DE102015206468A1

DE102015206468A1 - Vorrichtung zum Bestimmen eines Drucks und Verfahren zum Herstellen derselben

Info

Publication number: DE102015206468A1
Application number: DE102015206468.9A
Authority: DE
Inventors: Frank Klopf; Marc Layer; Juergen Kober; Thomas Moelkner; Wilhelm Frey
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-04-10
Filing date: 2015-04-10
Publication date: 2016-10-13
Also published as: US20160299027A1; JP6629127B2; JP2016200593A; US9618414B2

Abstract

Die Erfindung schafft eine Vorrichtung (1; 100; 200; 300) zum Bestimmen eines Drucks und ein Verfahren zum Herstellen derselben. Die Vorrichtung ist ausgebildet mit: einem Gehäuse (10; 110; 210; 310) mit einem Hohlraum (12); einer Sensoreinrichtung (20; 120; 220; 420) mit einer ersten Dichtungsstruktur (26; 126; 226), welche sich mit dem Gehäuse (10; 110; 210; 310) derart in Eingriff befindet, dass mittels der Sensoreinrichtung (20; 120; 220; 420) eine Mündung (13) des Hohlraums (12) verschließbar ist; wobei die Sensoreinrichtung (20; 120; 220; 420) dazu ausgebildet ist, einen Druck, mit welchem der Hohlraum (12) beaufschlagt ist, zu bestimmen; und einer Dichtungseinrichtung (50; 150), welche zwischen dem Gehäuse (10; 110; 210; 310) und der Sensoreinrichtung (20; 120; 220; 420) angeordnet und dazu ausgebildet ist, durch Ausüben einer Anpresskraft auf die Sensoreinrichtung (20; 120; 220; 420) die erste Dichtungsstruktur (26; 126; 226) an das Gehäuse (10; 110; 210; 310) anzupressen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Drucks und ein Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung zum Bestimmen eines Drucks. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Drucksensor, bevorzugt einen Hochdrucksensor. Unter einem Hochdrucksensor ist insbesondere ein Sensor zu verstehen, welcher dazu ausgelegt ist, einen Druck von über 2000 bar, vorzugsweise über 2500 bar, besonders bevorzugt über 3000 bar zu bestimmen, wobei der Hochdrucksensor vorteilhafterweise nicht zerstört wird. 1 bar entspricht 10000 Pascal.
Stand der Technik
In der Hydraulik und in vielen Bereichen der Prozesstechnik spielen Drucksensoren, das heißt Vorrichtungen zum Bestimmen von Drücken, insbesondere von Drücken von mehr als 50 bar, eine große Rolle. Besonders beim Automobilbau kommen derartige Vorrichtungen in verschiedenen Systemen zum Einsatz, beispielsweise bei der Kraftstoffdirekteinspritzung und der Fahrdynamikregelung. Üblicherweise werden hierbei sogenannte piezoresistive Hochdrucksensoren verwendet, welche eine besondere Genauigkeit und Robustheit aufweisen sowie mit relativ geringem Aufwand herzustellen sind.
Bei piezoresistiven Drucksensoren befinden sich auf einer geeignet ausgelegten Stahlmembran dehnungsempfindliche elektrische Widerstände, die zu einer Wheatstone-Brücke verschaltet sind. Ein an der Stahlmembran anliegender, zu bestimmender Druck verursacht Verformungen der Stahlmembran. Dadurch kann es zu Materialdehnungen der Widerstände auf der Oberfläche der Stahlmembran kommen. Die Widerstände sind dabei derart angeordnet, dass diese Dehnungen bzw. Stauchungen erfassbar sind. Eine resultierende Verstimmung der Wheatstone-Brücke, welche auch Widerstandsbrücke genannt wird, ist bei kleinen Membranauslenkungen der Stahlmembran proportional zu dem angegebenen Druck und ist durch eine geeignete Elektronik auswertbar.
In der DE 10 2009 025 486 A1 ist ein zweiteiliger Drucksensor beschrieben, dessen zwei Teile mittels einer Schweißnaht aneinander befestigt sind. Das erste Teil ist ein Gehäuse mit einem Außengewinde, welches mit dem Fluid, dessen Druck zu bestimmen ist, nicht in Berührung kommt. Das zweite Teil weist einen Messabschnitt auf, dessen Verformung aufgrund des zu bestimmenden Drucks gemessen und zum Bestimmen des zu bestimmenden Drucks ausgewertet wird.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung offenbart eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8.
