EP1631804A1 - Drucksensor mit feuchteschutz - Google Patents

Drucksensor mit feuchteschutz

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Publication number
EP1631804A1
EP1631804A1 EP04739727A EP04739727A EP1631804A1 EP 1631804 A1 EP1631804 A1 EP 1631804A1 EP 04739727 A EP04739727 A EP 04739727A EP 04739727 A EP04739727 A EP 04739727A EP 1631804 A1 EP1631804 A1 EP 1631804A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
capsule
base body
pressure sensor
pressure
sensor according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP04739727A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Frank Hegner
Andreas Rossberg
Thomas Uehlin
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Endress and Hauser SE and Co KG
Original Assignee
Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Endress and Hauser SE and Co KG filed Critical Endress and Hauser SE and Co KG
Publication of EP1631804A1 publication Critical patent/EP1631804A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/06—Means for preventing overload or deleterious influence of the measured medium on the measuring device or vice versa
    • G01L19/0627—Protection against aggressive medium in general
    • G01L19/0654—Protection against aggressive medium in general against moisture or humidity
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/14—Housings
    • G01L19/148—Details about the circuit board integration, e.g. integrated with the diaphragm surface or encapsulation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0072—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance
    • G01L9/0075—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance using a ceramic diaphragm, e.g. alumina, fused quartz, glass

