DE102013001159A1

DE102013001159A1 - Flüssigkeitsdrucksensor

Info

Publication number: DE102013001159A1
Application number: DE102013001159.0A
Authority: DE
Inventors: Thomas Niemann; Jürgen Palloks
Original assignee: Hella KGaA Huek and Co
Current assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Priority date: 2013-01-24
Filing date: 2013-01-24
Publication date: 2014-07-24
Also published as: CN103968994B; US20140202255A1; US9518883B2; CN103968994A

Abstract

Bei einem Flüssigkeitsdrucksensor mit einer Membran zur Drucksensierung und einer elektronischen Schaltung, wird die elektronische Schaltung in einem Teilabschnitt so dünn ausgebildet, dass in dem Teilabschnitt der elektronischen Schaltung die Membran ausgebildet ist. Die elektronische Schaltung ist in den anderen Abschnitten dicker ausgebildet als in dem Teilabschnitt, der die Membran ausbildet. Dadurch kann ein besonders kompakter Flüssigkeitsdrucksensor hergestellt werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Flüssigkeitsdrucksensor mit einer Membran zur Drucksensierung und mit einer elektronischen Schaltung.
Derartige Sensoren sind im Stand der Technik bekannt und werden zur Drucksensierung auch von aggressiven Flüssigkeiten, wie beispielsweise Motoröl, verwendet.
Ein Drucksensormodul, das mikroelektronisch aufgebaut ist und auf einer Leiterplatte eine Druckzelle und eine elektronische Schaltung aufweist, ist aus der DE 10 2008 017 871 A1 bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Flüssigkeitsdrucksensor der eingangs genannten Art zu schaffen, der besonders kompakt ausgebildet ist.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit einem Flüssigkeitsdrucksensor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Bei einem Flüssigkeitsdrucksensor mit einer Membran zur Drucksensierung und einer elektronischen Schaltung ist erfindungswesentlich vorgesehen, dass die elektronische Schaltung in einem Teilabschnitt so dünn ausgebildet ist, dass in dem Teilabschnitt der elektronischen Schaltung die Membran ausgebildet ist, während benachbarte Teilabschnitte der elektronischen Schaltung dicker ausgebildet sind.
Mit einem derartigen Flüssigkeitsdrucksensor kann ein besonders kompakter Sensor hergestellt werden. Die elektronische Schaltung, die zur Steuerung und/oder Auswertung der gewonnenen Daten des Flüssigkeitsdrucksensors ausgelegt und bestimmt ist, beinhaltet gleichzeitig die Membran. Diese elektronische Schaltung ist bevorzugt eine mikroelektronische Schaltung oder ein sogenannter ASIC, also eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung. Diese ist so angepasst, dass in einem Teilabschnitt die Membran ausgebildet ist. Wenn sich die Membran über die gesamte Breite der elektronischen Schaltung erstreckt, ist nur auf den beiden gegenüberliegenden Seiten, bevorzugt jedoch, also bei einer Membran, die sich nicht über die ganze Breite der elektronischen Schaltung erstreckt, rings um den die Membran ausbildenden Teilabschnitt herum die elektronische Schaltung dicker ausgebildet. Dies einerseits, um eine höhere Stabilität zu erreichen und andererseits, um die notwendigen Schichten für die Ausbildung der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung vorsehen zu können.
Der Flüssigkeitsdrucksensor ist dabei bevorzugt so ausgebildet, dass die elektronische Schaltung auf der Seite, die der zu sensierenden Flüssigkeit zugewandt ist, eine Ausnehmung aufweist und im Bereich dieser Ausnehmung die Membran ausgebildet ist. Bevorzugt ist dabei die Rückseite der elektronischen Schaltung, also die Seite, die von der zu sensierenden Flüssigkeit abgewandt ist, eben ausgebildet. Grundsätzlich wäre auch die Ausgestaltung andersherum denkbar, also dass die ebene Seite auf der Seite vorgesehen ist, die der zu sensierenden Flüssigkeit zugewandt ist. Weiterhin wäre denkbar, die Membran etwa auf halber Höhe der elektronischen Schaltung auszubilden. Dies würde bedeuten, dass von beiden Seiten der elektronischen Schaltung Ausnehmungen vorgesehen sind, die die elektronische Schaltung in einem Teilabschnitt so weit verdünnen, dass eine Membran ausgebildet ist.
Die Stärke der Membran hängt einerseits von dem Material selbst und andererseits auch von der Größe der ausgebildeten Membran ab. Insgesamt muss unter Berücksichtigung der Materialstärke und der Größe der Membran diese so dünn sein, dass eine druckinduzierte Verformung der Membran erfolgen kann. Die Membran ist für die Flüssigkeiten undurchlässig und zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass sie sich unter Druck verformt.