Dementsprechend schafft die Erfindung eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Drucks mit: einem Gehäuse mit einem Hohlraum; einer Sensoreinrichtung mit einer ersten Dichtungsstruktur, welche sich mit dem Gehäuse mittelbar oder unmittelbar derart in Eingriff befindet, dass mittels der Sensoreinrichtung eine Mündung des Hohlraums verschließbar ist; wobei die Sensoreinrichtung dazu ausgebildet ist, einen zu bestimmenden Druck, mit welchem der Hohlraum beaufschlagt ist, zu bestimmen; und einer Dichtungseinrichtung, welche zumindest teilweise zwischen dem Gehäuse und der Sensoreinrichtung angeordnet ist und welche dazu ausgebildet ist, durch Ausüben einer Anpresskraft auf die Sensoreinrichtung die erste Dichtungsstruktur mittelbar oder unmittelbar an das Gehäuse anzupressen.
Der zu bestimmende Druck ist insbesondere ein Druck eines in den Hohlraum einleitbaren Fluids, welches mit dem zu bestimmenden Druck beaufschlagt ist, wodurch auch der Hohlraum mit dem zu bestimmenden Druck beaufschlagt wird. Das Gehäuse der Vorrichtung ist als Druckstutzen bezeichenbar. Die Dichtungseinrichtung und die Sensoreinrichtung sind als Fügepartner bezeichenbar. Unter einer Mündung des Hohlraums ist eine Fluidverbindung von dem Hohlraum an eine Außenseite der Vorrichtung zu verstehen. Unter einer Fluidverbindung ist ein Pfad zu verstehen, welchen ein Fluid nehmen kann, um von einem Ort zu einem anderen Ort zu gelangen.
Weiterhin wird durch die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung zum Bestimmen eines Drucks geschaffen, mit den Schritten: Ausbilden eines Gehäuses mit einem Hohlraum; Ausbilden einer Sensoreinrichtung mit einer ersten Dichtungsstruktur; Anlegen der Sensoreinrichtung an das Gehäuse derart, dass die erste Dichtungsstruktur derart mittelbar oder unmittelbar mit dem Gehäuse in Eingriff bringbar oder gebracht ist, dass eine Mündung des Hohlraums mittels der Sensoreinrichtung verschließbar oder verschlossen ist; und Anordnen einer Dichtungseinrichtung zumindest teilweise zwischen dem Gehäuse und der Sensoreinrichtung derart, dass die Dichtungseinrichtung durch Ausüben einer Anpresskraft auf die Sensoreinrichtung die erste Dichtungsstruktur mittelbar oder unmittelbar an das Gehäuse anpresst.
Vorteile der Erfindung
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Erkenntnis besteht darin, dass eine Fertigung eines Drucksensors aus mehreren Teilen vorteilhaft eine getrennte und, auch im Hinblick auf den erforderlichen Herstellungsaufwand, optimierte Produktion der einzelnen Teile ermöglicht. Zudem können die einzeln gefertigten Teile derart miteinander verbunden werden bzw. sein, dass jegliche Verformung der den Druck bestimmenden Teile minimiert wird. Häufig werden bei Hochdrucksensoren beispielsweise Neuteilegenauigkeiten von etwa 0,5 % FS (Englisch: „Full Scale“ = Vollausschlag) gefordert. Um solche Genauigkeiten zu erreichen, ist es vorteilhaft, dass es bei dem Zusammenfügen der einzelnen Teile des Drucksensors nicht zu einem Verschieben eines Nullsignals des Drucksensors, d.h. der Vorrichtung zum Bestimmen des Drucks kommt.
Weiterhin kommt die erfindungsgemäße Vorrichtung ohne auf Zug belastete Schweißnähte aus, was die Festigkeit der Vorrichtung erhöht. Darüber hinaus gewährleistet die Konstruktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine verbesserte mechanische Entkopplung der Sensoreinrichtung der Vorrichtung von äußeren Einflüssen sowohl bei einem Herstellen der Vorrichtung als auch bei einem Verbau bzw. Einbau der Vorrichtung am Einsatzort.
Weiterhin sind die hierin beschriebenen Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung unabhängig von den genauen Verfahren, welche für die Herstellung der Sensoreinrichtung der Vorrichtung verwendet werden. Im Folgenden wird eine Ausführungsform mit einer Dünnschicht-basierten Messeinheit der Sensoreinrichtung beschrieben, welche ein Beispiel von vielen darstellt.
Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist die Sensoreinrichtung eine Membran auf, welche mit dem Hohlraum in Verbindung steht und weist weiterhin eine Messeinheit auf, welche dazu ausgebildet ist, den zu bestimmenden Druck, mit welchem der Hohlraum beaufschlagt ist, basierend auf einem Verformen der Membran zu bestimmen. Die Messeinheit kann insbesondere eine Wheatstone-Brücke aufweisen. Die Membran ist beispielsweise als Stahl und/oder kann als ein verdünnter Abschnitt eines einstückigen Grundkörpers der Sensoreinrichtung ausgebildet werden, welcher beispielsweise aus Stahl bestehen kann. Somit ist eine besonders präzise Bestimmung des zu bestimmenden Drucks möglich.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Dichtungseinrichtung unter einer Vorspannung derart an dem Gehäuse angebracht, dass die Dichtungseinrichtung aufgrund der Vorspannung derart gegen die Sensoreinrichtung gepresst wird, dass die erste Dichtungsstruktur der Sensoreinrichtung mittelbar oder unmittelbar an das Gehäuse angepresst wird. Somit ist eine Dichtheit der Verbindung zwischen der Sensoreinrichtung und dem Gehäuse auch bei einem an der Sensoreinrichtung anliegenden, zu messenden Druck in dem Hohlraum, gewährleistbar.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die erste Dichtungsstruktur der Sensoreinrichtung einen ersten Außenkonus auf und weist das Gehäuse einen ersten Innenkonus auf, wobei der erste Außenkonus formschlüssig an den ersten Innenkonus anpressbar ist. Somit ist eine besonders dichte Verbindung zwischen dem ersten Innen- und dem ersten Außenkonus realisierbar. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die erste Dichtungsstruktur der Sensoreinrichtung eine Dichtkante auf.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Sensoreinrichtung eine zweite Dichtungsstruktur auf, welche zum dichtenden Zusammenwirken mit einer dritten Dichtungsstruktur der Dichtungseinrichtung ausgebildet ist, wobei die zweite Dichtungsstruktur der Sensoreinrichtung einen zweiten Innenkonus aufweist und wobei die dritte Dichtungsstruktur der Dichtungseinrichtung einen zweiten Außenkonus aufweist, mit welchem der zweite Innenkonus in Eingriff bringbar ist. Mit anderen Worten ist der zweite Innenkonus druckdicht in den zweiten Außenkonus einpressbar. Unter einem Außenkonus ist insbesondere eine Mantelfläche einer konusförmigen oder konusabschnittsförmigen Aussparung in einem Element zu verstehen. Unter einem Innenkonus ist insbesondere eine konusförmige oder konusabschnittsförmige Außenfläche eines Elements zu verstehen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Dichtungseinrichtung zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, in einer Sacklochbohrung in dem Gehäuse angeordnet. Somit lässt sich eine besonders kompakte Bauweise realisieren, bei welcher zudem vorteilhaft eine Vorspannung zwischen Gehäuse, Dichtungseinrichtung und Sensoreinrichtung ermöglicht wird. Dazu kann die Dichtungseinrichtung vorteilhaft mittels einer Schweißnaht an dem Gehäuse, insbesondere in der Sacklochbohrung, fixiert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Dichtungseinrichtung bei dem Anordnen der Dichtungseinrichtung zum Ausüben der Anpresskraft auf die Sensoreinrichtung derart in eine Sacklochbohrung in dem Gehäuse eingepresst, dass zumindest zwischen der Dichtungseinrichtung und der Sensoreinrichtung eine Vorspannung besteht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Dichtungseinrichtung bei dem Anordnen der Dichtungseinrichtung zum Ausüben der Anpresskraft auf die Sensoreinrichtung in eine Sacklochbohrung in dem Gehäuse gefügt, vorzugsweise eingepresst, und mittels einer Schweißnaht an dem Gehäuse fixiert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
1 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung 1 zum Bestimmen eines Drucks gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische Querschnittsansicht einer Vorrichtung 100 zum Bestimmen eines Drucks gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 eine schematische Querschnittsansicht einer Vorrichtung 200 zum Bestimmen eines Drucks gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 eine schematische Querschnittsansicht einer Vorrichtung 300 zum Bestimmen eines Drucks gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 schematische Detailansichten der Sensoreinrichtung 120 der Vorrichtung 100 aus 2;
6a) bis 6c) schematische Querschnittsansichten durch verschiedene mögliche Sensoreinrichtungen 120; 220; 520 der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
7 ein schematisches Flussdiagramm zum Erläutern eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Vorrichtung zum Bestimmen eines Drucks.
In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen – sofern nichts anderes angegeben ist – mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Nummerierung von Verfahrensschritten dient der Übersichtlichkeit und soll insbesondere nicht, sofern nichts anderes angegeben ist, eine bestimmte zeitliche Reihenfolge implizieren. Insbesondere können auch mehrere Verfahrensschritte gleichzeitig durchgeführt werden.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung 1 zum Bestimmen eines Drucks gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die Vorrichtung 1 weist ein Gehäuse 10 mit einem Hohlraum 12 auf, der eine Mündung 13 aufweist, welche aus dem Hohlraum 12 an eine Außenseite des Gehäuses 10 führt. Die Vorrichtung 1 umfasst weiterhin eine Sensoreinrichtung 20 mit einer ersten Dichtungsstruktur 26. Die erste Dichtungsstruktur 26 befindet sich mit dem Gehäuse 10 mittelbar oder unmittelbar derart in Eingriff, dass die Mündung 13 des Hohlraums 12 durch die Sensoreinrichtung 20 verschließbar oder verschlossen ist.
