1 wird so mit dem Druck des Mediums 6 beaufschlagt, ohne daß Flüssigkeiten auf das Meßelement 1 gelangen können. Die das Meßelement 1 bedec kende Schicht aus Silikonkautschuk 7 hat die Funktion, den Angriff des Meßelementes 1 durch Gasmoleküle, die von der porösen Platte durchgelassen wurden, zu verhindern. Im Gegensatz zu bisherigen Kon zepten von Drucksensoren ist das Meßelement 1 nicht mehr hermetisch von der Umwelt abgekoppelt. Die Verpackung der Meßelemente erfolgt daher besonders kostengünstig.

Als Materialien für die Membran 3 können dielektrische Schichten wie Siliziumoxid oder Siliziumnitrid verwendet werden, aber auch Mem branen, die ebenfalls aus einkristallinem Silizium bestehen, sind verwendbar. Im letzteren Fall weisen Siliziumrahmen 2 und Silizium membran 3 eine unterschiedliche Dotierung auf. Der Nachweis der Mem branverformung infolge des Druckunterschieds auf beiden Seiten der Membran 3 kann durch aufgebrachte piezoresistive Dehnungsmeßstreifen erfolgen. In äquivalenter Weise sind Meßelemente mit kapazitivem Meßprinzip vorstellbar. Durch die Silikonkautschukschicht 7 wird die Empfindlichkeit des Meßelements nur unwesentlich beeinflußt. Diese Schicht wird besonders kostengünstig am fertigen Drucksensor durch Aufbringen eines Tropfen Silikonkautschuks auf das Meßelement und einer Temperaturbehandlung erzeugt. Dieser Schritt erfolgt ferti gungstechnisch besonders einfach unter Verwendung einer automati schen Dosiervorrichtung. Durch die Verwendung der Borosili cat-Elemente 10, 11 werden die Meßelemente 1 besonders spannungsarm montiert, da der Ausdehnungskoeffizient von Borosilicatglas dem von Silizium sehr nahe kommt. Die Verbindung des Meßelements 1 mit dem Borosilicatglas-Element 10, 11 erfolgt durch anodisches Bonden. Durch die in Fig. 2 gezeigte Montage auf einem rohrförmig ausge bildeten Borosilicatglas-Element 11 wird zusätzlich eine mechanische Entkopplung des Meßelementes 1 vom Ausdehnungskoeffizienten des Ge häuses 4 erreicht. Durch das lange rohrförmige Borosilicatglas-Ele ment 11 werden potentielle mechanische Verspannungen zwischen dem Gehäuse 4 und dem Meßelement 1 im Borosilicatglas-Körper abgebaut. Außerdem wird durch die Vertiefung 14 des Gehäuses 4 die Justierung der Druckdurchlässe 12, 13 des Borosilicatglas-Elements 11 und des Gehäuses 4 erreicht. Besonders einfach erfolgt die Verbindung von Borosilcatglas-Element 10, 11 und Gehäuse 4 durch Kleben.

Der Deckel 8 wird besonders kostengünstig durch Spritzguß gefertigt. Dabei wird die poröse Platte 5 in eine Spritzgußform eingelegt und bei der Herstellung des Deckels 8 mit dem flüssigen Kunststoff um spritzt, der anschließend aushärtet. Auf diese Weise erfolgt der Einbau der porösen Platte 5 in den Deckel 8 besonders kostengünstig. Bei der Herstellung wird die poröse Platte 5 durch Metallteile in der Form gehalten. Diese Metallteile bilden zugleich die Form für die späteren Luftkanäle 9 und für die zum Meßelement 1 hin gerich tete Öffnung 19. Die Gestaltung der Luftkanäle 9 erfolgt derart, daß der Übergang von poröser Platte 5 und dem Material des Deckels 8 bündig d. h. ohne eine Stufe erfolgt. Auf diese Weise wird erreicht, daß kein geschlossener Flüssigkeitsfilm auf der Oberfläche der porö sen Platte 5 stehenbleiben kann. In diesem Fall würde nämlich der ungehinderte Luftdurchtritt durch die poröse Platte 5 und somit auch der Druckausgleich zwischen Umgebung und Gehäuse behindert werden. Die Montage von Deckel 8 und Gehäuse 4 erfolgt besonders einfach durch Einkleben des Deckels 8 in den Absatz 16 des Gehäuses 4.

Die Herstellung des Gehäuses 4 erfolgt ebenfalls zweckmäßigerweise durch Spritzguß von Kunststoff. Die elektrischen Durchführungen 15 können dabei mit eingegossen werden. Das Gehäuse 4 kann so auch problemlos mit einem Druckanschluß 17 versehen werden.

Claims

1. Drucksensor, mit einem Meßelement, das einen Rahmen aus ein kristallinem Silizium und einer verformbaren Membran sowie einen die Verformung der Membran erfassenden Wandler aufweist, und mit einem Gehäuse zur Aufnahme des Meßelementes und eines auf der unteren Sei te der Membran einbringbaren Druckmittels sowie einem Deckel zum Schutz des Meßelements gegenüber einem Medium, dessen Druck auf der oberen Membranseite wirkt, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßele ment (1) mit seiner oberen Seite durch eine poröse Platte (5) von dem Medium (6) getrennt ist.

2. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Platte (5) aus einem Fluorkohlenstoff, insbesondere PTFE besteht.

3. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßelement (1) auf seiner oberen Seite mit einem Elastomer (7) bedeckt ist.

4. Drucksensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Elastomer (7) aus einem Silikonkautschuk besteht.

5. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnetß daß die Poröse Platte (5) in den Deckel (8) einge baut ist, und eine Öffnung (19) des Deckels (8) abdeckt.

6. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Deckel (8) durch Spritzguß hergestellt ist, und daß die poröse Platte (5) bei der Herstellung des Deckels (8) teilweise vom Material des Deckels (8) umspritzt ist.

7. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß die Öffnung (19) des Deckels (8) auf der nach außen führenden Seite der porösen Platte (5) mindestens einen Luft kanal (9) aufweist, und daß der mindestens eine Luftkanal (9) paral lel zur Oberfläche der porösen Platte (5) verläuft.

8. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßelement (1) auf ein Borosilicatglas- Element (10, 11) anodisch gebondet ist.

9. Drucksensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Borosilicatglas-Element (10, 11) einen Druckdurchlaß (12) für das Druckmittel aufweist, der mit einem Druckdurchlaß (13) für das Druckmittel des Gehäuses (4) gefluchtet ist.

10. Drucksensor nach Anspruch 8 oder 9 , dadurch gekennzeichnet, daß das Borosilicatglas-Element (11) als Rohr ausgebildet ist und in eine Vertiefung (14) des Gehäuses eingelassen ist.

11. Drucksensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Borosilicatglas-Element (11) in das Gehäuse (4) eingeklebt ist.

12. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (4) elektrische Durchführungen (15) aufweist, und daß die Meßelemente (1) durch Bonddrähte (18) angeschlossen sind.

13. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (4) einen Absatz (16) für die Aufnahme des Deckels (8) aufweist.

14. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (4) einen Druckmittelanschluß (17) aufweist.

15. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßelement (1) auf der oberen Seite eine elektronische Auswerteschaltung (21) aufweist.