In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung weist die elektronische Schaltung auf der Seite, die der zu sensierenden Flüssigkeit zugewandt ist, ein Stanzgitter auf. Das Stanzgitter ist dabei bevorzugt unmittelbar benachbart zu der elektronischen Schaltung angeordnet. Das Stanzgitter und eine im Stanzgitter gebildete Öffnung, hinter der eine Ausnehmung in der elektronischen Schaltung vorgesehen ist, die sich zu der Membran hin verjüngt, sind der zu sensierenden Flüssigkeit zugewandt. In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung ist auf der elektronischen Schaltung oberhalb des Teilabschnitts, der die Membran ausbildet, eine Referenzkammer angeordnet. Diese ist günstigerweise auf der Seite der elektronischen Schaltung angeordnet, die von der zu sensierenden Flüssigkeit abgewandt ist. Die Referenzkammer besteht vorzugsweise aus Glas oder aus Silizium. In der Referenzkammer ist bei der Herstellung Luft mit Umgebungsdruck, bevorzugt mit einem definierten Druck von z. B. 1 bar, eingeschlossen worden. Damit lässt sich dann insbesondere der Niederdruckbereich bis 5 bar erfassen. Der in der Referenzkammer vorzusehende Referenzdruck richtet sich nach dem Einsatzzweck und dem geplanten Messbereich des Flüssigkeitsdrucksensors. Die Verformung der Membran richtet sich dann also nach dem Differenzdruck auf beiden Seiten der Membran. Die Referenzkammer hat im vorliegenden Fall auch gleichzeitig die Funktion einer zusätzlichen Abstützung der elektronischen Schaltung, insbesondere der Membran, da die Referenzkammer deckelartig ausgebildet ist und den Teilabschnitt, der so dünn ausgebildet ist, dass er die Membran ausbildet, an seinen Randbereichen vollständig umgibt. Ein Deckel, der die Referenzkammer in seinen Abmessungen definiert und der mit seinen Rändern auf der elektronischen Schaltung aufgesetzt ist, umgibt daher die Membran. Bevorzugt setzt der Deckel in dem Bereich der elektronischen Schaltung an oder auf, der auf der gegenüberliegenden Seite im Bereich einer Ausnehmung liegt, in der die Membran ausgebildet ist. Die Ausnehmung ist dabei bevorzugt größer als die Membran, da die gesamte Ausnehmung bevorzugt trichterartig ausgebildet ist und keine senkrechten Wände im Verhältnis zur Oberfläche der elektronischen Schaltung aufweist. Der Deckel erfasst dabei eine größere Fläche als den verdünnten Bereich, der die Membran bildet, jedoch einen kleineren Bereich als den Bereich der Ausnehmung, in dem die Membran ausgebildet ist.
In einer bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung ist die elektronische Schaltung und die Referenzkammer und vorzugsweise auch das Stanzgitter, das auch als Leiterplatte oder Leadframe bezeichnet wird, mit Ausnahme des Teilabschnitts der elektronischen Schaltung, in dem die Membran ausgebildet ist, vollständig mit einem Thermoplast umspritzt. Auf diese Weise erfolgt eine weitestgehende Abdichtung der elektronischen Schaltung und der weiteren funktionalen Bauteile gegen das Medium. Es können daher auch äußerst aggressive Medien auf ihren Druck hin sensiert werden. Der so gebildete Flüssigkeitsdrucksensor ist zur Messung von Motoröl, Kraftstoff, Flüssigkeiten für Klimaanlagen und andere Flüssigkeiten geeignet. Grundsätzlich kann der hier beschriebene Flüssigkeitsdrucksensor für alle in einem Kraftfahrzeug verwendeten Flüssigkeiten eingesetzt werden.
Die elektronische Schaltung ist dabei spiegelsymmetrisch zu einer Mittelsenkrechten durch die Membran ausgebildet und in dem Thermoplast angeordnet. Durch einen solchen symmetrischen Aufbau bevorzugt des gesamten Flüssigkeitsdrucksensors, einschließlich Leiterplatte, elektronischer Schaltung, Referenzkammer, Thermoplast und Gehäuse erfolgt auch eine besonders gute Kraftverteilung.
Bevorzugt ist innerhalb der Referenzkammer eine Messeinrichtung zur Messung der Stärke der Verformung der Membran angeordnet. Es kann dabei entweder ein piezoresistiver Drucksensor sein, bei dem auf der Membran elektrische Widerstände aufgebracht sind. Über eine druckabhängige Verformung kommt es dann zur Ausbildung einer elektrischen Spannung. Es kann auch ein piezoelektrischer Drucksensor verwendet werden, bei dem durch Druck eine elektrische Spannung in einem Kristall erzeugt wird. Grundsätzlich können auch andere Arten von Sensoren verwendet werden.