Die Sensoreinrichtung 20 ist dazu ausgebildet, einen zu bestimmenden Druck, mit welchem der Hohlraum beaufschlagt ist, beispielsweise indem ein mit dem zu bestimmenden Druck beaufschlagtes Fluid in den Hohlraum eingeleitet wird oder eingeleitet ist, zu bestimmen.
Die Vorrichtung 1 weist weiterhin eine Dichtungseinrichtung 50 auf, welche zumindest teilweise, vorzugsweise ganz, zwischen dem Gehäuse 10 und der Sensoreinrichtung 20 angeordnet ist und welche dazu ausgebildet ist, durch Ausüben einer Anpresskraft auf die Sensoreinrichtung 20 die erste Dichtungsstruktur 26 zum druckdichten Verschließen der Mündung 13 mittelbar oder unmittelbar an das Gehäuse 10 anzupressen.
Die Sensoreinrichtung 20, die Dichtungseinrichtung 50 und das Gehäuse 10 sind vorzugsweise voneinander separat hergestellte Elemente, das heißt keine zwei der drei Elemente sind miteinander einstückig hergestellt.
2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung 100 zum Bestimmen eines Drucks gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die Vorrichtung 100 ist eine Variante der Vorrichtung 1. Die Sensoreinrichtung 120 der Vorrichtung 100 weist eine Membran 122 auf, welche Teil eines einstückigen Grundkörpers 123 der Sensoreinrichtung 120 ist. Vorzugsweise ist der Grundkörper 123 aus Stahl ausgebildet. Die Membran 122 kann beispielsweise durch Bohren des Grundkörpers 123 ausgebildet werden, so dass eine im Vergleich zum restlichen Teil des Grundkörpers 123 dünnerer Abschnitt als Membran 122 entsteht. Auf einer ersten Außenfläche der Membran 122, welche von dem Hohlraum 12 abgewandt ist, ist eine Messeinheit 60 dazu ausgebildet, einen Druck basierend auf einem Verformen der Membran 122 zu bestimmen. Die Messeinheit 60 der Vorrichtung 100 wird im Folgenden in Bezug auf 5 näher beschrieben werden.
Der Grundkörper 123 der Sensoreinrichtung 120 ist rotationssymmetrisch bezüglich einer Rotationssymmetrieachse A ausgebildet, welche die Membran 122 schneidet, insbesondere senkrecht auf der Membran 122 steht. Wo im Folgenden von einer axialen, einer tangentialen oder einer radialen Richtung die Rede ist, soll dies stets als in Bezug auf die Rotationssymmetrieachse A definiert verstanden werden.
Der Grundkörper 123 weist weiterhin als die erste Dichtungsstruktur einen ersten Außenkonus 126, das heißt einen konusförmigen Abschnitt einer zu dem Gehäuse 110 der Vorrichtung 100 gewandten Außenfläche des Grundkörpers 123 auf, wobei sich der erste Außenkonus 126 bei in axialer Richtung zunehmender Entfernung von der Membran 122 in radialer Richtung zunehmend verbreitert. Das Gehäuse 110 der Vorrichtung 100 weist einen ersten Innenkonus 114 auf, welcher der Sensoreinrichtung 120 zugewandt ist, welcher die erste Mündung 13 umgibt und welcher rotationssymmetrisch bezüglich der Rotationssymmetrieachse A ist. Der Hohlraum 12 ist als bezüglich der Rotationssymmetrieachse A rotationssymmetrische Durchgangsbohrung ausgebildet. Der Hohlraum 12 weist an seinem, in axialer Richtung, der ersten Mündung 13 gegenüberliegenden Ende eine zweite Mündung 115 in einer ersten Außenseite 111 des Gehäuses 110 auf, über welche der Hohlraum 12 mit dem zu messenden Druck beaufschlagbar ist. Der erste Innenkonus 114 ist derart mit dem ersten Außenkonus 126 in Eingriff gebracht, dass die erste Mündung 13 des Hohlraums 12 durch die Sensoreinrichtung 120 verschließbar ist, wobei die Membran 122 der Sensoreinrichtung 120 mit dem Hohlraum 12 in Verbindung steht.
