HK6396A - Differential pressure sensors for sensing pressure and method of manufacture - Google Patents

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Claims (9)

  1. Sensor (10) für das Erfassen von Differenzdruck in einem Fluid und für das Erzeugen eines Ausgangssignals, das einen derartigen Druck (P1-P2) anzeigt, mit: einer Membranvorrichtung (63, 93, 105) für das Erfassen des Drucks, wobei die Membranvorrichtung aus einem spröden Halbleiter- oder Keramikmaterial mit einem äußeren Rand (44, 79, 103) und mit einem Auslenkbereich (43, 77, 102) gefertigt ist, der durch den Rand (44, 79, 103) zur Auslenkung durch den Differenzdruck eingefaßt ist; einem Paar Einlaßvorrichtungen (11, 12; 50, 75, 120, 130), die je ein Loch (27, 34; 46, 83, 122, 132) aufweisen, das sich von einem Einlaßbereich auf dieser zur Weiterleitung von Fluiddruck von dem Einlaßbereich zu der Membranvorrichtung erstreckt, wobei der Sensor für das Erfassen des Differenzdrucks zwischen den von jedem Einlaßbereich weitergeleiteten Drücken ausgelegt ist; einer im wesentlichen ebenen Stützfläche angrenzend an den Auslenkbereich, wobei der Auslenkbereich eine Oberfläche (43A, 77B, 102A, 102C) aufweist, die konkav und im wesentlichen eben ist, wenn ein Nenn-Überdruck angelegt wird, so daß der Auslenkbereich (43, 77, 102) durch die Stützfläche abgestützt wird, wenn ein Nenn-Überdruck angelegt wird; und eine Erfassungsvorrichtung in dem Sensor für die Erfassung der Auslenkung des Auslenkbereichs (43, 77, 102) und für die Erzeugung eines Ausgangssignals angeordnet ist, das den Differenzdruck anzeigt, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche (43A, 77C, 102A, 102C) des Auslenkbereichs konkav ist, wenn der Auslenkbereich bei einer Druckdifferenz von Null ist, und daß der Auslenkbereich aus Halbleiter- oder Keramikmaterial ein Paar von Oberflächen auf gegenüberliegenden Seiten des Auslenkbereichs aufweist und eine im wesentlichen ebene Stützfläche in jeder Einlaßvorrichtung des Paars von Einlaßvorrichtungen vorgesehen ist, wobei der äußere Rand abdichtend zwischen beiden im wesentlichen ebenen Stützflächen verbunden ist, um die Löcher zu umgeben.
  2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungsvorrichtung ein Dehnungsmesser ist, der auf der Membranvorrichtung (63, 93, 105) angeordnet ist.
  3. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungsvorrichtung eine Kapazitätsvorrichtung ist, die eine erste leitfähige Kondensatorplatte (47, 82) aufweist, die auf einer Stützfläche angeordnet ist, die kapazitiv mit einem leitfähigen Abschnitt auf dem Auslenkbereich (43, 77) gekoppelt ist, um eine Kapazität zu erzeugen, die den Differenzdruck anzeigt.
  4. Sensor nach Anspruch 3, weiter gekennzeichnet durch: ein Paar flexibler Isolatormembrane (25, 31), die dichtend in den Eingangsbereichen befestigt sind, die die Löcher umgeben, mit welchen die Sensorvorrichtung von dem Fluid isolierbar ist; und ein dialektrisches, im wesentliches inkompressibles Fluid, das im wesentlichen den Raum zwischen den Isolatormembranen und der Membranvorrichtung für das Übertragen von Druck von den Isolatormembranen (25, 31) zu der Membranvorrichtung ausfüllt.
  5. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor ein Paar Sensorzellenhalbabschnitte (10A) aufweist, wobei jeder Halbabschnitt (10A) eine Hälfte der Membranvorrichtung und eine der Oberflächen mit einer konkaven Form (43A) aufweist, wobei die Sensorhälften zusammengeklebt sind, um eine Membranvorrichtung (63) auszubilden.
  6. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßvorrichtung ein Paar von Stützträgern (50) für die Membranvorrichtung (63) aufweist, und die Stützträger (50) und die Membranvorrichtung (63) eine Sensorzelle aufweisen und wobei Mittel für das Lagern der Sensorzelle für das Erfassen von Differenzdruck Lagerblöcke (11, 12) aufweisen, die auf den jeweiligen Stützträgern auf gegenüberliegenden Seiten der Sensorzelle abgestützt sind, wobei die Lagerblöcke (11, 12) aus einem Material mit im wesentlichen dem gleichen Ausdehnungstemperaturkoeffizienten wie dem der Stützträger (50) hergestellt sind.
  7. Sensor nach Anspruch 6, mit einer Vorrichtung (150, 152, 153) für das Festklemmen der Lagerblöcke (11, 12) an der Sensorzelle (10), wobei die Lagerblöcke (11, 12) Einrichtungen aufweisen, um die Klemmkräfte zu den Stützträgern nur benachbart dem Umfang der Stützträger im wesentlichen in Ausrichtung mit dem äußeren Rand der Membranvorrichtung zu übertragen.
  8. Verfahren zur Herstellung eines Drucksensors (10), mit einer Membran (105) aus einem spröden Halbleiter- oder Keramikmaterial und mit einem auslenkbaren Mittenbereich (102), der von einem Stützrandbereich (103) umgeben ist, und mit einer Stützschicht (120, 130), die an der Membran an einer Schnittstelle mit dem Rand (103) der Membran befestigt ist, wobei die Stützschicht (120, 130) eine Anschlagoberfläche aufweist, um eine übermäßige Auslenkung der Membran zu verhindern, wobei das Verfahren den Schritt einschließt, eine konkave Ausnehmung in einer Fläche (102A, 102C) des Mittenbereichs (102) der Membran (105) angrenzend an die Anschlagoberfläche derart auszubilden, daß die Anschlagoberfläche mit der Form der angrenzenden Fläche (102A, 102C) des Mittenbereichs (102) der Membran übereinstimmt, wenn die Membran sich in maximaler Auslenkung befindet, wobei die konkave Ausnehmung durch Anlegen eines Drucks (P) an die Membran (102) relativ zu der Schnittstelle an dem Rand (103) ausgebildet wird, um eine Auswölbung (102B, 102E) in der angrenzenden Fläche auszubilden, das Material aus der Auswölbung angrenzend an die Fläche zu entfernen, um sie flach zu machen, und dann den Druck wieder zu entfernen, so daß die angrenzende Fläche mit dem entfernten Material konkav wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der maximale Differenzdruck, dem die Membran (105) in der Praxis ausgesetzt ist, bekannt ist, und der Druck (P), der auf die gegenüberliegende Oberfläche des Membranabschnitts während der Ausbildung der konkaven Oberfläche (102A, 102C) angelegt wird, so ausgewählt wird, daß er eine bekannte Funktion des maximalen Differenzdrucks ist, so daß bei der Anwendung die konkave Oberfläche im wesentlichen flach wird, wenn die Belastung auf der gegenüberliegenden Oberfläche des Membranabschnitts aus der konkaven Oberfläche einen erwünschten Überdruckzustand erreicht.
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