Definitions

  • the present invention relates to a pressure sensor.
  • Pressure sensors in the sense used here include absolute pressure sensors and relative pressure sensors, which measure the absolute pressure of a measuring medium against vacuum or the difference between the pressure in a measuring medium and the current atmospheric pressure.
  • a pressure sensor generally comprises a pressure measuring cell with a base body and a measuring membrane, a pressure chamber being formed between the measuring membrane and the base body.
  • the pressure-dependent deformation of the measuring membrane is a measure of the pressure, which is converted into an electrical variable or a primary signal in a suitable manner.
  • an electronic circuit for example a hybrid circuit, is usually used, which is preferably arranged in the immediate vicinity of the primary signal source, for example on the back of the base body facing away from the pressure chamber.
  • the electronic circuit is arranged in a sensor housing to protect it from contamination, etc., but it is nevertheless exposed to the ambient air.
  • the fluctuating air humidity under realistic operating conditions proves to be a source of error that is difficult to control, since it can lead, inter alia, to changes in the properties of the components of the electrical circuit and possibly the connecting lines and thus to falsifications of the measurement signal.
  • the falsifications are minor and justifiable for standard applications, but there is a need for action with precision sensors. There are therefore efforts to minimize the effects of moisture by encapsulating the electrical circuit.
  • the pot If the pot is stuck on, moisture can still penetrate into the pot, because organic materials do not offer sufficient long-term protection, such as an investigation entitled "Hermeticity of Polymer Lid Sealants" by RK Traeger, New Initiatives, Sandia Laboratories, Albuquerce, NM, USA,
  • the pot extends over the entire rear face of the base body in the pressure sensor according to the above application. Therefore, the rear axial support of the pressure measuring cell against the process pressure must be above the pot and in particular over the joint between the pot and base body Sufficiently firm, flat hard solder connections cannot be achieved with the enclosed hybrid circuit, since the temperatures required for this would be too high for the hybrid circuit.
  • the use of soft solder connections for joining the pot to the base body can lead to hysteresis phenomena, since the joint is exposed to plastic deformation due to pressure surges and temperature fluctuations.
  • the pressure sensor according to the invention for measuring a media pressure comprises a measuring cell with a basic body and a measuring membrane which can be acted upon with a measuring pressure, the edge of which is connected to the basic body is connected, and means for converting the pressure-dependent deformation of the measuring membrane into an electrical variable; an electrical circuit for detecting the electrical quantity; and a capsule with a closure element with which the capsule is hermetically sealed along a joint, the capsule enclosing the circuit to protect it from moisture, the joint of the capsule being mechanically decoupled from the base body.
  • the main body of the pressure measuring cell can include be a crystalline or ceramic base body, a ceramic base body, in particular made of corundum, being currently preferred.
  • the detected electrical quantity can be, for example, a capacitance between electrodes on the measuring membrane and on the base body, or a deformation-dependent resistance.
  • the mechanical decoupling of the joint means, for example, that at least the axial support of the pressure sensor must not be transmitted via the joint.
  • pressure-related and temperature-related deformations of the base body should have no effect on the joint of the capsule. Among other things, this means that the base body cannot serve as a closure element of the capsule.
  • the capsule can in particular have a ceramic capsule body and a ceramic closure element.
  • the necessary electrical feedthroughs can be implemented, for example, by contact pins which are soldered into bores through the capsule body.
  • the joint can have a solder.
  • the coefficients of thermal expansion of the capsule body and of the closure element should differ as little as possible and should preferably be identical. This can be done particularly through use of the same material.
  • the capsule body and the closure element have corundum. This is particularly expedient if the circuit, for example as a hybrid circuit, is arranged on a corundum support.
  • the capsule can have a metallic capsule body and a metallic closure element.
  • the necessary electrical feedthroughs can be implemented, for example, by contact pins that are glazed into bores through the capsule body.
  • the joint can have a solder or a welded connection.
  • the capsule body and the closure element have Kovar. This choice of material is also suitable when using hybrid circuits on a corundum support, since Kovar and corundum have approximately the same thermal expansion coefficient.
  • hermetically sealed capsules with a capsule body and a sealing element made of glass are suitable.
  • the capsule can be held, for example, by connecting lines, via which the circuit detects the electrical quantity, and which extend between the rear end face of the base body and the capsule.