Der Grundkörper 123 der Sensoreinrichtung 120 weist eine zweite Dichtungsstruktur auf, welche als ein zu der Rotationssymmetrieachse A und dem ersten Außenkonus 126 koaxialer zweiter Innenkonus 124 ausgebildet ist, welcher, in radialer Richtung, um den ersten Außenkonus 126 ausgebildet ist.
Die erste Mündung 13 sowie der erste Innenkonus 114 des Hohlraums 12 sind innerhalb einer Sacklochbohrung 157 angeordnet, welche an einer, in axialer Richtung, von der ersten Außenseite 111 des Gehäuses 110 abgewandten zweiten Außenseite 112 des Gehäuses 110 ausgebildet ist. Bei der Vorrichtung 100 ist die Dichtungseinrichtung 150, welche rotationssymmetrisch zu der Rotationssymmetrieachse A ausgebildet ist, vollständig innerhalb der Sacklochbohrung 157 angeordnet.
Die Dichtungseinrichtung 150 ist in die Sacklochbohrung 157 gefügt und, mit einer Vorspannung in Richtung der ersten Außenseite 111 des Gehäuses 110, mittels einer Schweißnaht 156 an dem Gehäuse 110 fixiert. An einer Durchgangsbohrung der Dichtungseinrichtung 150, durch welche die Sensoreinrichtung 120 zumindest teilweise hindurchgeführt ist, weist die Dichtungseinrichtung 150 einen zweiten Außenkonus 154 auf. Der zweite Außenkonus 154 ist derart ausgebildet, dass er mit dem zweiten Innenkonus 124 der Sensoreinrichtung 120 formschlüssig in Eingriff bringbar ist.
Weiterhin ist die Vorspannung, unter welcher die Dichtungseinrichtung 150 an das Gehäuse 110 geschweißt wird, derart gewählt und die Dichtungseinrichtung 150 derart in die Sacklochbohrung 157 eingeführt, dass der zweite Außenkonus 154, zunächst in radialer Richtung, an den zweiten Innenkonus 124 angepresst wird. Durch das Anpressen in radialer Richtung entsteht eine Anpresskraft mit einer Komponente senkrecht zu der Mantelfläche des zweiten Außenkonus 124 und somit, bei der Vorrichtung 100, auch senkrecht zu der Mantelfläche des ersten Außenkonus 126 sowie des ersten Innenkonus 114. Somit wird durch die Vorspannung, mit welcher die Dichtungseinrichtung 150 an dem Gehäuse 110 befestigt ist, der erste Außenkonus 126 an den ersten Innenkonus 114 und somit die Sensoreinrichtung 120 an das Gehäuse 110 gepresst, wodurch die Mündung 13 druckdicht verschlossen wird.
Besonders vorteilhaft wird die Dichtungseinrichtung 150 in die Sacklochbohrung 157 eingepresst und dann festgeschweißt, wobei die Einpresskraft so gewählt wird, dass, wie oben beschrieben, eine gewünschte Vorspannung realisiert wird. Dieses Vorgehen hat den besonderen Vorteil, dass das Einpressen und das Festschweißen in zwei getrennten Produktionsschritten erfolgen können, wodurch sich der Fertigungsaufwand reduzieren kann.
Die Vorspannung ist dabei vorteilhaft so eingestellt, dass ein Nettobetrag der in Richtung der ersten Außenseite 111 wirkenden Anpresskraft auch dann ausreichend groß für eine druckdichte Verbindung zwischen der Sensoreinrichtung 120 und dem Gehäuse 110 ist, wenn das Sensorelement 120 durch den anliegenden, zu bestimmenden Druck in dem Hohlraum 12 von dem Gehäuse 110 fort gedrückt wird.
An einer von dem Hohlraum 12 abgewandten Außenseite weist das Gehäuse 110 ein Innengewinde 117 auf, mittels welchem das Gehäuse 110 als ein Druckstutzen beispielsweise in ein Einspritzsystem, beispielsweise ein Kraftstoffeinspritzsystem eines Fahrzeugs, einschraubbar ist. An der ersten Außenseite 111 des Gehäuses 110, welche auch als druckseitiges Ende bezeichenbar ist, ist eine Dichtkante 116 des Gehäuses 110 ausgebildet, mittels welcher bei dem Einbau des Gehäuses 110 in ein System eine druckdichte Verbindung herstellbar ist. An einem in axialer Richtung bei der Membran 122 gelegenen Ende des Gehäuses 110 kann eine Abdeckung 118 vorgesehen sein, durch welche hindurch die Messeinheit 60 kontaktierbar ist. Auf einer von dem Gehäuse 110 abgewandten Seite der Abdeckung 118 kann eine Leiterplatte 119 angeordnet sein, mittels welcher Datensignale von der Messeinheit 60 auswertbar und/oder übermittelbar sind.