In einer Ausgestaltung der Erfindung liegt das Thermoplast unmittelbar an einem Gehäuse an. Das Thermoplast und das Gehäuse sind Bestandteile des Flüssigkeitsdrucksensors. Das Gehäuse ist bevorzugt zylinderförmig und mit einem Gewinde ausgestattet. Der Flüssigkeitsdrucksensor kann mit einem solchen Gehäuse unmittelbar an entsprechend vorbereitete Öffnungen mit Gewinde eingeschraubt werden, so dass der Flüssigkeitsdrucksensor dann entsprechend der Leitung oder dem Behälter, an denen der Flüssigkeitsdrucksensor angesetzt ist, entweder einen Öldruck oder einen Kraftstoffdruck oder ähnliches sensiert. Das Gehäuse ist vergleichsweise klein und an die Größe der elektronischen Schaltung angepasst. Insbesondere ist die Länge der elektronischen Schaltung größer als 50% des Innendurchmessers des Gehäuses. Ein weiterer Aspekt besteh in der Bereitstellung eines Kraftfahrzeugs mit einem flüssigkeitsdurchströmten Bauteil, z. B. einer Ölgalerie oder einer Kraftstoffleitung mit einem oben beschriebenen Flüssigkeitsdrucksensor, der an dem Bauteil angeordnet ist.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels weiter erläutert. Die einzige Figur der schematischen Zeichnung zeigt einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Flüssigkeitsdrucksensor.
In der Fig. ist ein Flüssigkeitsdrucksensor 1 dargestellt, in dessen Zentrum eine elektronische Schaltung 2 angeordnet ist. Diese ist als ASIC ausgebildet und weist zentral eine Ausnehmung 4 auf. Im Bereich dieser Ausnehmung 4 ist ein Teilabschnitt der elektronischen Schaltung 2 so stark verdünnt, dass eine Membran 3 ausgebildet wird. In der Figur wäre im unteren Teil die zu sensierende Flüssigkeit vorhanden, die über die Ausnehmung 4 zur Membran 3 gelangt. Die Ausnehmung 4 ist daher auf der der zu sensierenden Flüssigkeit zugewandten Seite. Auf der der zu sensierenden Flüssigkeit abgewandten Seite der elektronischen Schaltung 2 ist die elektronische Schaltung 2 eben ausgebildet. Die dort ausgebildete Membran 3 schließt daher bündig mit der übrigen Oberfläche der elektronischen Schaltung 2 ab. In der elektronischen Schaltung 2 sind Steuer- und Auswerteschaltungen integriert, mit denen der Flüssigkeitsdrucksensor 1 betrieben wird. Die elektronische Schaltung 2 ist als ASIC ausgebildet. Auf der elektronischen Schaltung 2 ist ein Sensorelement 9 angeordnet, das das Maß der Verbiegung der Membran 3 registriert. Dies kann beispielsweise ein piezoelektrischer Sensor oder ein piezoresistiver Sensor sein. Oberhalb der Membran 3 ist ein Deckel 16 angeordnet, der abdichtend auf der Oberfläche der elektronischen Schaltung 2 aufgesetzt ist, so dass in dem entstehenden Hohlraum eine Referenzkammer 15 ausgebildet ist. Die Abmessungen des Deckels 16 entsprechen etwa den Abmessungen der Ausnehmung 4 auf der gegenüberliegenden Seite. Der Deckel 16 und die darunter ausgebildete Hohlkammer 15 stabilisieren die Membran 3 von oben. Die elektronische Schaltung 2 ist auf einem Stanzgitter 5, das auch als Leadframe oder Schaltungsträger bezeichnet wird, aufgebaut. Die elektronische Schaltung 2 ist also in unmittelbarem Kontakt mit dem Stanzgitter 5. Von dem Stanzgitter 5 gehen Kontakte 6 aus, die außen an der elektronischen Schaltung 2 vorbeigeführt sind und nach oben zur Rückseite des Flüssigkeitsdrucksensors zu einem Steckerkorb 12 geführt sind. Von dem Stanzgitter 5 sind auch über Bonddrähte 7 Kontakte zur Oberseite der elektronischen Schaltung 2, insbesondere zu dort vorhandenen Anschlusspunkten 13 vorgesehen. Die elektronische Schaltung 2, das Stanzgitter 5, auf dem die elektronische Schaltung 2 aufgebaut ist, und die darüber liegende Referenzkammer 15 sind vollständig von einem Thermoplast 8 eingeschlossen. Lediglich der Bereich der Ausnehmung 4 ist ausgenommen. Sämtliche metallischen Kontakte und Leiterbahnen sind innerhalb des Thermoplasts 8 und nicht in Kontakt mit dem Medium bzw. der zu sensierenden Flüssigkeit. Dadurch ist auch der Einsatz in aggressiven Medien möglich. Der Flüssigkeitsdrucksensor weist ferner ein nach vorne offenes Gehäuse 10 auf, das in seinem vorderen Bereich ein Außengewinde 11 aufweist. Mit diesem ist der Flüssigkeitsdrucksensor 1 beispielsweise an einer Ölgalerie oder einer Kraftstoffleitung anschraubbar. Das Gehäuse 10 und der auf der Rückseite des Gehäuses 10 angesetzte Steckerkorb 12 sind universal dimensioniert. In dem Steckerkorb 12 können die gewünschten Schnittstellen individuell angepasst werden. Der Thermoplast 8 ist bündig an den Seiten des Gehäuses 10 anliegend ausgebildet. Weiterhin ist der Thermoplast 8 so dimensioniert und in das Gehäuse 10 eingesetzt, dass er bündig an einem Bodenbereich 17 des Gehäuses 10 anliegt. Dadurch erfährt der Thermoplast 8 und damit auch die darin aufgenommene elektronische Schaltung 2 und die Membran 3 eine Abstützung über das Thermoplast 8 an dem Gehäuse 10 und insbesondere an dem Bodenbereich 17 des Gehäuses 10.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008017871 A1 [0003]

