DE69011551T2

DE69011551T2 - Konsumdirektdrucksensoreinheit.

Info

Publication number: DE69011551T2
Application number: DE69011551T
Authority: DE
Inventors: Man Kit Lam; Milton W Mathias
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1989-03-06
Filing date: 1990-03-02
Publication date: 1995-01-05
Anticipated expiration: 2010-03-03
Also published as: NO301252B1; NO901002L; EP0386959B1; JPH03201336A; JP2890204B2; CA2011431C; EP0386959A3; DE69011551D1; CA2011431A1; US4942383A; EP0386959A2; NO901002D0

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Druck-Sensoreinrichtungen mit dehnungsempfindlichen Halbleitern. Insbesondere betrifft diese Erfindung ein verbessertes Naß/Naß-Druckfühlerpaket, wobei die Halbleiterplatte zwischen kontinuierlichen Umfangsbördelungen aus einem Elastomerkleber angeordnet ist, um eine verbesserte Leistung bei niedrigeren Kosten zu erzielen.

Hintergrundtechnik

Eine Vielzahl von Druckwandlern ist bislang für verschiedene Anwendungszwecke entwickelt worden. Viele solcher Wandler beinhalten ein druckempfindliches Siliciumplättchen mit piezoresistiven Elementen auf einer Seite desselben, welche entsprechende elektrische Signale bei einer Ausbiegung des Plättchens auf Grund eines Druckes erzeugen. Die geeignete Anordnung des druckempfindlichen Siliciumplättchens ist für die Leistung des Wandlers von ausschlaggebender Bedeutung.
Eine solche Art von Wandler ist der sogenannte "Naß/Naß"- Druckwandler, bei dem das Plättchen als eine Membran zwischen zwei Fluidmedien unter Druck in direktem Kontakt mit diesen dient. Solche Wandler werden in verschiedenen medizinischen und Automobilanwendungen, Verkaufsautomaten usw. verwendet. In Druckwandlern dieses Typs muß das Plättchen in einer Weise montiert werden, die nicht nur die erforderliche mechanische Abstützung vorgibt, sondern ebenfalls eine fluiddichte Abdichtung gemäß dem speziellen Anwendungsfall vorgibt. Da sich das Plättchen in direktem Kontakt mit dem Fluidmedium befindet, wird oftmals eine Schutzschicht vorgesehen, die die Empfindlichkeit und Wiederholbarkeit beeinflussen kann. Demzufolge ist es für eine beste Leistung speziell erwünscht, das Plättchen in einer Weise zu montieren, welche Fremdbeanspruchungen desselben auf ein Minimum bringt, während die erforderliche mechanische Abstützung und die Anforderungen an die Fluidabdichtung befriedigt werden.
Druckwandler mit Elastomerlagerungen sind ebenfalls bislang verfügbar gewesen. Beispielsweise zeigt die US-PS 4 656 454 einen Naß/Naß-Drucksensor, bei dem das Plättchen zwischen vorgegossenen elastomeren Ringabdichtungen eingespannt ist, die in gegenüberliegenden Teilen eines Gehäuses sitzen. Obgleich dieser Druckwandler recht gut arbeitet, gibt es einige Nachteile bei der speziellen Art der hier verwendeten Lagerung. Das Siliciumplättchen befindet sich unter kontinuierlicher Beanspruchung, was die Empfindlichkeit stört. Kleine Herstellungsvariationen in den vorgegossenen elastomeren Abdichtungen und/oder Variationen beim Zusammenbau des Pakets können zusätzliche Beanspruchungen einführen, die die geeignete Fluidabdichtung beeinflussen und ferner die Empfindlichkeit stören. Ferner erfordert die Konfiguration der Anordnung praktisch die Verwendung einer Schutzschicht auf den frei liegenden Schaltkreiselementen des Plättchens, was seinerseits Hystereseeffekte erhöht und die Wiederholbarkeit und Leistung vermindert. Die US-Patente 4 665 754, 4 658 651 und 4 373 397 repräsentieren ebenfalls den diesbezüglichen Stand der Technik.
Eine Notwendigkeit für einen verbesserten Naß/Naß- Drucksensor mit einer verbesserten elastomeren Anordnung hat sich ergeben, der die notwendigen Fluid- Abdichtanforderungen erfüllt, während er zur gleichen Zeit nicht notwendige Beanspruchungen des Plättchens vermeidet und frei liegende Schaltkreiselemente gegen Korrosion durch das kontaktierende Fluidmedium schützt, um eine bessere Empfindlichkeit und Leistung zu erzielen.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung umfaßt ein Druckfühlerpaket, das die vorgenannten und andere dem Stand der Technik zugeordnete Schwierigkeiten vermeidet. Gemäß der Erfindung wird ein verbessertes Naß/Naß-Druckfühlerpaket vorgegeben, das einen druckempfindlichen Siliciumchip bzw. ein Plättchen umfaßt, das durch eine elastomere Lagerung innerhalb eines Gehäuses abgestützt ist. Die elastomere Lagerung isoliert das Plättchen gegen Fremdbeanspruchungen, gibt die erforderliche Fluidabdichtung vor und gibt einen Schutz für frei liegende Schaltkreiselemente vor, um eine bessere Empfindlichkeit, Wiederholbarkeit und Gesamtleistung zu erzielen. Das Plättchen ist zwischen zwei kontinuierlich umlaufenden Bördelungen aus einem Elastomerkleber auf dem gleichen Teil des Gehäuses angeordnet, ohne mit irgendeinem anderen Teil des Gehäuses zu überlappen oder sich damit in direktem Kontakt zu befinden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ein besseres Verständnis der Erfindung ergibt sich durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeichnung, wobei:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht des Naß/Naß- Druckfühlerpakets der Erfindung ist;
Fig. 2 eine vergrößerte vertikale Querschnittansicht des Naß/Naß-Druckfühlerpakets ist; und
Fig. 3 eine vergrößerte Querschnittsdarstellung der Elastomerlagerung des druckempfindlichen Plättchens ist.

Detaillierte Beschreibung

Unter Bezugnahme nunmehr auf die Zeichnung, in der gleiche Bezugziffern gleiche oder entsprechende Elemente in den Ansichten bezeichnen, ist das verbesserte Naß/Naß- Druckfühlerpaket 10 der Erfindung dargestellt. Wie vollständiger weiter unten erläutert wird, umfaßt das Fühlerpaket 10 ein druckempfindliches Element, das zwischen umlaufenden Bördelungen eines Elastomerklebers angeordnet ist, um Beanspruchungen zu isolieren, eine Fluidabdichtung vorzugeben und die freiliegenden Schaltkreiselemente desselben zu schützen.
Das Druckfühlerpaket 10 umfaßt ein Gehäuse 12, welches in der dargestellten Form gegenüberliegende Abdeckungen 14 und 16 umfaßt, die in einer beabstandeten Beziehung durch eine umgebende Seitenwand 18 miteinander verbunden sind. Das Gehäuse 12 gibt eine kleine Kammer vor. Die obere Abdeckung 14 umfaßt einen axialen Anschluß bzw. eine Bohrung 20, die sich durch sie von dem äußeren Ende zu einer Ausnehmung 22 im inneren Ende erstreckt. Mehrere Längsrippen 24 sind an der Außenoberfläche der oberen Abdeckung 14 vorgesehen, um eine Schlauchlänge 26 mit einem Ende aufzunehmen und zu befestigen, die sich zu einer Fluidquelle erstreckt, deren Druck zu überwachen ist. Im bevorzugten dargestellten Ausführungsbeispiel ist die untere Abdeckung 16 von identischem Aufbau und umfaßt einen axialen Anschluß bzw. eine Bohrung 28, eine Ausnehmung 30 und äußere Längsrippen 32. Eine andere Schlauchlänge (nicht dargestellt) von einer anderen Fluidquelle ist an die untere Abdeckung 16 angeschlossen.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Abdeckungen 14 und 16 des Gehäuses 12 identisch. Jede Abdeckung 14 und 16 umfaßt ein abgeschrägtes äußeres Ende und ein vergrößertes inneres Ende, wobei deren äußere Oberfläche eingekerbt ist, um eine Schulter vorzugeben zur Aufnahme der Seitenwand 18. Die Abdeckungen 14 und 16 und die Seitenwand 18 sind vorzugsweise aus einem geeigneten thermoplastischen Material gegossen und durch Ultraschallverschweißung oder irgendeine andere geeignete Technik miteinander verbunden.
Unter besonderer Bezugnahme auf die Figuren 2 und 3 ist ein beanspruchungsempfindlicher Chip bzw.Plättchen 34 gänzlich auf der Innenseite der unteren Abdeckung 16 abgestützt. Insbesondere umfaßt das Plättchen 34 einen im allgemeinen rechteckförmigen oder quadratischen Chip aus Halbleitermaterial, wie beispielsweise Silicium mit einer Umfangskante 36 und einem kreisförmigen zentralen Bereich mit verminderter Dicke, der eine Membran 38 bildet. Die obere Oberfläche 40 des Plättchens 34 ist dotiert, um eine Anordnung von Piezowiderständen und anderer leitender Bereiche darauf vorzugeben. Kontaktkissen 42 und andere freiliegende Schaltkreiselemente sind entlang der Umfangskante 36 auf der oberen Oberfläche angeordnet.
Das Plättchen 34 ist innerhalb einer elastomeren Lagerung 44 abgestützt, die zwei kontinuierliche Bördelungen 46 und 48 aus einem Elastomerkleber umfaßt. Insbesondere erstreckt sich die untere Bördelung des Elastomerklebers 46 entlang der unteren Umfangskante 36 des Plättchens 34 und der Ausnehmung 30 in der unteren Abdeckung 16, welche Ausnehmung relativ größer als das Plättchen 34 ist, um jeglichen Kontakt bzw. Verbindung dazwischen zu vermeiden. Die obere Bördelung 48 aus Elastomerkleber erstreckt sich um die obere Umfangskante 36 des Plättchens 34, die inneren Endteile eines metallischen Leitungsrahmens 50 und Zwischenteile der unteren Abdeckung 16. Es sei vermerkt, daß die obere Bördelung 48 ebenfalls die Kontaktkissen 42 und andere freiliegende Schaltkreiselemente abdeckt und somit schützt, sowie Leitungsverbindungen 52, die die Kontaktkissen auf dem Plättchen 34 mit dem Leitungsrahmen 50 verbinden, der in das innere Ende der unteren Abdeckung 16 eingegossen ist, um die freiliegenden Schaltkreiselemente gegen Korrosion zu schützen. Die inneren Endteile des Leitungsrahmens 50 sind mit der Abdeckung 16 befestigt aber die äußeren Endteile des Leitungsrahmens erstrecken sich außerhalb des Gehäuses 12 für den Anschluß an Drähte 54 des Steuerschaltkreises (nicht dargestellt).
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel umfassen die elastomeren Bördelungen 46 und 48 einen weichen Elastomerkleber, wie beispielsweise den Raumtemperatur- Vulkanisier-Silikongummi (RTV) mit der Nummer 162 von der Firma GE. Wenn die Fluidumgebung feindlich bzw. korrosiv ist, so kann Fluorsilikon von der Firma GE verwendet werden.
Wie dargestellt, ist das Druckfühlerpaket 10 in der Lage, das relative Druckdifferential zwischen zwei Fluiden zu erfassen, die an die Anschlüsse 20 und 28 des Gehäuses 12 angeschlossen sind. Falls erwünscht, kann jedoch der Sensor 10 modifiziert werden, um einen Absolutdruck bzw. einen Manometerdruck eines Fluids zu erfassen, das an den Anschluß 20 angeschlossen ist, indem der Anschluß 28 abgedichtet wird und der Raum darin evakuiert wird, um eine Vakuum-Bezugsgröße vorzugeben.
Experimentelle Testergebnisse von 18 Mustereinheiten haben die verbesserte Leistung dieses Fühlerpaketes 10 bestätigt. Direkte Vergleichstests wurden bei 1 und 17 psi (7 und 120 kPa) zwischen dem hier vorliegenden Fühlerpaket und dem Modell 16PC, wie es in der US-PS 4 656 454 gezeigt ist, durchgeführt. Die Betonung lag hierbei auf der Hysterese und die Testergebnisse waren wie folgt: Parameter Experimentelles Fühlerpaket Nullpunktsverschiebung (0/50ºC) Meßbereichsverschiebung (0/50ºC) Hysterese (vorwärts/rückwärts, 0/50ºC) Linearität 1,9-3,69% F.S.O. (2 Einheiten fielen bei 3,0 psi aus) 0,019% F.S.O. im Mittel (0,16% F.S.O. schlechteste Einheit) 0,20% F.S.O. schlechteste Einheiten
wobei F.S.O. = Ausgang über den vollen Meßbereich.
Aus dem vorstehenden geht somit hervor, daß die vorliegende Erfindung ein verbessertes Naß/Naß- Druckfühlerpaket umfaßt, welches verschiedene Vorteile gegenüber dem Stand der Technik besitzt. Ein bedeutender Vorteil ist der, daß das Plättchen innerhalb einer elastomeren Lagerung aufgehängt ist, die mit dem gleichen Teil des Gehäuses befestigt und auf diesem abgestützt ist, um das Plättchen von Beanspruchungen für eine bessere Empfindlichkeit und Genauigkeit zu isolieren. Die obere Bördelung dient ebenfalls dem Schutz von Drahtverbindungen und anderen freiliegenden Schaltkreiselementen, um den Umfang des Plättchens gegen Korrosion ohne den zentralen Membranbereich zu überlappen. Andere Vorteile liegen dem Fachmann auf der Hand.
Obgleich spezielle Ausführungsformen der Erfindung in der beiliegenden Zeichnung dargestellt sind und in der vorangehenden detaillierten Beschreibung beschrieben worden sind, versteht es sich, daß die Erfindung nicht nur auf die hier offenbarten Ausführungsbeispiele begrenzt ist, sondern daß es beabsichtigt ist, irgendwelche alternativen, äquivalente Modifikationen und/oder Neuanordnungen von Elementen zu umfassen, die unter die Begriffe der beiliegenden Ansprüche fallen.

Claims

1. Druckfühlerpaket (10), gekennzeichnet durch:

ein Gehäuse (12), welches eine Kammer vorgibt, die teilweise durch gegenüberliegende obere (14) und untere (16) Endwände abgegrenzt ist;

eine druckempfindliche Platte (34), die in einer Ausnehmung in der unteren Endwand des Gehäuses angeordnet ist;

wobei die Platte aufweist: eine Umfangskante (36), einen reduzierten Zentralteil (38), eine Oberfläche (40) mit einem piezoelektrischen Schaltkreis im Zentralteil, der an mehrere zugängliche Schaltkreiselemente angeschlossen ist, welche Kontaktkissen (42) auf der Umfangskante umfassen und eine Bodenfläche;

einen Leitungsrahmen (50), der mit der unteren Endwand des Gehäuses im Abstand zu der Platte befestigt ist, wobei der Leitungsrahmen mehrere innere und äußere Endteile aufweist;

mehrere Drahtverbindungen (52), die die Kontaktkissen der Platte und die inneren Endteile des Leitungsrahmens verbinden; und

eine Bördeleinrichtung zur Aufhängung der Platte in der Ausnehmung in der unteren Endwand des Gehäuses und zwischen den inneren Endflächen des Leitungsrahmens und zur schützenden Abdeckung der zugänglichen Schaltkreiselemente und der Kontaktkissen auf der Platte und der Drahtverbindungen darin, ohne den reduzierten Zentralteil der Platte zu überlappen.

2. Druckfühlerpaket nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Bördeleinrichtung umfaßt:

einen elastomeren Kleber, der sich zwischen der Umfangskante auf der Oberfläche der Platte, den inneren Endteilen des Leitungsrahmens und den Zwischenteilen der unteren Endwand des Gehäuses erstreckt.

3. Druckfühlerpaket nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine kontinuierliche untere Bördelung (46) aus elastomerem Kleber, der sich zwischen der Umfangskante an der Bodenfläche der Platte und der Ausnehmung in der unteren Endwand des Gehäuses erstreckt;

eine kontinuierliche obere Bördelung (48) aus elastomerem Kleber, die sich zwischen der Umfangskante an der Oberfläche der Platte, den inneren Endteilen des Leitungsrahmens und Zwischenteilen der unteren Endwand des Gehäuses erstreckt; wobei die obere Bördelung schützend die zugänglichen Schaltkreiselemente und Kontaktkissen auf der Platte und die Drahtverbindungen darin abdeckt, ohne mit dem Membranteil der Platte zu überlappen.

4. Druckfühlerpaket nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet , daß das Gehäuse umfaßt:

eine obere Abdeckung (14), die ein äußeres Ende und ein vergrößertes inneres Ende für den Abschluß der oberen Endwand umfaßt;

eine untere Abdeckung (16), die ein äußeres Ende und ein vergrößertes inneres Ende für den Abschluß der unteren Endwand umfaßt; und

eine umlaufende Seitenwand (18), die die inneren Enden der oberen und unteren Abdeckungen in zueinander beabstandeter Beziehung verbindet.

5. Druckfühlerpaket nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die oberen und unteren Abdeckungen und die Seitenwand aus thermoplastischem Material gebildet sind.

6. Druckfühlerpaket nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, gekennzeichnet durch Längsrippen (24) an den äußeren Enden der oberen und unteren Abdeckungen in Nachbarschaft zu ihren entsprechenden Endwänden für die Befestigung von Schläuchen darauf.

7. Druckfühlerpaket nach irgendeinem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß der elastomere Kleber bei Raumtemperatur vulkanisierten Silikongummi umfaßt.

8. Druckfühlerpaket nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß der elastomere Kleber Fluorsilikongummi umfaßt.

9. Druckfühlerpaket nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Vorgabe eines Fluidanschlusses (28) in der unteren Endwand des Gehäuses.

10. Druckfühlerpaket nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Vorgabe eines Fluidanschlusses in der oberen Endwand des Gehäuses.