3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Vorrichtung 200 zum Bestimmen eines Drucks gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 200 ist eine Variante der Vorrichtung 100 gemäß 2, welche sich von der Vorrichtung 100 in der Ausgestaltung der Sensoreinrichtung 220 und des Gehäuses 210 unterscheidet.
In der Vorrichtung 200 weist die Sensoreinrichtung 220 statt einem ersten Außenkonus 126 eine in Richtung der zweiten Mündung 115 gerichtete Dichtkante 226 als erste Dichtungsstruktur auf, welche rotationssymmetrisch um die Rotationssymmetrieachse A ausgebildet ist. Die Sachlockbohrung 257 der Vorrichtung 200 weist keinen ersten Innenkonus 114 um die Mündung 13 auf, sondern ist mit einer flachen Bodenfläche 251 ausgebildet, sodass die Dichtkante 226 zusammen mit der flachen Bodenfläche 251 der Sacklochbohrung 257 des Gehäuses 210 aufgrund der Anpresskraft, welche die Dichtungseinrichtung 150 auf die Sensoreinrichtung 220 ausübt, eine druckdichte Verbindung herstellt.
4 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Vorrichtung 300 zum Bestimmen eines Drucks gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 300 ist eine Variante der Vorrichtung 200 gemäß 3, welche sich von der Vorrichtung 200 in der Ausgestaltung des Gehäuses 310 unterscheidet.
Bei der Vorrichtung 300 ist in der Sacklochbohrung 357 eine weitere, zu der Rotationssymmetrieachse A rotationssymmetrische, zweite Sacklochbohrung 347 ausgebildet, in welche ein Dichtring 348 eingesetzt ist. Die Dichtkante 226 der Sensoreinrichtung 220 tritt aufgrund der Vorspannung, das heißt aufgrund der durch die Dichtungseinrichtung 150 auf die Sensoreinrichtung 220 ausgeübten Anpresskraft, mit dem Dichtring 348 druckdicht in Eingriff.
An dem Gehäuse 310 ist weiterhin eine weitere Dichtkante 316 ausgebildet, welche mit dem Dichtring 348 druckdicht in Eingriff steht. Die weitere Dichtkante 316 ist vorzugsweise auf einer der Sensoreinrichtung 220 zugewandten, die Mündung 13 umschließenden Bodenfläche der zweiten Sacklochbohrung 347 ausgebildet, auf welcher die Rotationssymmetrieachse A senkrecht steht. Der Dichtring 348 ist rotationssymmetrisch zu der Rotationssymmetrieachse A und vorzugsweise metallisch und durch die Dichtkanten 226, 316 verformbar. Durch die Aussparung im radialen Zentrum des Dichtrings 348 steht die Membran 122 weiterhin in Kontakt mit dem Hohlraum 12.
5 zeigt schematische Detailansichten der Sensoreinrichtung 120 der Vorrichtung 100 aus 2. Links zeigt 6 eine schematische Draufsicht in Richtung von der ersten Außenfläche 111 des Gehäuses 110 zu der zweiten Außenfläche 112 des Gehäuses, und rechts eine schematische Querschnittsansicht durch einen Teil der Sensoreinrichtung 120.
Auf einer von dem Gehäuse 110 abgewandten Außenseite 61 der Sensoreinrichtung 120 ist die Messeinheit 60 angeordnet, welche gemäß 5 als eine Dünnschicht-Struktur ausgebildet ist. Die Dünnschicht-Struktur weist eine Isolationsschicht 62, beispielsweise Siliziumoxid, und eine Funktionsschicht 64 auf oder besteht daraus. Als Funktionsschicht 64 können alle piezoresistiven Materialien, beispielsweise Nickel-Chrom-Legierungen, Platin, Poly-Silizium, Titanoxinitrid etc. verwendet werden.
In der Funktionsschicht 64 sind, etwa während des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens, mindestens vier Widerstände 610 strukturiert, beispielsweise durch Nassätzen, Trockenätzen, Laserabtragen etc. Die Widerstände 610 sind zu einer Wheatstone-Brücke verschaltet und weisen mäanderförmige Bereiche 612 auf, sodass sich durch Verformungen, insbesondere Dehnungen, der Membran 122 elektrische Widerstände der Widerstände 610 verändern. Elektrische Zuleitungen zu der Wheatstone-Brücke und Kontaktierflächen können in der Ebene der Funktionsschicht 64 oder in einer zusätzlichen Metallisierungsebene ausgeführt werden. Zusätzlich kann die Funktionsschicht durch eine Passivierschicht, z.B. Siliziumnitrid oder andere Maßnahmen, z.B. Vergelung, geschützt werden.
Die Leiterplatte 119 kann eine Auswerteschaltung aufweisen, mittels welcher eine Spannung an der Wheatstone-Brücke auswertbar und darauf basierend ein dem zu bestimmenden Druck proportionales Ausgangssignal in Form einer Spannung, z.B. von null bis fünf Volt, oder in Form eines Stroms, z.B. von vier bis zwanzig Milli-Ampere oder in digitaler Form bereitstellbar ist. Das Ausgangssignal kann an der Leiterplatte abgegriffen und etwa mittels eines geeigneten Steckers, welcher einen oberen Teil der Abdeckung 118 bildet, nach außen geführt werden.
6a) bis 6c) zeigen schematische Querschnittsansichten durch verschiedene mögliche Sensoreinrichtungen 120, 220, 420 der erfindungsgemäßen Vorrichtung. 6a) zeigt den Grundkörper 123 der Sensoreinrichtung 122 aus 2. 6b) zeigt den Grundkörper 223 der Sensoreinrichtung 220 aus den 3 und 4. 6c) zeigt eine weitere mögliche Form eines Grundkörpers 423 einer Sensorvorrichtung 420, welcher als zweite Dichtungsstruktur einen Absatz 424 aufweist, gegen welche eine mit einer entsprechenden Aussparung ausgebildete Dichtungseinrichtung pressbar ist.
7 zeigt ein schematisches Flussdiagramm zum Erläutern eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Vorrichtung zum Bestimmen eines Drucks. Das Herstellungsverfahren ist insbesondere zur Herstellung einer der Vorrichtungen 1; 100; 200; 300 geeignet und wurde zum Teil bereits detailliert in Bezug auf die 1 bis 6c) erläutert. Insbesondere ist das Herstellungsverfahren gemäß allen in Bezug auf die erfindungsgemäße Vorrichtung beschriebenen Varianten und Weiterbildungen anpassbar.
In einem Schritt S01 wird ein Gehäuse 10; 110; 210; 310 mit einem Hohlraum 12 ausgebildet. In einem Schritt S02 wird eine Sensoreinrichtung 20; 120; 220; 420 mit einer ersten Dichtungsstruktur 26; 126; 226 ausgebildet. In einem Schritt S03 wird die Sensoreinrichtung 20; 120; 220; 420 derart an das Gehäuse 10; 110; 210; 310 angelegt, dass die erste Dichtungsstruktur 26; 126; 226 derart mittelbar oder unmittelbar mit dem Gehäuse 10; 110; 210; 310 in Eingriff bringbar ist, dass eine Mündung 13 des Hohlraums 12 mittels der Sensoreinrichtung 20; 120; 220; 420 verschließbar ist.
In einem Schritt S04 wird eine Dichtungseinrichtung 50; 150 zumindest teilweise zwischen dem Gehäuse 10; 110; 210; 310 und der Sensoreinrichtung 20; 120; 220; 240 derart angeordnet, dass die Dichtungseinrichtung 50; 150 durch Ausüben einer Anpresskraft auf die Sensoreinrichtung 20; 120; 220; 420 die erste Dichtungsstruktur 26; 126; 226 mittelbar oder unmittelbar an das Gehäuse 10; 110; 210; 310 anpresst.
Vorzugsweise wird die Dichtungseinrichtung 150 in dem Schritt S04 derart in eine Sackbohrung 157; 257; 357 in dem Gehäuse 110; 210; 310 eingepresst, dass zumindest zwischen der Dichtungseinrichtung 50; 150 und der Sensoreinrichtung 20; 120; 220 eine Vorspannung besteht. Die Dichtungseinrichtung 150 kann bevorzugt mittels einer Schweißnaht 156 an dem Gehäuse 110; 210; 310 fixiert werden, insbesondere mit einer Schweißnaht 156 innerhalb der Sacklochbohrung 157.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009025486 A1 [0004]

Claims

Vorrichtung (1; 100; 200; 300) zum Bestimmen eines Drucks mit: einem Gehäuse (10; 110; 210; 310) mit einem Hohlraum (12); einer Sensoreinrichtung (20; 120; 220; 420) mit einer ersten Dichtungsstruktur (26; 126; 226), welche sich mit dem Gehäuse (10; 110; 210; 310) mittelbar oder unmittelbar derart in Eingriff befindet, dass mittels der Sensoreinrichtung (20; 120; 220; 420) eine Mündung (13) des Hohlraums (12) verschließbar ist; wobei die Sensoreinrichtung (20; 120; 220; 420) dazu ausgebildet ist, einen zu bestimmenden Druck, mit welchem der Hohlraum (12) beaufschlagt ist, zu bestimmen; und einer Dichtungseinrichtung (50; 150), welche zumindest teilweise zwischen dem Gehäuse (10; 110; 210; 310) und der Sensoreinrichtung (20; 120; 220; 420) angeordnet ist und welche dazu ausgebildet ist, durch Ausüben einer Anpresskraft