Claims

Flüssigkeitsdrucksensor mit einer Membran zur Drucksensierung und einer elektronischen Schaltung (2), dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Schaltung (2) in einem Teilabschnitt so dünn ausgebildet ist, dass in dem Teilabschnitt der elektronischen Schaltung (2) die Membran (3) ausgebildet ist, und dass die elektronische Schaltung (2) in anderen Abschnitten dicker ausgebildet ist, als in dem Teilabschnitt, der die Membran (3) ausbildet.
Flüssigkeitsdrucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Schaltung (2) auf der Seite, die der zu sensierenden Flüssigkeit zugewandt ist, eine Ausnehmung (4) aufweist und im Bereich dieser Ausnehmung (4) die Membran (3) ausgebildet ist.
Flüssigkeitsdrucksensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Schaltung (2) auf der Seite, die der zu sensierenden Flüssigkeit zugewandt ist, mit einem Stanzgitter (5) verbunden ist.
Flüssigkeitsdrucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der elektronischen Schaltung (2) oberhalb des Teilabschnitts, der die Membran (3) ausbildet, eine Referenzkammer (15) angeordnet ist.
Flüssigkeitsdrucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Schaltung (2) und die Referenzkammer (15) mit Ausnahme des Teilabschnitts, in dem die Membran (3) ausgebildet ist, vollständig von einem Thermoplast (8) umgeben ist.
Flüssigkeitsdrucksensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Schaltung (2) spiegelsymmetrisch zu einer Mittelsenkrechten durch die Membran (3) in dem Thermoplast (8) angeordnet ist.
Flüssigkeitsdrucksensor nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Thermoplast (8) unmittelbar an einem Gehäuse (10) anliegt.
Flüssigkeitsdrucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der elektronischen Schaltung (2) größer als 50% des Innendurchmessers eines Gehäuses (10) ist, in dem die elektronische Schaltung (2) aufgenommen ist.
Kraftfahrzeug mit einem flüssigkeitsdurchströmten Bauteil mit einem Flüssigkeitsdrucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche.