DE102015221458B3

DE102015221458B3 - Verfahren zur Herstellung eines Messgeräts mit einer Sensorspitze

Info

Publication number: DE102015221458B3
Application number: DE102015221458.3A
Authority: DE
Inventors: Walter Reichart; Sebastian Liehr; Ralf Kriesen
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2015-11-03
Filing date: 2015-11-03
Publication date: 2016-10-20
Anticipated expiration: 2035-11-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Messgeräts für die Prozessmesstechnik, mit einer Sensorspitze (10), die ein rohrförmiges, endseitig geschlossenes Gehäuse (11) aus einem metallischen Material, wenigstens ein sich innerhalb des Gehäuses (11) befindliches Sensorelement (3, 4) in Form eines temperaturabhängigen Widerstands und zur Generierung eines Sensorsignals elektronische Bauelemente umfasst, die über elektrische Anschlussleitungen (6) und/oder einen Leiterfilm mit dem Sensorelement (3, 4) verbundenen sind, wobei das Sensorelement (3, 4) mittels eines Lots (21) thermisch mit dem Gehäuse (11) verbunden ist und zwischen dem Sensorelement (3, 4) und dem Lot (21) eine wärmeleitende, elektrisch isolierende Schicht (2) angeordnet ist. Damit ein temperaturempfindliches elektronisches Bauteil auf der Innenseite einer Sensorspitze mit einer gleichbleibenden Lotverteilung und einer gleichmäßig dicken Lotschicht reproduzierbar aufgelötet werden kann und dabei der fertigungstechnische Aufwand weiter verringert sowie der Wärmeübergang verbessert werden kann, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Gehäuse (11) als ein innenseitig mit einer lötfähigen Beschichtung versehenes Edelstahlgehäuse ausgeführt ist und diese lötfähige Beschichtung (12) wenigstens ein durch eine ringförmige Unterbrechung (12a) abgetrennter Kontaktierungsbereich (20) in Form eines Lötpads aufweist, wobei das Lötpad für die Aufnahme des Lots (21) vorgesehen ist und die Ausbreitung des Lots (21) durch die ringförmige Unterbrechung (12a) der Beschichtung (12) exakt definiert ist, so dass sich eine vorgegebene Menge Lot (21) gleichmäßig, d.h. mit gleicher Dicke, in dem Kontaktierungsbereich (20) verteilt und sich damit im Kontaktierungsbereich (20) zwischen der Gehäusewand (11a) und der wärmeleitenden, elektrisch isolierenden Schicht (2) und folglich auch zwischen der Gehäusewand (11a) und dem Sensorelement (3) ein definierter Abstand einstellt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Messgeräts für die Prozessmesstechnik mit einer Sensorspitze.
Messgeräte der vorgenannten Art werden in der Automatisierungstechnik dazu eingesetzt, die Eigenschaften eines Fluids, bspw. hinsichtlich Druck, Temperatur, Durchfluss, Füllstand, zu überwachen, wobei eine zylinderförmige Sensorspitze zumeist bei Temperaturmessgeräten und thermischen Durchflussmessgeräten vorhanden ist. Bei derartigen Messgeräten befindet sich in der Sensorspitze ein temperaturempfindliches elektronisches Bauteil, das die Temperatur des die Sensorspitze umgebenden Mediums erfasst. Als Beispiel sei hier ein Pt100-Element genannt. Damit die Temperatur nahezu verlustfrei zu dem temperaturempfindlichen Bauteil übertragen werden kann, wird es auf der Innenseite der Sensorspitze angelötet. Eine wärmeleitende, aber elektrisch isolierenden Schicht, die zwischen dem temperaturempfindlichen Bauteil und der Lötung angeordnet ist, stellt die nahezu verlustfreie Übertragung der Temperatur zu diesem Bauteil sicher, isoliert jedoch das Bauteil von dem Sensorspitzengehäuse. Einen derartigen Aufbau zeigt beispielsweise die EP 0 590 449 A2 .
Entscheidend für die thermischen und damit messtechnischen Eigenschaften derartiger Messgeräte mit in der Sensorspitze aufgelöteten Bauteilen ist der Lötprozess, bei dem das betreffende Bauteil mit dem Innenboden eines z. B. aus Edelstahl bestehenden Gehäuses verbunden wird. Nichtbeherrschbare Schwankungen beim Lötprozess können zu erheblichen Variationen der Sensoreigenschaften einer Sensorserie führen. Insbesondere bei Durchflussmessgeräten ist neben der Menge auch die Homogenität und geometrische Verteilung des Lotes entscheidend für die qualitativ konstante Produktion der Sensorspitzen und deren messtechnischen Eigenschaften.
Problematisch ist also zum einen das Löten selbst, da der Durchmesser der Sensorspitze zumeist in der Größenordnung 5–10 mm liegt und somit ein Löten auf konventionelle Art nicht möglich ist. Zum anderen muss eine gleichbleibende Lotverteilung und eine gleichmäßig dicke Lotschicht sichergestellt werden, um die Streuung der Eigenschaften des Messgeräts möglichst klein zu halten und den Kalibrieraufwand der gefertigten Messgeräte zu verringern.
Hierzu macht die DE 10 2006 048 448 A1 den Vorschlag, auf das Bauelement eine vorgebbare Menge Lot aufzubringen und das Bauelement an die Innenseite der Sensorspitze derartig anzunähern, dass sich das Lot zwischen dem Bauelement und der Innenseite der Sensorspitze befindet, und das Lot anschließend aufzuschmelzen. Nachteilig hierbei ist jedoch der vergleichsweise hohe Aufwand, insbesondere hinsichtlich der vorgegebenen Überkopflötung und dass ein Verschiebemechanismus vorhanden sein muss, um die definierte Annäherung des Bauelements zu realisieren.
Eine Lösung hierzu offenbaren die Offenlegungsschriften DE 10 2012 206 647 A1 und DE 10 2013 208 785 A1 der Anmelderin. Durch eine stufenartige Vertiefung an der Innenseite der Stirnseite der Sensorspitze wird erreicht, dass sich das Lot gleichmäßig, d.h. mit gleicher Dicke, verteilen kann und damit ein reproduzierbarer Lötprozess möglich ist.
Aus der EP 1 351 039 A1 ist bekannt, die Außenseite eines Rohres mit einer Struktur zu versehen, die lötfähige und nicht-lötfähige Bereiche aufweist.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lösung vorzuschlagen, wie ein temperaturempfindliches elektronisches Bauteil auf der Innenseite einer Sensorspitze mit einer gleichbleibenden Lotverteilung und einer gleichmäßig dicken Lotschicht reproduzierbar aufgelötet werden kann und dabei der fertigungstechnische Aufwand weiter verringert sowie der Wärmeübergang verbessert werden kann.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den rückbezogenen Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß ist das Gehäuse des Messgeräts als Edelstahlgehäuse ausgeführt, das innenseitig mit einem lötfähigen Material, vorzugsweise Kupfer, beschichtetes ist. Dabei weist diese lötfähige Beschichtung wenigstens einen Kontaktierungsbereich in Form eines Lötpads auf, der durch eine ringförmige Unterbrechung definiert ist. Das Lötpad ist hierbei für die Aufnahme des Lots vorgesehen, über das das Sensorelement thermisch mit dem Gehäuse verbunden ist. Durch die ringförmige Unterbrechung der lötfähigen Beschichtung ist nun die Ausbreitung des Lots exakt definiert, so dass sich eine vorgegebene Menge Lot gleichmäßig, d.h. mit gleicher Dicke, in dem Kontaktierungsbereich verteilt und sich damit im Kontaktierungsbereich zwischen der Gehäusewand und dem Sensorelement ein definierter Abstand einstellt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung dieses Messgeräts sieht nun vor, dass zunächst ein mit einem lötfähigen Material, insbesondere Kupfer, beschichtetes Edelstahlblech tiefgezogen wird, so dass sich ein rohrförmiges, endseitig geschlossenes Gehäuse ausbildet. Die lötfähige Beschichtung befindet sich dabei an der Innenwandung des Gehäuses. Nun wird mittels Lasern in die Beschichtung an der Innenwandung des Gehäuses eine ringförmige Unterbrechung eingebracht, so dass ein Lötpad entsteht. Neben Lasern sind auch andere Möglichkeiten denkbar, die Unterbrechung in die Beschichtung einzubringen, beispielsweise durch Ätzen. Lasern ist hierbei jedoch besonders vorteilhaft.
Anschließend erwärmt man das Gehäuse auf eine Temperatur > 200 °C, bspw. in einem Löttiegel. Der Verbund aus Sensorelement – ein temperaturabhängiger Widerstand, typischerweise ein Pt100-Element – und einer wärmeleitenden, elektrisch isolierenden Schicht – vorzugsweise ein Keramiksubstrat – wird nun auf das Lötpad aufgelötet. Nach dem Erstarren des Lots wird das Sensorelement über elektrische Anschlussleitungen und/oder einen Leiterfilm mit elektronischen Bauelementen, die innerhalb des Messgeräts zur Generierung eines Sensorsignals vorgesehen sind, verbunden und anschließend wird das Gehäuse als Sensorspitze form- oder stoffschlüssig, d.h. typischerweise mittels Presspassung oder bevorzugt verschweißt, mit dem Messgerät verbunden.
Bei dem Auflötvorgang kann entweder eine definierte Menge Lot auf das Lötpad aufgebracht und anschließend der Verbund aus Sensorelement und isolierender Schicht auf das aufgrund der Erwärmung des Gehäuses noch flüssige Lot aufgesetzt werden. Oder alternativ dazu kann der Verbund an der vom Sensorelement abgewandten Seite der isolierenden Schicht mit einem Lotformteil verbunden werden und das Auflöten des Verbunds erfolgt durch Aufsetzen des Lotformteils auf das Lötpad. Das hätte den Vorteil, dass das Lötformteil als Abstandshalter fungiert und damit der Aufwand, den Verbund mit definiertem Abstand auf das Lötpad aufzusetzen, weiter verringert werden kann.
Kern der Erfindung ist es also, eine räumlich definierte Fläche vorzusehen, in der sich das Lot ausbreiten kann und deren Grenze es nicht überschreiten kann. Um kein zusätzliches Bauteil in Form eines separaten Lötpads vorzusehen, das einerseits höhere Kosten verursachen würde und darüber hinaus den Fertigungsaufwand beim Einbringen in die typischerweise nur 10 mm Durchmesser aufweisende Sensorspitze erheblich erhöhen würde, wird das Lötpad durch die bereits vorhandene Beschichtung der Gehäuseinnenwandung gebildet. Hierzu wird der entsprechende Bereich der Beschichtung mittels Lasern von dem restlichen Beschichtungsbereich getrennt, so dass sich das aufgebrachte Lot nicht über diese Unterbrechung hinweg ausbreiten kann und damit ausschließlich in dem definierten Bereich verbleibt. Bei einer horizontalen Ausrichtung des Kontaktierungsbereichs wird sich eine vorgegebene Menge Lot gleichmäßig auf diesem Lötpad ausbreiten, so dass eine gleichmäßig dicke Lotschicht sichergestellt und die Streuung der Eigenschaften des Messgeräts klein gehalten werden kann.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen schematisch:
1 ein Messgerät der Prozessmesstechnik in Seitenansicht,
2 eine vergrößerte Darstellung der Sensorspitze des Messgeräts aus 1 als Schnittbild und
3 eine nochmals vergrößerte Darstellung des unteren Teil der Sensorspitze aus 2 als Schnittbild.
Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
In 1 ist ein Messgerät 1 der Prozessmesstechnik dargestellt, das im vorliegenden Fall ein thermisches Durchflussmessgerät ist. Denkbar und von der Erfindung mit umfasst ist auch ein Temperaturmessgerät. Das Messgerät 1 weist u.a. eine zylindrische Sensorspitze 10 auf, die mit dem zu messenden Medium in Berührung kommt und die für die eigentliche Messung notwendigen elektronischen Bauteile beinhaltet. Der kreisförmig umrandete Bereich der Sensorspitze 10 ist als Schnittbild in der 2 vergrößert dargestellt.
2 zeigt die Sensorspitze 10, die im Wesentlichen aus einem Gehäuse 11 und den darin befindlichen Sensorelementen 3, 4 sowie einem Heizelement 5 besteht. Die Sensorelemente 3, 4 sind als Thermistor-Bauelemente, bspw. als Pt100-Bauelement, und das Heizelement 5 als Widerstands-Bauelement ausgeführt. Über das erste Thermistor-Bauelement 3 wird eine erste Temperatur gemessen, die unmittelbar durch das Heizelement 5 beeinflusst wird. Das zweite Thermistor-Bauelement 4 fungiert als Referenz und misst eine zweite Temperatur, die zwar auch durch das Heizelement 5 beeinflusst wird, wobei allerdings eine Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit des die Sensorspitze umgebenden und die Temperatur übertragenden Mediums vorhanden ist. Der Unterschied zwischen den gemessenen Temperaturwerten des ersten und des zweiten Thermistor-Bauelement 3, 4 ist dann ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit. Die Funktionsweise eines thermischen Durchflussmessgeräts ist hinlänglich bekannt, so dass an dieser Stelle nur eine grobe Darstellung erfolgt. Denkbar und von der Erfindung mit umfasst ist auch ein Temperaturmessgerät, das dann nur ein Thermistor-Bauelement 3 aufweist.
Die elektrische Kontaktierung der Sensorelemente 3, 4 sowie des Heizelements 5 erfolgt durch eine Verdrahtung 6 oder alternativ durch einen Leiterfilm. Über diese Kontaktierung werden die gemessenen Werte an eine nicht näher gezeigt Auswerteeinheit innerhalb des Messgeräts 1 übertragen, die zunächst die Aufbereitung der Messwerte in auswertbare Sensorsignale vornimmt. Gegebenenfalls erfolgt auch gleich eine Auswertung der Sensorsignale, bspw. indem die gemessenen Werte auf einem Display am Messgerät 1 angezeigt wird oder abhängig von zuvor eingestellten Schwellwerten entsprechende Schaltsignale erzeugt werden. Bei dem in 1 dargestellten Messgerät 1 handelt es sich um ein Kompaktgerät, bei dem die Sensorsignale als Analogsignal zur Verfügung gestellt werden und die eigentliche Auswertung dieser Signale dann in einer übergeordneten Steuereinheit, bspw. einer SPS, erfolgt.
An der Innenwandung 11a des Gehäuses 11 sind an zwei Kontaktierungsbereichen 20 ein erster Verbund aus Sensorelement 3, Heizelement 5 und einem Keramikblättchen 2 bzw. ein zweiter Verbund aus Sensorelement 4 und einem Keramikblättchen 2 aufgebracht. Das Keramikblättchen 2 dient hierbei jeweils als wärmeleitende, elektrisch isolierende Schicht. Jeder Verbund ist über eine Lotschicht 21 mit der Gehäuseinnenwandung 11a galvanisch verbunden.
Das Besondere an der Gehäuseinnenwandung 11a ist die Beschichtung 12 mit einem lötfähigen Material, vorzugsweise mit Kupfer, die in 3 näher gezeigt ist.
3 zeigt das untere Ende des Sensorspitzengehäuses 11 in vergrößerter Darstellung. Angedeutet ist hier die Beschichtung 12 an der Innenseite der Gehäusewandung 11. Deutlich wird hier auch die Unterbrechung 12a der Beschichtung 12. Diese wurde erfindungsgemäß durch Lasern in die Beschichtung 12 eingebracht, nachdem das Gehäuse 11 durch einen Tiefziehprozess aus einem Edelstahlblech hergestellt wurde. Zu erkennen ist, dass sich das Lot 21 nur bis zur Unterbrechung 12a der Beschichtung 12 ausgebreitet hat. Der Verbund aus Sensor- und Heizelement 3, 5 sowie dem Keramikplättchen 2 sitzt somit auf einer gleichmäßigen Lotschicht 21 auf.
Besonders vorteilhaft ist es, während der Montage des Verbundes in dem Gehäuse an der Unterseite des Keramikplättchens 2 ein Lotformteil vorzusehen, das dann einerseits die notwendige Menge Lot 21 umfasst und dabei gleichzeitig als den richtigen Abstand zur Gehäuseinnenwandung 11a definiert. Ein exakter Abstand während der Montage ist erforderlich, um den Verbund gleichmäßig verlöten zu können und das Lot 21 nicht zu verdrängen.
Bezugszeichenliste

1: Messgerät
2: Keramikplättchen
3: erstes Sensorelement
4: zweites Sensorelement
5: Heizelement
6: elektrische Kontaktierung
10: Sensorspitze
11: Gehäuse
11a: Innenwand des Gehäuses
12: Beschichtung
12a: Unterbrechung der Beschichtung
20: Kontaktierungsbereich
21: Lot

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Messgeräts für die Prozessmesstechnik, mit einer Sensorspitze (10), die ein rohrförmiges, endseitig geschlossenes Gehäuse (11) aus einem metallischen Material, wenigstens ein sich innerhalb des Gehäuses (11) befindliches Sensorelement (3, 4) in Form eines temperaturabhängigen Widerstands und zur Generierung eines Sensorsignals elektronische Bauelemente umfasst, die über elektrische Anschlussleitungen (6) und/oder einen Leiterfilm mit dem Sensorelement (3, 4) verbundenen sind, wobei das Sensorelement (3, 4) mittels eines Lots (21) thermisch mit dem Gehäuse (11) verbunden ist und zwischen dem Sensorelement (3, 4) und dem Lot (21) eine wärmeleitende, elektrisch isolierende Schicht (2) angeordnet ist, wobei das Gehäuse (11) als ein innenseitig mit einer lötfähigen Beschichtung versehenes Edelstahlgehäuse ausgeführt ist und diese lötfähige Beschichtung (12) wenigstens einen durch eine ringförmige Unterbrechung (12a) abgetrennten Kontaktierungsbereich (20) in Form eines Lötpads aufweist, wobei das Lötpad für die Aufnahme des Lots (21) vorgesehen ist und die Ausbreitung des Lots (21) durch die ringförmige Unterbrechung (12a) der Beschichtung (12) exakt definiert ist, so dass sich eine vorgegebene Menge Lot (21) gleichmäßig, d.h. mit gleicher Dicke, in dem Kontaktierungsbereich (20) verteilt und sich damit im Kontaktierungsbereich (20) zwischen der Gehäusewand (11a) und der wärmeleitenden, elektrisch isolierenden Schicht (2) und folglich auch zwischen der Gehäusewand (11a) und dem Sensorelement (3) ein definierter Abstand einstellt, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: – ein mit einer lötfähigen Beschichtung (12) versehenes Edelstahlblech wird tiefgezogen, so dass sich ein rohrförmiges, endseitig geschlossenes Gehäuse (11) ausbildet und sich die lötfähige Beschichtung (12) an der Innenwandung (11a) des Gehäuses (11) befindet, – mittels Lasern wird in die Beschichtung (12) an der Innenwandung (11a) des Gehäuses (11) eine ringförmige Unterbrechung (12a) eingebracht, so dass ein Lötpad entsteht, – das Gehäuse (11) wird auf eine Temperatur > 200 °C erwärmt, – ein Verbund aus einem Sensorelement (3, 4) in Form eines temperaturabhängigen Widerstands und einer wärmeleitenden, elektrisch isolierenden Schicht (2) wird auf das Lötpad aufgelötet, – nach dem Erstarren des Lots (21) wird das Sensorelement (3) über elektrische Anschlussleitungen und/oder einen Leiterfilm (6) mit elektronischen Bauelementen verbunden, die innerhalb des Messgeräts (1) zur Generierung eines Sensorsignals vorgesehen sind, – das Gehäuse (11) wird als Sensorspitze (10) form- oder stoffschlüssig mit dem Messgerät (1) verbunden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Auflöten des Verbunds in der Form erfolgt, dass zuvor auf das Lötpad eine definierte Menge Lot (21) aufgebracht und anschließend der Verbund auf das aufgrund der Erwärmung des Gehäuses (11) noch flüssige Lot (21) aufgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbund an der vom Sensorelement (3) abgewandten Seite der isolierenden Schicht (2) mit einem Lotformteil verbunden ist und das Auflöten des Verbunds durch Aufsetzen des Lotformteils auf das Lötpad erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die lötfähige Beschichtung (12) eine Kupferbeschichtung ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die wärmeleitende, elektrisch isolierende Schicht (2) als Keramiksubstrat ausgeführt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrdurchmesser des Sensorspitzengehäuses (11) 10 mm oder kleiner ist.