  • the capsule can additionally be placed on the rear face of the base body via one or more projections.
  • the at least one projection can be attached to the end face.
  • the encapsulation brings about a significant improvement in the zero point stability of an absolute pressure sensor.
  • a zero point shift of approximately 0.001% to 0.02% of the span of the sensor was effected.
  • the largest group of sensors tested had one Zero point shift of about 0.002%.
  • the zero point shift is approximately 0.1% to 0.2% of the range.
  • selected exposed surfaces of the pressure sensor or the base body and the capsule can be made hydrophobic. This includes in particular the connection lines and their surroundings between the base body and the capsule.
  • hydrophobization impregnation, for example with silanes from a solution, or gas phase hydrophobization is possible.
  • the hydrophobic materials and the hydrophobization process reference is made to older applications by the same applicant, namely the European patent application EP 1 061 351 A1 and the international patent application PCT / EP02 / 14443.
  • the effect of the hydrophobization of the surfaces and the connecting lines is all the more important the closer the connecting lines run to one another. Furthermore, the importance of hydrophobization increases if the wires are not separated from one another by air, but by a polymer, for example in a flex cable, which on the one hand has a larger electricity constant and on the other hand offers further condensation surfaces.
  • the additional hydrophobization for example, reduced the zero point error of a sensor with encapsulated electronics from 0.02% to 0.007% with an increase in the relative humidity from 30% to 95% at 30 ° C.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a pressure sensor according to the invention.
  • the pressure sensor shown in Fig. 1 comprises a measuring cell with a base body 1 and a measuring membrane 2 which is attached to the base body to form a pressure chamber.
  • the measuring membrane 2 is in the measuring operation on its side facing away from the base body 1 with a measuring pressure bar.
  • the pressure chamber communicates with the atmospheric pressure via a pressure chamber opening provided with relative pressure sensors.
  • the chamber is closed pressure-tight and evacuated.
  • the deformation of the measuring membrane can be detected according to the common measuring principles, for example capacitive, resistive, or by resonance methods.
  • the capacitance is determined between a first electrode 4 on the end face of the base body 1 and a second electrode 3 on the surface of the measuring membrane 2 on the pressure chamber side.
  • the electrodes are connected to a hybrid circuit 5 via electrical feedthroughs and lines 6 connected to them.
  • the hybrid circuit 5 is arranged in a capsule 10 which is arranged on the rear end face 11 of the base body facing away from the measuring membrane 2.
  • the capsule 10 comprises a metallic capsule body 8 and a lid 9, which preferably has the same material as the capsule body 8.
  • Embodiment includes a corundum carrier, Kovar is particularly suitable as a material for the capsule body 8 and the lid 9.
  • the lid 9 is connected to the capsule body 8 via a circumferential weld seam, as a result of which the hybrid circuit is hermetically sealed in the capsule.
  • the electrical feedthroughs required for contacting the hybrid circuit include contact pins which are glazed into bores through the capsule body 8.
  • the capacitor electrodes 3, 4 are connected to the hybrid circuit.
  • the hybrid circuit also has an interface 7, via which it is supplied with energy by a higher-level unit and transmits signals to and / or receives signals from it.
  • Signal communication can be both analog and digital.
  • the higher-level unit can be, for example, a converter module to which the sensor is connected.
  • the converter module comprises further circuits, for example for processing the signals received via the interface 7 and for communicating a signal representing the measured value of the sensor. Communication can take place according to one of the common protocols, e.g. 4 ... 20 mA, HART, Foundation Fieldbus or Profibus.
  • the capsule has a base 13, which is arranged on the underside of the capsule body facing the base body 1.
  • the base 13 is in engagement with a complementary recess 12 on the rear end face 11 of the base body 1, as a result of which the position of the capsule 10 with respect to the base body is defined.
  • the base also defines a distance between the underside of the capsule 10 and the rear end face 11 of the base body 1.
  • the mechanical decoupling has, inter alia, the effect that clamping forces with which the pressure measuring cell is fixed in a sensor housing have no influence on the joint between the capsule body 8 and the lid 9 of the capsule 10.
  • the senor is axially clamped between a screw ring 15 and possibly a support ring (not shown here) on the one hand and an O-ring 14 on the other hand in an essentially cylindrical housing 16. Due to the clamping forces, bending moments can be introduced into the base body 1, which can cause a deformation of the rear face 11 of the base body. Due to the mechanical decoupling between the capsule 10 and the base body 1, this deformation has no effect on the joint and thus on the long-term tightness of the capsule 10. In addition, expansion differences between the capsule or components of the capsule and the base body have no effect on the base body and thus to the measured pressure value.

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Abstract

Ein Drucksensor, umfaßt eine Meßzelle mit einem Grundkörper (1) und eine Meßmembran (2), die entlang ihres Randes mit dem Grundkörper verbunden ist, und Mitteln (3, 4) zur Generierung einer von der Verformung der Meßmembran abhängigen elektrischen Größe; eine Schaltung (5) zum Erfassen der elektrischen Größe; und eine Kapsel (10) mit einem Kapselkörper (8) und einem Verschlußelement (9), mit welchem die Kapsel entlang einer Fügestelle hermetisch dicht verschlossen ist, wobei die Kapsel (10) die Schaltung (5) umschließt um diese vor Feuchteeinflüssen zu schützen, wobei die Fügestelle (5) der Kapsel mechanisch von dem Grundkörper (1) entkoppelt ist. Die mechanische Entkopplung der Fügestelle bedeutet beispielsweise, daß zumindest die axiale Abstützung der Druckmeßzelle in einem Gehäuse (16) nicht über die Fügestelle übertragen werden darf. Soweit die Kapsel auf dem Grundkörper angeordnet ist, dürfen druckbedingte und temperaturbedingte Verformungen des Grundkörpers keine Auswirkungen auf die Fügestelle der Kapsel haben.

Description

Drucksensor mit Feuchteschutz
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drucksensor. Drucksensoren im hier verwendeten Sinn umfassen Absolutdrucksensoren und Relativdrucksensoren, welche den absoluten Druck eines Meßmediums gegen Vakuum bzw. die Differenz zwischen dem Druck in einem Meßmedium und dem aktuellen Atmosphärendruck messen. Ein Drucksensor umfaßt im allgemeinen eine Druckmeßzelle mit einem Grundkörper und einer Meßmembran, wobei zwischen der Meßmembran und dem Grundkörper eine Druckkammer ausgebildet ist. Die druckabhängige Verformung der Meßmembran ist ein Maß für den Druck, welches in geeigneter Weise in eine elektrische Größe bzw. ein Primärsignal gewandelt wird. Zur Aufbereitung des Primärsignals bzw. der elektrischen Größe wird gewöhnlich eine elektronische Schaltung, beispielsweise eine Hybridschaltung, eingesetzt, welche bevorzugt in unmittelbarer Nähe zur Primärsignalquelle, beispielsweise auf der von der Druckkammer abgewandten Rückseite des Grundkörpers angeordnet ist. Die elektronische Schaltung ist zwar in einem Sensorgehäuse angeordnet, um sie vor Verschmutzung etc. zu schützen, aber sie ist dennoch der Umgebungsluft ausgesetzt. Hierbei erweist sich insbesondere die unter realistischen Betriebsbedingungen schwankende Luftfeuchtigkeit als schwer beherrschbare Fehlerquelle, da sie u.a. zu Veränderungen der Eigenschaften der Bauelemente der elektrischen Schaltung und ggf. der Anschlußleitungen und damit zu Verfälschungen des Meßsignals führen kann. Die Verfälschungen sind zwar gering und für Standardanwendungen vertretbar, aber bei Präzisionssensoren ist Handlungsbedarf gegeben. Es gibt daher Bemühungen, die Feuchteeinflüsse durch Kapselung der elektrischen Schaltung zu minimieren. Die unveröffentlichte internationale Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen PCT/EP02/14787 der gleichen Anmelderin offenbart hierzu einen keramischen kapazitiven Relativdrucksensor, mit einem keramischen Topf, der auf der von der Meßmembran abgewandten rückseitigen Stirnfläche des Drucksensors aufgesetzt und mit dieser verbunden ist, um eine Kammer zu bilden, in welcher die in der Kammer eingeschlossene Hybridschaltung vor Feuchteeinflüssen geschützt ist. Dieses Konzept ist jedoch aus den folgenden Gründen verbesserungsfähig.
Sofern der Topf aufgeklebt ist, kann immer noch Feuchtigkeit in den Topf eindringen, denn organische Materialien bieten keinen hinreichend langfristigen Schutz, wie beispielsweise einer Untersuchung mit dem „Titel Hermeticity of Polymerie Lid Sealants" von R.K. Traeger, New Initiatives, Sandia Laboratories, Albuquerce, NM, USA, dargestellt ist. Zudem erstreckt sich bei dem Drucksensor gemäß der obigen Anmeldung der Topf über die gesamte rückseitige Stirnfläche des Grundkörpers. Daher muß die rückseitige axiale Abstützung der Druckmeßzelle gegen den Prozeßdruck über den Topf und insbesondere über die Fügestelle zwischen Topf und Grundkörper erfolgen. Hinreichend feste, flächige Hartlotverbindungen sind mit der eingeschlossenen Hybridschaltung nicht zu realisieren, da die hierzu erforderlichen Temperaturen für die Hybridschaltung zu hoch wären. Die Verwendung von Weichlotverbindungen zum Fügen des Topfes mit dem Grundkörper kann zu Hystereseerscheinungen führen, da die Fügestelle durch Druckstöße und Temperaturschwankungen ggf. plastischen Verformungen ausgesetzt ist.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Drucksensor mit einem nachhaltigen Feuchteschutz für die elektrische Schaltung bzw. den elektrischen Signalpfad bereitzustellen.
Die Aufgabe wird gelöst durch den Drucksensor gemäß des unabhängigen Anspruchs 1.