auf die Sensoreinrichtung (20; 120; 220; 420) die erste Dichtungsstruktur (26; 126; 226) mittelbar oder unmittelbar an das Gehäuse (10; 110; 210; 310) anzupressen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Sensoreinrichtung (120; 220; 420) aufweist: eine Membran (122), welche mit dem Hohlraum (12) in Verbindung steht und eine Messeinheit (60), welche dazu ausgebildet ist, den zu bestimmenden Druck, mit welchem der Hohlraum (12) beaufschlagt ist, basierend auf einem Verformen der Membran (122) zu bestimmen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Dichtungseinrichtung (150) unter einer Vorspannung derart an dem Gehäuse (110; 210; 310) angebracht ist, dass die Dichtungseinrichtung (150) aufgrund der Vorspannung derart gegen die Sensoreinrichtung (20; 120; 220; 420) gepresst wird, dass die erste Dichtungsstruktur (26; 126; 226) der Sensoreinrichtung (20; 120; 220; 420) mittelbar oder unmittelbar an das Gehäuse (110; 210; 310) angepresst wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die erste Dichtungsstruktur der Sensoreinrichtung (120) einen ersten Außenkonus (126) aufweist und wobei das Gehäuse (110) einen ersten Innenkonus (114) aufweist, wobei der erste Außenkonus (126) formschlüssig an den ersten Innenkonus (114) anpressbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die erste Dichtungsstruktur der Sensoreinrichtung (220) eine Dichtkante (226) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Sensoreinrichtung (120; 220; 420) eine zweite Dichtungsstruktur (124; 424) aufweist, welche zum dichtenden Zusammenwirken mit einer dritten Dichtungsstruktur (154) der Dichtungseinrichtung (150) ausgebildet ist, wobei die zweite Dichtungsstruktur der Sensoreinrichtung (120) einen zweiten Innenkonus (126) aufweist und wobei die dritte Dichtungsstruktur der Dichtungseinrichtung (150) einen zweiten Außenkonus (154) aufweist, mit welchem der zweite Innenkonus (126) in Eingriff bringbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Dichtungseinrichtung (150) zumindest teilweise in einer Sackbohrung (157; 257; 357) in dem Gehäuse (110; 210; 310) angeordnet ist.
Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung zum Bestimmen eines Drucks mit den Schritten: Ausbilden (S01) eines Gehäuses (10; 110; 210; 310) mit einem Hohlraum (12); Ausbilden (S02) einer Sensoreinrichtung (20; 120; 220; 420) mit einer ersten Dichtungsstruktur (26; 126; 226); Anlegen (S03) der Sensoreinrichtung (20; 120; 220; 420) an das Gehäuse (10; 110; 210; 310) derart, dass die erste Dichtungsstruktur (26; 126; 226) derart mittelbar oder unmittelbar mit dem Gehäuse (10; 110; 210; 310) in Eingriff bringbar ist, dass eine Mündung (13) des Hohlraums (12) mittels der Sensoreinrichtung (20; 120; 220; 420) verschließbar ist; und Anordnen (S04) einer Dichtungseinrichtung (50; 150) zumindest teilweise zwischen dem Gehäuse (10; 110; 210; 310) und der Sensoreinrichtung (20; 120; 220; 420) derart, dass die Dichtungseinrichtung (50; 150) durch Ausüben einer Anpresskraft auf die Sensoreinrichtung (20; 120; 220; 420) die erste Dichtungsstruktur (26; 126; 226) mittelbar oder unmittelbar an das Gehäuse (10; 110; 210; 310) anpresst.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Dichtungseinrichtung (150) bei dem Anordnen (S04) der Dichtungseinrichtung (50; 150) zum Ausüben der Anpresskraft auf die Sensoreinrichtung (20; 120; 220) derart in eine Sackbohrung (157; 257; 357) in dem Gehäuse (110; 210; 310) eingepresst wird, dass zumindest zwischen der Dichtungseinrichtung (50; 150) und der Sensoreinrichtung (20; 120; 220) eine Vorspannung besteht.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Dichtungseinrichtung (150) bei dem Anordnen (S04) der Dichtungseinrichtung (150) zum Ausüben der Anpresskraft auf die Sensoreinrichtung (20; 120; 220) in eine Sackbohrung (157; 257, 357) in dem Gehäuse (10; 110; 210; 310) gefügt und mittels einer Schweißnaht (156) an dem Gehäuse (10) fixiert wird.