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Dokumentenidentifikation DE3227516C2 03.09.1987
Titel Drucksensor
Anmelder Robert Bosch GmbH, 7000 Stuttgart, DE
Erfinder Herden, Werner, Dr., 7016 Gerlingen, DE
DE-Anmeldedatum 23.07.1982
DE-Aktenzeichen 3227516
Offenlegungstag 22.09.1983
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 03.09.1987
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.09.1987
IPC-Hauptklasse G01L 9/14
Zusammenfassung Ein Drucksensor weist eine druckabhängig auslenkbare Membrandose (10) auf, die einen Permanentmagneten (12) trägt. Dem Permanentmagneten (12) gegenüber ist auf einer Substratplatte (10) ein GaAs-Hall-Element (13) angeordnet, wobei die Substratplatte (14) ferner einen Hybridschaltkreis trägt.

Beschreibung[de]

Die Erfindung geht aus von einem Drucksensor nach der Gattung des Anspruchs 1.

Ein solcher Drucksensor ist aus der DE-OS 29 46 515 bekannt. Dort trägt eine druckabhängig auslenkbare Membrandose einen Permanentmagneten, der mit einem feststehenden Hall-Element zusammenwirkt. Dieses Element ist auf einer Substratplatte angebracht, die zusätzlich noch Schaltelemente und Dickschichtwiderstände trägt. Es ist aber weder die Verwendung eines Ga-As-Hall-Elements beschrieben, noch wird auf die besondere Ausgestaltung der Dickschichtwiderstände eingegangen.

Ferner wird in der DE-OS 28 42 140 ein Druckgeber beschrieben, dessen Hall-Element nicht auf einer Substratplatte angeordnet, sondern auf einer zusätzlichen Aufhängung oder an einer Membran befestigt ist. Das vom Hall-Element gewonnene Signal muß erst über die Anschlußleitungen zu einer Auswerteschaltung geleitet werden, die sich nicht auf der Aufhängung befindet. Sie ist vielmehr getrennt und fern vom Hall-Element als Hybridschaltung ausgebildet. Dadurch können sich unerwünschte Temperaturabhängigkeiten ergeben, die leicht zu Meßfehlern führen können, und es sind besondere Vorkehrungen hinsichtlich der Betriebsspannung erforderlich.

In der Druckschrift "Siemens Forschung und Entwicklungsbericht", Band 10, 1981, Nr. 2, Seiten 83 bis 90 wird ganz allgemein auf die Verwendung von III-V-Halbleitern hingewiesen. Hierzu werden Geschwindigkeitssensoren angeführt, bei denen ein digitales Meßsignal und kein analoges, lineares Signal gewonnen werden soll.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drucksensor zu schaffen, der sich das Prinzip der bekannten Geber zunutze macht, jedoch ein möglichst genaues lineares Verhalten zwischen dem zu bestimmenden Druck und dem Meßsignal aufweist und bei dem ein noch verbleibender geringer Temperaturgang weitgehend kompensiert werden soll. Das verwendete Element soll ferner nur eine geringe Versorgungsspannung erfordern.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch Integration der Auswerteschaltung in das Sensorgehäuse und in die Nähe des Hall-Elements ein besonders kompakter und störunanfälliger Aufbau des Sensors möglich ist. Darüber hinaus ergibt das verwendete GaAs-Hall-Element einen besonders geringen Temperaturgang. Der noch verbleibende restliche Temperaturgang kann weiterhin durch den Aufbau der integrierten Auswerteschaltung nahezu vollständig kompensiert werden. Schließlich erfordert das erfindungsgemäß verwendete temperaturempfindliche Element nur geringe Versorgungsspannungen.

Bei Ausbildung des Sensors als Absolutdrucksensor wird eine geschlossene, vorzugsweise evakuierte Membrandose verwendet. Das Gehäuse wird von einer Substratplatte verschlossen und mit dem Meßdruck beaufschlagt. Durch Anordnung des magnetempfindlichen Elements und der Auswerteschaltung auf der dem Meßdruck abgewandten Seite wird ein Schutz dieser Elemente vor dem oftmals aggressiven Druckmedium erzielt.

Bei Realisierung eines Absolut-Sensors wird ferner ein besonders kompakter Aufbau dadurch erzielt, daß als Substratplatte für die integrierte Auswerteschaltung und das magnetfeldempfindliche Element eine Kupferplatte verwendet wird, auf die eine Wellmembran-Halbdose gelötet wird, so daß Dose und Substratplatte eine Baueinheit bilden. Dies ergibt auch eine einheitliche Technologie und eine einfachere Herstellung eines erfindungsgemäßen Sensors

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich in Verbindung mit den Unteransprüchen aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele und aus den zugehörigen Zeichnungen.

Daran soll sich die Beschreibung ab dem Abschnitt "Zeichnung" in ihrer ursprünglich eingereichten Form anschließen.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 bis 3 jeweils einen Querschnitt durch eine erste, zweite bzw. dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Drucksensors.

In der Fig. 1 bezeichnet 10 eine Membrandose, der über einen Stutzen 11 ein Druck zuführbar ist. Die Membrandose 10 trägt einen Permanentmagneten 12, vorzugsweise eine Kobalt-Seltene-Erden-Legierung, etwa CoSm. Gegenüber dem Permanentmagneten 12 ist raumfest ein GaAs-Hall- Element 13 auf einer Substratplatte 14 angeordnet. Die Substratplatte 14 trägt weiterhin einen Hybridschaltkreis, bestehend aus Dickschichtwiderständen 15a, 15b sowie wenigstens einem Differenzverstärker 16. Die Substratplatte 14 begrenzt ein Ende eines Gehäuses 17, in das eine Scheibe 18 mit einem Gewinde 19 eingeschraubt ist, wobei die Scheibe 18 den Stutzen 11 bzw. die Membrandose 10 mit Permanentmagnet 12 trägt. Die Scheibe 18 stützt sich über eine Feder 20 am Gehäuse 17 ab. Schließlich ist noch ein elektrischer Anschluß 21 für den Hybridschaltkreis auf der Substratplatte 14 vorgesehen.

Wird der Membrandose 10 über den Stutzen 11 ein Meßdruck zugeführt, wird die Membrandose 10 ausgelenkt und damit der Abstand des Permanentmagneten 12 vom Element 13 variiert. Dies ergibt ein sich änderndes Ausgangssignal des Elementes 13, wobei das GaAs einen besonders niedrigen Temperaturkoeffizienten bei gleichzeitig hoher Signalausbeute aufweist. Durch Integration der Verstärkeranordnung auf der Substratplatte 14 in das Sensorgehäuse 17 ist eine unmittelbare Auswertung des Ausgangssignales des GaAs-Elementes 13 möglich. Durch Abgleich der Dickschichtwiderstände 15a, 15b usw. kann dabei die Kennlinie des Drucksensors eingestellt werden, beispielsweise bei verschiedenen Temperaturen, so daß eine vollkommene Temperaturgangkompensation möglich ist. Ebenso kann erfindungsgemäß der Nullpunkt durch Eindrehen der Scheibe 18 variiert werden.

Es versteht sich, daß die in der Figur dargestellte Anordnung nur beispielhaft für die Messung eines der Membrandose 10 zuleitbaren Druckes zu verstehen ist. Es ist selbstverständlich auch möglich, die Membrandose 10 als Absolutdruckdose verschlossen auszubilden und dem Inneren des Gehäuses 17 den Meßdruck zuzuleiten. Weiterhin ist es möglich, mehrere Membrandosen 10 zu verwenden, die auf dasselbe GaAs-Element 13 einwirken, so daß auf diese Weise Differenzdruckmessung möglich sind. Auch ist es möglich, in der Achse des Sensors einen weiteren Permanentmagneten zu Kompensationszwecken auf der dem Permanentmagneten 12 abgewandten Seite des GaAs-Elementes 13, vorzugsweise auf einer weiteren einschraubbaren Scheibe anzuordnen.

Es versteht sich weiter, daß die in Fig. 1 vorgesehene Scheibe 18 zur Justierung der Membrandose 10 entfallen kann, wenn die verwendete Membrandose 10 sowie der Permanentmagnet 12 in ihren Eigenschaften reproduzierbar und damit nicht mehr kompensationsbedürftig sind. Dies ist beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 vorgesehen, bei dem die Scheibe 18a fest im Gehäuse 17a angeordnet ist. Der Sensor gemäß Fig. 2 ist als Absolutdrucksensor ausgebildet. Die Membrandose 10a ist verschlossen und vorzugsweise evakuiert. Der Meßdruck wird dem Innenraum des Gehäuses 17a über den Stutzen 11 sowie einem an der Membrandose 10a vorbeiführenden Kanal 21 zugeführt. Das Gehäuse 17a wird durch die Substratplatte 14a am Boden druckdicht verschlossen. Dabei sind das magnetfeldempfindliche Element 13 sowie die Elemente 15a, 15b, 16 des Hybridschaltkerns auf der Außenseite der Substratplatte 14a angeordnet, so daß sie vom Druckmedium zum Innern des Gehäuses 17a nicht beaufschlagt werden.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten weiteren Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drucksensors bezeichnet 31 wiederum einen Stutzen, durch den dem Inneren eines Gehäuses 32 ein Meßdruck, im vorliegenden Fall ein Absolutdruck zugeführt werden kann. Die hierzu erforderliche geschlossene Absolutdruckdose wird durch eine Wellmembran-Halbdose 33 gebildet, die den Permanentmagneten 35 trägt. Die Wellmembran-Halbdose 33 ist auf eine Kupfer-Substratplatte 34 aufgelötet, wodurch die geschlossene Absolutdruckdose gebildet wird. Die Kupfer- Substratplatte 34 weist an ihrer Oberfläche eine Email- Isolierung 39 auf, auf der das GaAs-Element 36 sowie Dickschichtwiderstände 38 und ein Verstärker 37 angeordnet sind.

Die durch die Wellmembran-Halbdose 33 und die Substratplatte 34 gebildete Absolutdruckdose ist vorzugsweise evakuiert, so daß der über den Stutzen 31 zugeführte Absolut-Meßdruck die Auslenkung der Wellmembran-Halbdose 33 und damit des Permanentmagneten 35 relativ zum GaAs-Element 36 bewirkt. Auf diese Weise wird ein besonders kompakter Aufbau eines Drucksensors für Absolutdruckmessungen realisiert, wobei weiterhin eine einheitliche Technologie zur Herstellung der Absolutdose verwendet wird.


Anspruch[de]
  1. 1. Drucksensor mit einem Gehäuse (17, 17a, 32), in dessen Achse nahe beieinander hintereinander angeordnet sind

    1. a) eine einem Meßdruck ausgesetzte Membrandose (10, 10a, 33), deren eine Wand einen Permanentmagneten (12, 35) trägt,
    2. b) ein magnetfeldempfindliches Element,
    3. c) das Element auf einer Substratplatte (14, 14a, 34) angeordnet ist, die einen Hybridschaltkreis mit Dickschichtwiderständen sowie einem Differenzverstärker trägt,


  2. gekennzeichnet durch die Merkmale:

    1. d) das magnetfeldempfindliche Element ist ein Ga-As-Hall- Element (13, 36),
    2. e) die Dickschichtwiderstände (15a, 15b; 38) haben unterschiedliche Temperaturkoeffizienten.


  3. 2. Drucksensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die weiteren Merkmale:

    1. f) die Membrandose (10a) ist als geschlossene Absolutdruckdose und das Gehäuse (17a) ist als durch die Substratplatte (14a) geschlossenes, mit dem Meßdruck beaufschlagtes Gehäuse ausgebildet,
    2. g) der Hybridschaltkreis und das magnetfeldempfindliche Element sind auf der vom Meßdruck abgewandten Seite der Substratplatte (14a) angeordnet.


  4. 3. Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die weiteren Merkmale:

    1. h) die Substratplatte (34) besteht aus Kupfer mit einer Email- Isolation (39),
    2. i) die Membrandose ist als geschlossene Absolutdruckdose derart ausgebildet, daß eine Wellmembranhalbdose (33) auf die Substratplatte (34) aufgelötet ist.






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