Der erfindungsgemäße Drucksensor zum Messen eines Mediendrucks, umfaßt eine Meßzelle mit einem Grundkörper und einer mit einem Meßdruck beaufschlagbaren Meßmembran, die mit ihrem Rand mit dem Grundkörper verbunden ist, und Mitteln zur Wandlung der druckabhängigen Verformung der Meßmembran in eine elektrischen Größe; eine elektrische Schaltung zum Erfassen der elektrischen Größe; und eine Kapsel mit einem Verschlußelement, mit welchem die Kapsel entlang einer Fügestelle hermetisch dicht verschlossen ist, wobei die Kapsel die Schaltung umschließt um diese vor Feuchteeinflüssen zu schützen, wobei die Fügestelle der Kapsel mechanisch von dem Grundkörper entkoppelt ist.
Der Grundkörper der Druckmeßzelle kann u.a. ein kristalliner oder keramischer Grundkörper sein, wobei derzeit ein keramischer Grundkörper, insbesondere aus Korund bevorzugt ist.
Die erfaßte elektrische Größe kann beispielsweise eine Kapazität zwischen Elektroden an der Meßmembran und am Grundkörper, oder ein verformungsabhängiger Widerstand sein.
Die mechanische Entkopplung der Fügestelle bedeutet beispielsweise, daß zumindest die axiale Abstützung des Drucksensors nicht über die Fügestelle übertragen werden darf. Soweit die Kapsel auf dem Grundkörper angeordnet ist, sollten druckbedingte und temperaturbedingte Verformungen des Grundkörpers keine Auswirkungen auf die Fügestelle der Kapsel haben. Dies bedeutet unter anderem, daß der Grundkörper nicht als Verschlußelement der Kapsel dienen kann.
Die Kapsel kann insbesondere einen keramischen Kapselkörper und einen keramisches Verschlußelement aufweisen. In diesem Falle können die erforderlichen elektrischen Durchführungen beispielsweise durch Kontaktstifte realisiert werden, die in Bohrungen durch den Kapselkörper eingelötet sind. Die Fügestelle kann in diese Fall ein Lot aufweisen. Die Wärmeausdehnungskoeffizienten des Kapselkörpers und des Verschlußelements sollten möglichst wenig voneinander abweichen und vorzugsweise identisch sein. Dies kann insbesondere durch die Verwendung des gleichen Materials erzielt werden. Bei einer derzeit bevorzugten Ausführungsform weist der Kapselkörper und das Verschlußelement Korund auf. Dies ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn die Schaltung, beispielsweise als Hybridschaltung, auf einem Korundträger angeordnet ist.
Weiterhin kann die Kapsel einen metallischen Kapselkörper und ein metallisches Verschlußelement aufweisen. In diesem Falle können die erforderlichen elektrischen Durchführungen beispielsweise durch Kontaktstifte realisiert werden, die in Bohrungen durch den Kapselkörper eingeglast sind. Die Fügestelle kann in diese Fall ein Lot oder eine Schweißverbindung aufweisen. Bei einer derzeit bevorzugten Ausführungsform weist der Kapselkörper und das Verschlußelement Kovar auf. Diese Materialwahl ist ebenfalls bei der Verwendung von Hybridschaltungen, auf einem Korundträger geeignet, da Kovar und Korund etwa den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen.
Weiterhin sind hermetisch dichte Kapseln mit einem Kapselkörper und einem Verschlußelement aus Glas verwendbar geeignet.
Die Kapsel kann beispielsweise von Anschlußleitungen gehalten werden, über welche die Schaltung die elektrische Größe erfaßt, und welche sich zwischen der rückseitigen Stirnfläche des Grundkörpers und der Kapsel erstrecken. Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die Kapsel zusätzlich über einen oder mehrere Vorsprünge auf der rückseitigen Stirnfläche des Grundkörpers aufsetzen. Zudem kann der mindestens eine Vorsprung an der Stirnfläche befestigt sein.
Die Kapselung bewirkt beispielsweise eine erhebliche Verbesserung der Nullpunktstabilität eines Absolutdrucksensors. So wurde bei einer Erhöhung der relativen Luftfeuchtigkeit von 30% auf 95% bei 300C eine Nullpunktverschiebung von etwa 0,001% bis 0,02% der Spanne des Sensors bewirkt. Die größte Gruppe der getesteten Sensoren wies eine Nullpunktverschiebung von etwa 0,002% auf. Ohne Kapselung beträgt die Nullpunktverschiebung im Vergleich dazu etwa 0,1 % bis 0,2% der Spanne.
Zur weiteren Verbesserung des Feuchteschutzes können ausgewählte freiliegenden Oberflächen des Drucksensors bzw. des Grundkörpers und der Kapsel hydrophobiert werden. Hierzu gehören insbesondere die Anschlußleitungen und deren Umgebung zwischen dem Grundkörper und der Kapsel. Zur Hydrophobierung ist eine Imprägnierung beispielsweise mit Silanen aus einer Lösung oder eine Gasphasenhydrophobierung möglich. Bezüglich Einzelheiten hinsichtlich der hydrophoben Materialien und der Hydrophobierungsverfahren wird auf ältere Anmeldungen der gleichen Anmelderin, nämlich die europäische Patentanmeldung EP 1 061 351 A1 sowie die internationale Patentanmeldung PCT/EP02/14443 verwiesen.
Der Effekt der Hydrophobierung der Oberflächen und der Anschlußleitungen ist um so wichtiger, je näher die Anschlußleitungen zueinander verlaufen. Weiterhin nimmt de Bedeutung der Hydrophobierung zu, wenn die Drähte nicht durch Luft, sondern durch ein Polymer, beispielsweise in einem Flex- Kabel, voneinander getrennt sind, welches einerseits eine größere Elektrizitätskonstante aufweist, und andererseits weitere Kondensationsflächen bietet.
Durch die zusätzliche Hydrophobierung wurde beispielsweise der Nullpunktfehler eines Sensors mit gekapselter Elektronik von 0,02% auf 0,007% bei einer Erhöhung der relativen Feuchtigkeit von 30% auf 95% bei 300C reduziert.
Zur ergänzenden Reduzierung der Effekte der verbleibenden Feuchte auf die
Streukapazitäten der Anschlußleitungen - und damit auf die erfaßte elektrische Größe - können die Anschlußleitungen von einer geeigneten
Abschirmung umgeben sein. Es hat sich jedoch bei Kontrollmessungen gezeigt, daß diese Abschirmungen nur noch eine geringe zusätzliche Verbesserung bewirken.
Weitere Aspekte der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, und der Zeichnung.
Es zeigt:
Fig. 1. einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Drucksensor.
Der in Fig. 1 dargestellte Drucksensor umfaßt eine Meßzelle, mit einem Grundkörper 1 und eine Meßmembran 2, die unter Ausbildung einer Druckkammer an dem Grundkörper befestigt ist. Die Meßmembran 2 ist im Meßbetrieb auf ihrer dem Grundkörper 1 abgewandten Seite mit einem Meßdruck beaufschlag bar. Über eine bei Relativdrucksensoren vorhandene Druckkammeröffnung kommuniziert die Druckkammer mit dem Atmosphärendruck. Bei Absolutdrucksensoren ist die Kammer druckdicht verschlossen und evakuiert. Die Verformung der Meßmembran kann nach den gängigen Meßprinzipien, beispielsweise kapazitiv, resistiv, oder nach Resonanzverfahren erfaßt werden. Bei der vorliegenden Ausgestaltung wird die Kapazität zwischen einer ersten Elektrode 4 an der Stirnfläche des Grundkörpers 1 und einer zweiten Elektrode 3 auf der druckkammerseitigen Oberfläche der Meßmembran 2 ermittelt. Die Elektroden sind über elektrische Durchführungen und damit verbundenen Leitungen 6 an eine Hybridschaltung 5 angeschlossen.
Die Hybridschaltung 5 ist in einer Kapsel 10 angeordnet, welche an der der Meßmembran 2 abgewandten rückseitigen Stirnfläche 11 des Grundkörpers angeordnet ist. Die Kapsel 10 umfaßt einen metallischen Kapselkörper 8 und einen Deckel 9, der vorzugsweise das gleiche Material wie der Kapselkörper 8 aufweist. Insofern als die Hybridschaltung 5 bei einer derzeit erwogenen Ausgestaltung einen Korundträger umfaßt, eignet sich insbesondere Kovar als Material für den Kapselkörper 8 und den Deckel 9. Der Deckel 9 ist über eine umlaufende Schweißnaht mit dem Kapselkörper 8 verbunden, wodurch die Hybridschaltung hermetisch dicht in der Kapsel eingeschlossen ist. Die erforderlichen elektrischen Durchführungen zur Kontaktierung der Hybridschaltung umfassen Kontaktstifte welche in Bohrungen durch den Kapselkörper 8 eingeglast sind. Wie bereits erwähnt, sind die Kondensatorelektroden 3,4 an die Hybridschaltung angeschlossen. Diese Kontaktierung erfolgt über die Leitungen 6, welche an die Kontaktstifte der elektrischen Durchführungen angeschweißt oder angelötet sind. Die Hybridschaltung verfügt weiterhin über eine Schnittstelle 7, über welche sie von einer übergeordneten Einheit mit Energie versorgt wird und an diese Signale überträgt und/oder Signale von dieser empfängt. Die Signalkommunikation kann sowohl analog als auch digital verlaufen. Die übergeordnete Einheit kann beispielsweise ein Umformermodul sein, an welches der Sensor angeschlossen wird. Das Umformermodul umfaßt weitere Schaltungen beispielsweise zur Aufbereitung der über die Schnittstelle 7 empfangenen Signale und zur Kommunikation eines den Meßwert des Sensors repräsentierenden Signals. Die Kommunikation kann nach einem der gängigen Protokolle, beispielsweise 4 ... 20 mA, HART, Foundation Fieldbus oder Profibus erfolgen.
Die Kapsel weist bei einer Ausführungsform einen Sockel 13 auf, der auf der dem Grundkörper 1 zugewandten Unterseite des Kapselkörpers angeordnet ist. Der Sockel 13 befindet sich mit einer komplementären Aussparung 12 auf der rückseitigen Stirnfläche 11 des Grundkörpers 1 in Eingriff, wodurch die Position der Kapsel 10 bezüglich des Grundkörpers definiert ist. Der Sockel definiert zudem einen Abstand zwischen der Unterseite der Kapsel 10 und der rückseitigen Stirnfläche 11 des Grundkörpers 1. Auf diese Weise ist die Kapsel 10 von dem Grundkörper weitgehend mechanisch und thermisch entkoppelt. Die mechanische Entkopplung hat unter anderem den Effekt, daß Einspannkräfte, mit denen die Druckmeßzelle in einem Sensorgehäuse fixiert ist, keinen Einfluß auf die Fügestelle zwischen dem Kapselkörper 8 und dem Deckel 9 der Kapsel 10 ausüben. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Sensor zwischen eines Schraubrings 15 und ggf. einem hier nicht gezeigten Stützring einerseits sowie einem O-Ring 14 andererseits in einem im wesentlichen zylindrischen Gehäuse 16 axial eingespannt. Durch die Einspannkräfte können Biegemomente in den Grundkörper 1 eingeleitet werden, welche eine Verformung der Rückseitigen Stirnfläche 11 des Grundkörpers bewirken können. Aufgrund der mechanischen Entkopplung zwischen der Kapsel 10 und dem Grundkörper 1 hat diese Verformung keine Auswirkung auf die Fügestelle und damit auf die langfristige Dichtigkeit der Kapsel 10. Zudem haben Ausdehnungsunterschiede zwischen der Kapsel bzw. Komponenten der Kapsel und dem Grundkörper keinerlei Auswirkungen auf den Grundkörper und somit auf den gemessenen Druckwert.

Claims

Patentansprüche:
1. Drucksensor, umfassend
eine Meßzelle mit
einem Grundkörper (1 );
einer mit einem Meßdruck beaufschlagbare Meßmembran (2), die entlang Ihres Rands mit dem Grundkörper verbunden ist; und
mindestens einem Mittel (3, 4) zur Wandlung der druckabhängigen Verformung der Meßmembran (2) in eine elektrische Größe;
eine elektrische Schaltung (5) zum Erfassen der elektrischen Größe; und
eine Kapsel (10) mit
einem Kapselkörper (8) und einem Verschlußelement (9), mit welchem die Kapsel (10) entlang einer Fügestelle hermetisch dicht verschlossen ist, wobei die Kapsel die Schaltung (5) umschließt um diese vor Feuchteeinflüssen zu schützen, wobei die Fügestelle der Kapsel (10) mechanisch von dem Grundkörper (1 ) entkoppelt ist.
2. Drucksensor nach Anspruch 1 , wobei der Grundkörper der Meßzelle ein kristallines oder keramisches Material, insbesondere Korund, aufweist.
3. Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die elektrische Größe eine Kapazität zwischen Elektroden (3, 4) an der Meßmembran (2) und am Grundkörper (1 ), oder ein verformungsabhängiger Widerstand ist.
4. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiterhin umfassend: ein Gehäuse (16), in welchem die Meßzelle axial eingespannt ist, wobei die axiale Einspannkräfte der Meßzelle nicht über die Fügestelle der Kapsel (10) übertragen werden.
5. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kapsel (10) ein keramisches oder ein metallisches Material, insbesondere Kovar aufweist.
6. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kapsel (10) von elektrischen Anschlußleitungen (6, 7) gehalten wird, welche sich zwischen der Kapsel und der Meßzelle erstrecken.
7. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kapsel (10) und/oder die rückseitige Stirnfläche des Grundkörpers mindestens einen Vorsprung (13) aufweist, durch welchen, ein definierter Abstand zwischen der rückseitigen Stirnfläche (11) des Grundkörpers und der Kapsel (10) gegeben ist.
8. Drucksensor nach Anspruch 7, wobei der mindestens eine Vorsprung (13) sich mit einer komplementären Aussparung (12) am Grundkörper bzw. an der Kapsel im Eingriff befindet.
9. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Oberflächenabschnitte der Meßzelle und der Kapsel hydrophobiert sind.
EP04739727A 2003-06-12 2004-06-09 Drucksensor mit feuchteschutz Withdrawn EP1631804A1 (de)

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DE10326975A DE10326975A1 (de) 2003-06-12 2003-06-12 Drucksensor mit Feuchteschutz
PCT/EP2004/006215 WO2004111594A1 (de) 2003-06-12 2004-06-09 Drucksensor mit feuchteschutz

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Application Number Title Priority Date Filing Date
EP04739727A Withdrawn EP1631804A1 (de) 2003-06-12 2004-06-09 Drucksensor mit feuchteschutz

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US (1) US7181974B2 (de)
EP (1) EP1631804A1 (de)
CN (1) CN1806162B (de)
DE (1) DE10326975A1 (de)
WO (1) WO2004111594A1 (de)

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