DE102016214940A1

DE102016214940A1 - Druckmesszelle und Verfahren zum Aufbringen einer Messstruktur

Info

Publication number: DE102016214940A1
Application number: DE102016214940.7A
Authority: DE
Inventors: Michael Schlitzkus; Stefan Lehenberger; Ruben Wahl; Helmut Seiband; Valentin Notemann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-08-11
Filing date: 2016-08-11
Publication date: 2018-02-15
Also published as: CN107727301A; KR20180018414A; KR102438287B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Druckmesszelle (50) mit einem Träger (52), welcher eine Messmembran (52.1) ausbildet, welche sich unter Einwirkung eines zu erfassenden Drucks (P) verformt, wobei auf dem Träger (52) eine Messstruktur (55) aufgebracht ist, welche die Verformung der Messmembran (52.1) erfasst und mindestens ein den erfassten Druck (P) repräsentierendes elektrisches Ausgangssignal erzeugt, sowie ein Verfahren zum Aufbringen einer Messstruktur (55) und eine Messeinheit und eine Drucksensoreinheit mit einer solchen Druckmesszelle (50). Hierbei ist die Messstruktur (55) auf den Träger (52) aufgedruckt.

Description

Die Erfindung geht aus von einer Druckmesszelle oder einem Verfahren zum Aufbringen einer Messstruktur nach Gattung der unabhängigen Ansprüche. Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind auch eine Messeinheit und eine Drucksensoreinheit mit einer solchen Druckmesszelle.
Aus dem Stand der Technik sind zur Druckmessung aus mehreren Komponenten hergestellte Drucksensoreinheiten bekannt. Die Umwandlung des Drucks in ein elektrisches Signal wird durch eine sogenannte Druckmesszelle umgesetzt. Auf diese Druckmesszelle wird mit Hilfe von verschiedenen Dünnschichtverfahren eine Messbrücke, vorzugsweise eine Wheatstone-Brücke aufgebracht. Diese Dünnschichtverfahren sind sehr aufwendig und teuer und müssen in einem Reinraum durchgeführt werden, damit die dünnen Schichten ohne Einschlüsse, Verschmutzungen oder Fehlstellen hergestellt werden können. Für die Dünnschichtverfahren müssen die Oberflächen der Druckmesszellen zumindest geschliffen sein.
Aus der DE 10 2014 221 365 A1 ist eine Vormontagebaugruppe für eine Sensoreinheit und eine korrespondierende Sensoreinheit mit einem als Druckmesszelle ausgeführten Messelement, einem rotationssymmetrischen Sensorträger und einem Schaltungsträger bekannt. Das Messelement ist mit dem Sensorträger verbunden und der Schaltungsträger weist eine interne Schnittstelle auf, welche mindestens ein elektrische Ausgangssignals des Messelements abgreift. Ein Grundkörper des Schaltungsträgers ist als Hohlzylinder mit einer inneren Fügegeometrie ausgeführt, welche an eine Außenkontur des Messelements angepasst ist und das Messelement umschließt. Zudem ist der Grundkörper des Schaltungsträgers ist über eine Clipsverbindung mit dem Sensorträger mechanisch verbunden.
Offenbarung der Erfindung
Die Druckmesszelle Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 und das Verfahren zum Aufbringen einer Messstruktur mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 haben den Vorteil, dass ein einfacher und kostengünstiger Drucksensor hergestellt werden kann, welcher anstatt einer aufwendig präparierten Druckmesszelle einfacher und kostengünstiger hergestellte Druckmesszellen verwendet. Durch den Ersatz des teuren und aufwendigen Dünnschichtverfahrens durch ein einfaches Drucken von Widerstandsbahnen auf nahezu jede Oberfläche ist eine große Varianz bei den zu beschichtenden Geometrien der Druckmesszellen möglich. Zudem kann die Messstruktur in vorteilhafter Weise auch auf unebene Oberflächenbereiche des Trägers gedruckt werden. Dadurch können beispielsweise hydraulische und/oder elektrische Anschlussgeometrien in die Geometrie der Druckmesszelle integriert werden, so dass auf eine Trennung von Druckmesszelle und Schaltungsträger verzichtet werden kann. Des Weiteren können mehrere Komponenten zu einem Bauteil bzw. einer Vormontagebaugruppe zusammengefasst werden. Es ist in vorteilhafter Weise auch möglich die Messstruktur direkt auf einen Fluidblock aufzubringen, in welchem der Druck gemessen werden soll. Da für das Druckverfahren keine Reinraumbedingungen erforderlich sind, können die Herstellungskosten für die Druckmesszelle und korrespondierende Messeinheiten bzw. Drucksensoreinheiten mit einer solchen Druckmesszelle weiter reduziert werden.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine Druckmesszelle mit einem Träger zur Verfügung, welcher eine Messmembran ausbildet. Die Messmembran verformt sich unter Einwirkung eines zu erfassenden Drucks. Zudem ist auf dem Träger eine Messstruktur aufgebracht, welche die Verformung der Messmembran erfasst und mindestens ein den erfassten Druck repräsentierendes elektrisches Ausgangssignal erzeugt. Hierbei ist die Messstruktur auf den Träger aufgedruckt.
Zudem wird ein Verfahren zum Aufbringen einer Messstruktur auf einen Träger einer Druckmesszelle vorgeschlagen. Hierbei wird eine Oberfläche des Trägers gereinigt und die Messstruktur auf die Oberfläche des Trägers aufgedruckt.
Vorzugsweise werden berührungslose Drucksysteme bzw. Druckverfahren, wie beispielsweise Inkjet-Systeme bzw. Inkjet-Verfahren eingesetzt, welche Tintentropfen auf die Trägeroberfläche schießen, um die Messstruktur auf den Träger zu drucken. Anstelle der normalen Drucktinte werden Tinten (Aceton/Ethanol) verwendet, welche elektrisch leitfähige Stoffe, wie Metallpartikel und/oder Kohlenstoffpartikel, mit einem vorgegebenen spezifischen ohmschen Widerstand oder Leitwert enthalten. Durch diese Druckverfahren können die Messstrukturen mit einer entsprechenden Geometrie gedruckt werden, welche durch die enthaltenen elektrisch leitfähigen Stoffe einen gewünschten ohmschen Flächenwiderstand aufweisen.
So können beispielsweise kontinuierliche Inkjet-Verfahren eingesetzt werden, welche eine Düsenplatte mit mehreren Düsen verwenden und in hoher Frequenz kontinuierlich Tintentropfen in Richtung zu bedruckender Oberfläche spritzen. Die Tintentropfen werden beim Austritt aus der Düsenplatte elektrostatisch aufgeladen und durch das Anlegen unterschiedlicher Ströme abgelenkt. Durch diese Ablenkung entsteht auf der zu bedruckenden Oberfläche die gewünschte Messstruktur. Nicht verwendete bzw. abgelenkte Tropfen werden wieder aufgefangen und dem Tintenkreislauf rückgeführt. Zudem können kontinuierliche Aerosol-Jetverfahren eingesetzt werden, bei welchen Tintentropfen mit den leitfähigen Stoffen durch Ultraschall oder Luftverwirbelungen zerstäubt und gesprüht werden. Alternativ können Drop-on-Demand-Verfahren eingesetzt werden, welche die Tropfen mit einer vorgegebenen Größe erzeugen und einzeln in Richtung zu bedruckender Oberfläche spritzen. Bei den Drop-on-Demand-Verfahren befindet sich die Tinte mit den leitfähigen Stoffen in einem Tank im Druckkopf. Im Tank wird ein Unterdruck aufgebaut, damit die Tinte nicht von selbst aus den Düsen unterhalb des Kopfes austritt. Der Druck ist so eingestellt, dass sich immer ein Tropfen Tinte in der Düse befindet. Durch geeignete Mittel wird die Düsenkammer verkleinert und der Tropfen mit den leitfähigen Stoffen aus der Düse auf die zu bedruckende Oberfläche geschossen, so dass die gewünschte Messstruktur entsteht. Der Vorteil dieses Systems ist, dass die Tropfengröße gesteuert werden kann. Zudem können lösungsmittelbasierende Tinten mit einer höheren Viskosität als bei den kontinuierlichen Inkjet-Verfahren verwendet werden.
Des Weiteren werden eine Messeinheit mit einer solchen Druckmesszelle, einem Sensorträger und einem Schaltungsträger vorgeschlagen, welche als Vormontagebaugruppe für eine Drucksensoreinheit ausbildet sind. Die Druckmesszelle erzeugt mindestens ein den erfassten Druck repräsentierendes elektrisches Ausgangssignal und weist mindestens eine erste Kontaktstelle auf, über welche das mindestens eine elektrische Ausgangssignal abgreifbar ist. Die Druckmesszelle ist mit dem Sensorträger mechanisch verbunden, welcher eine Fluidverbindung zwischen dem zu messenden Medium und der Druckmesszelle herstellt. Der Schaltungsträger ist mit dem Sensorträger mechanisch verbunden und die mindestens eine erste Kontaktstelle der Druckmesszelle ist elektrisch mit mindestens einer zweiten Kontaktstelle des Schaltungsträgers elektrisch verbunden, welche mit einer dritten Kontaktstelle einer auf einer Leiterplatte angeordneten elektronischen Schaltung verbindbar ist.
Vorzugsweise kann die Druckmesszelle in einer Drucksensoreinheit mit einer Schutzhülse verwendet, in welcher die Druckmesszelle, der Schaltungsträger und eine Anschluss- und Schaltungsvorrichtung mit einer senkrecht zur Oberfläche des Schaltungsträgers angeordneten Leiterplatte, welche eine elektronische Schaltung mit mindestens einem elektronischen und/oder elektrischen Bauteil trägt, und einer Stützeinheit angeordnet sind, welche einen Grundkörper mit einer Außenkontur umfasst und die Schutzhülse verschließt. Die Druckmesszelle ist mit dem Sensorträger verbunden, welcher einen Befestigungsflansch mit einem Verbindungsbereich für die Schutzhülse aufweist. Ein Grundkörper des Schaltungsträgers ist mit dem Sensorträger mechanisch verbunden und weist eine interne Schnittstelle auf, welche mindestens ein elektrisches Ausgangssignal der Druckmesszelle abgreift und an die elektronische Schaltung anlegt. Der Grundkörper der Stützeinheit bildet eine externe Schnittstelle mit mindestens einer elektrischen Kontaktstelle aus, über welche mindestens ein Ausgangssignal der elektronischen Schaltung abgreifbar ist. Die mindestens eine Kontaktstelle ist über eine elektrische Verbindung mit einer korrespondierenden Kontaktstelle der Leiterplatte elektrisch verbunden.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen der im unabhängigen Patentanspruch 1 angegebenen Druckmesszelle, des im unabhängigen Patentanspruch 1 angegebenen Verfahrens zum Aufbringen einer Messstruktur, der im unabhängigen Patentanspruch 10 angegebenen Messeinheit und der im unabhängigen Patentanspruch 19 angegebenen Drucksensoreinheit möglich.
Besonders vorteilhaft ist, dass zwischen der Messstruktur und einer Oberfläche des Trägers eine Isolationsschicht aufgebracht werden kann. Durch die Isolationsschicht können in vorteilhafter Weise ungewollte Kurzschlüsse zwischen den Bauteilen der Messstruktur vermieden und das Aufdrucken der Messstruktur erleichtert werden. Zudem kann auf die Messstruktur eine Schutzschicht aufgebracht werden, welche die Bauteile der Messstruktur vor Verschmutzung und Feuchtigkeit schützen, so dass Kurzschlüsse und eine elektrochemische Korrosion in vorteilhafter Weise verhindert werden können.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Druckmesszelle kann die Messstruktur eine Messbrücke und mindestens eine erste Kontaktstelle aufweisen, über welche das mindestens eine elektrische Ausgangssignal abgegriffen werden kann. Die Messbrücke kann mehrere Widerstandsbahnen und Leitungsbahnen umfassen, welche die Widerstandsbahnen und/oder die mindestens einer erste Kontaktstelle schaltungsgemäß miteinander verbinden können. Die Messbrücke ist vorzugsweise als Wheatstone-Brücke ausgeführt, wobei die einzelnen Widerstände der Wheatstone-Brücke als Mäander ausgebildet werden können.
In vorteilhafter Ausgestaltung des Verfahrens zum Aufbringen einer Messstruktur können die Isolationsschicht und/oder die Schutzschicht mittels eines atmosphärischen Plasmaverfahrens aufgebracht werden. Ein solches Plasmaverfahren kann in vorteilhafter Weise in einen laufenden Montagprozess integriert werden, da keine besonderen Anforderungen an die Umgebungsbedingungen gestellt werden.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Messeinheit kann der Träger beispielsweise als Tiefziehhülse oder als Scheibe oder als Abschnitt eines Fluidblocks ausgeführt werden. Der Sensorträger kann beispielsweise als Drehteil mit einer axialen Innenbohrung und einem ringförmigen Befestigungsflansch und mindestens einem Verbindungsbereich ausgeführt werden, wobei an einem ersten Ende der Innenbohrung ein Messanschluss ausgebildet ist und ein zweites Ende der Innenbohrung durch die Messmembran der Druckmesszelle abgeschlossen ist. Zudem kann der als Tiefziehhülse und/oder Scheibe ausgeführte Träger fluiddicht mit dem Sensorträger verbunden werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Messeinheit kann der als Scheibe ausgeführte Träger an den Sensorträger angeformt werden und in einem Arbeitsgang mit dem Sensorträger gefertigt werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Messeinheit kann der Fluidblock den Sensorträger ausbilden und eine Bohrung aufweisen, welche fluiddicht von der Messmembran der Druckmesszelle abgeschlossen wird. Bei dieser Ausführungsform kann die Messstruktur direkt auf die Oberfläche des Fluidblocks aufgedruckt werden, in welchem der Druck gemessen werden soll.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Messeinheit können am Grundkörper des Schaltungsträgers als äußere Fügegeometrie zwei Aussparungen zur Aufnahme von korrespondierenden Führungsschenkeln einer Leiterplatte ausgebildet werden, wobei am Rand der Aussparungen jeweils zwei elektrisch leitende Bereiche angeordnet werden können, welche in die Aussparungen hineinreichen und jeweils eine zweite Kontaktstelle ausbilden können. Der Grundkörper des Schaltungsträgers kann beispielsweise als Hohlzylinder mit einer inneren Fügegeometrie ausgeführt werden, welche an eine Außenkontur der Druckmesszelle angepasst ist und die Druckmesszelle umschließt. Hierbei können die beiden elektrisch leitenden Bereiche der jeweiligen Aussparung zusätzlich jeweils eine Bondfläche ausbilden, welche jeweils über einen Bonddraht mit einer korrespondierenden ersten Kontaktstelle der Druckmesszelle elektrisch verbunden werden können. Alternativ kann der als Scheibe oder als Abschnitt des Fluidblocks ausgeführte Träger der Druckmesszelle den Grundkörper des Schaltungsträgers ausbilden. Hierbei können die ersten Kontaktstellen der Druckmesszelle einfach über Leitungsbahnen mit den korrespondierenden zweiten Kontaktstellen des Schaltungsträgers elektrisch verbunden werden. Dadurch können der Sensorträger, die Druckmesszelle und der Schaltungsträger als ein Bauteil ausgeführt werden.
In einem weiteren Aspekt kann vorgesehen sein, dass die Drucksensoreinheit eine solche Messeinheit aufweist, welche die Druckmesszelle, den Sensorträger und den Schaltungsträger umfasst. Dadurch kann ein Grundkörper der Leiterplatte über eine mechanische Fügegeometrie mit dem Schaltungsträger gekoppelt werden, wobei die Fügegeometrie am Grundkörper der Leiterplatte eine Aussparung ausbildet, welche an zwei gegenüberliegenden Seiten jeweils von einem Führungsschenkel begrenzt ist, wobei die Führungsschenkel im kontaktierten Zustand zumindest teilweise in korrespondierende Aussparungen der äußeren Fügegeometrie des Schaltungsträger eingesteckt sind.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In der Zeichnung bezeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine schematische perspektivische Teilschnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Drucksensoreinheit mit einem ersten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Druckmesszelle.
2 zeigt eine schematische Perspektivdarstellung der Druckmesszelle aus 1.
3 zeigt eine schematische perspektivische Teilschnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Drucksensoreinheit mit einem zweiten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Druckmesszelle.
4 zeigt eine schematische Perspektivdarstellung einer Messeinheit mit der Druckmesszelle aus 3.
5 zeigt eine schematische perspektivische Teilschnittdarstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Drucksensoreinheit ohne Schutzhülse und mit einem dritten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Druckmesszelle.
6 zeigt eine schematische perspektivische Teilschnittdarstellung des unteren Teils der Drucksensoreinheit aus 5.
7 zeigt eine schematische Perspektivdarstellung einer Messeinheit mit der Druckmesszelle aus 5 und 6.
8 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Druckmesszelle im Bereich einer Messmembran.
Ausführungsformen der Erfindung
Wie aus 1 bis 8 ersichtlich ist, umfassen die dargestellten Ausführungsbeispiele einer Druckmesszelle 50, 50A, 50B, 50C jeweils einen Träger 52, 52A, 52B, 52C, welcher eine Messmembran 52.1 ausbildet. Die Messmembran 52.1 verformt sich unter Einwirkung eines zu erfassenden Drucks P. Auf dem Träger 52 ist eine Messstruktur 55 aufgebracht, welche die Verformung der Messmembran 52.1 erfasst und mindestens ein den erfassten Druck P repräsentierendes elektrisches Ausgangssignal erzeugt. Hierbei ist die Messstruktur 55 auf den Träger 52 aufgedruckt.
Wie aus 1 bis 8 weiter ersichtlich ist, ist in den dargestellten Ausführungsbeispielen der Druckmesszelle 50, 50A, 50B, 50C zwischen der Messstruktur 55 und einer Oberfläche des Trägers 52 eine Isolationsschicht 54 aufgebracht. Zudem ist auf die Messstruktur 55 eine Schutzschicht 57 aufgebracht, um diese vor Verschmutzung und Feuchtigkeit zu schützen.
Wie insbesondere aus 2, 4 und 7 ersichtlich ist, weist die Messstruktur 55 in den dargestellten Ausführungsbeispielen eine Messbrücke 56 und vier erste Kontaktstellen 56.3 auf, über welche das mindestens eine elektrische Ausgangssignal abgreifbar ist. Die Messbrücke 56 ist als Wheatstone-Brücke mit vier als Mäander ausgebildeten Widerstandsbahnen 56.1 ausgeführt. Zudem weist die Messstruktur 55 mehrere Leitungsbahnen 56.2 auf, welche die Widerstandsbahnen 56.1 und/oder die ersten Kontaktstellen 56.3 schaltungsgemäß miteinander verbinden, so dass die Funktionalität der Wheatstone-Brücke implementiert ist.
In einem ersten Schritt eines Verfahrens zum Aufbringen einer Messstruktur 55 auf einen Träger 52 einer Druckmesszelle 50 wird eine Oberfläche des Trägers 52 gereinigt. Anschließend wird die Messstruktur 55 auf die Oberfläche des Trägers 52 aufgedruckt. Wie insbesondere aus 8 weiter ersichtlich ist, wird bei den dargestellten Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Druckmesszelle 50, 50A, 50B, 50C vor dem Aufdrucken der Messstruktur 55 eine Isolationsschicht 54 auf die gereinigte Oberfläche des Trägers 52 aufgebracht. Zudem wird bei den dargestellten Ausführungsbeispielen auf die gedruckte Messstruktur 55 eine Schutzschicht 57 aufgebracht. Vorzugsweise werden die Isolationsschicht 54 und/oder die Schutzschicht 57 mittels eines atmosphärischen Plasmaverfahrens aufgebracht.
Wie aus 1 bis 8 weiter ersichtlich ist, umfasst die Drucksensoreinheit 1, 1A, 1B, 1C in den dargestellten Ausführungsbeispielen jeweils eine Schutzhülse 20, in welcher eine Druckmesszelle 50, 50A, 50B, 50C, ein Schaltungsträger 60, 60A, 60B, 60C und eine Anschluss- und Schaltungsvorrichtung 3 mit einer senkrecht zur Oberfläche des Schaltungsträgers 60, 60A, 60B, 60C angeordneten Leiterplatte 40, welche eine elektronische Schaltung 44 mit mindestens einem elektronischen und/oder elektrischen Bauteil 44.1, 44.2 trägt, und einer Stützeinheit 30 angeordnet sind. Die Stützeinheit 30 umfasst einen Grundkörper 32 mit einer Außenkontur 37 und verschließt die Schutzhülse 20. Die Druckmesszelle 50, 50A, 50B, 50C ist mit einem Sensorträger 10, 10A, 10B, 10C verbunden, welcher einen Befestigungsflansch 12 mit einem Verbindungsbereich 16 für die Schutzhülse 20 aufweist. Ein Grundkörper 62, 62A, 62B, 62C des Schaltungsträger 60, 60A, 60B, 60C ist mit dem Sensorträger 10, 10A, 10B, 10C mechanisch verbunden und weist eine interne Schnittstelle 24A, 24B, 24C auf, welche mindestens ein elektrisches Ausgangssignal der Druckmesszelle 50, 50A, 50B, 50C abgreift und an die elektronische Schaltung 44 anlegt. Der Grundkörper 32 der Stützeinheit 30 bildet eine externe Schnittstelle 26 mit mindestens einer elektrischen Kontaktstelle 34 aus, über welche mindestens ein Ausgangssignal der elektronischen Schaltung 44 abgreifbar ist. Die mindestens eine Kontaktstelle 34 ist über eine elektrische Verbindung mit einer korrespondierenden Kontaktstelle der Leiterplatte 40 verbunden.
Wie aus 1 bis 7 weiter ersichtlich ist, umfasst eine Messeinheit 9, 9A, 9B, 9C in den dargestellten Ausführungsbeispielen jeweils eine Druckmesszelle 50, 50A, 50B, 50C, einen Sensorträger 10, 10A, 10B, 10C und einen Schaltungsträger 60, 60A, 60B, 60C, welche eine Vormontagebaugruppe für die Drucksensoreinheit 1 ausbilden. Die Druckmesszelle 50, 50A, 50B, 50C erzeugt mindestens ein den erfassten Druck P repräsentierendes elektrisches Ausgangssignal und weist mindestens eine erste Kontaktstelle 65.3 auf, über welche das mindestens eine elektrische Ausgangssignal abgreifbar ist. Die Druckmesszelle 50, 50A, 50B, 50C ist mit dem Sensorträger 10 mechanisch verbunden, welcher eine Fluidverbindung zwischen dem zu messenden Medium und der Druckmesszelle 50, 50A, 50B, 50C herstellt. Der Schaltungsträger 60, 60A, 60B, 60C ist mit dem Sensorträger 10, 10A, 10B, 10C mechanisch verbunden und die mindestens eine erste Kontaktstelle 56.3 der Druckmesszelle 50, 50A, 50B, 50C ist elektrisch mit mindestens einer zweiten Kontaktstelle 66A, 66B, 66C des Schaltungsträgers 60 elektrisch verbunden, welche im kontaktierten Zustand mit einer dritten Kontaktstelle 46 der auf der Leiterplatte 40 angeordneten elektronischen Schaltung 44 verbunden ist.
Wie aus 1, 3 und 5 weiter ersichtlich ist, ist der Grundkörper 41 der Leiterplatte 40 über eine mechanische Fügegeometrie 42 mit dem Schaltungsträger 60, 60A, 60B, 60C gekoppelt, wobei die Fügegeometrie 42 am Grundkörper 41 der Leiterplatte 40 eine Aussparung 42.1 ausbildet, welche an zwei gegenüberliegenden Seiten jeweils von einem Führungsschenkel 42.2 begrenzt ist. Die Führungsschenkel 42.2 sind im kontaktierten Zustand zumindest teilweise in korrespondierende Aussparungen der äußeren Fügegeometrie 64A, 64B, 64C des Schaltungsträgers 60, 60A, 60B, 60C eingesteckt. Wie aus 1, 3 und 5 weiter ersichtlich ist, weist die Leiterplatte 40 im Bereich der Führungsschenkel 42.2 Kontaktflächen auf, welche dritte Kontaktstellen 46 ausbilden und über Leiterbahnen 42.3 mit der elektronischen Schaltung 44 verbunden sind. Die dritten Kontaktstellen 46 bilden mit korrespondierenden zweiten Kontaktstellen 66A, 66B, 66C bzw. Kontaktflächen im Bereich der äußeren Fügegeometrie 64A, 64B, 64C am Grundkörper 62, 62A, 62B, 62C des Schaltungsträgers 60, 60A, 60B, 60C die interne elektrische Schnittstelle 24A, 24B, 24C aus. Die Leitplatte 40 ist in Aussparungen oder Aufnahmetaschen der äußeren Fügegeometrie 64A, 64B, 64C am Grundkörper 62, 62A, 62B, 62C des Schaltungsträger 60, 60A, 60B, 60C eingesteckt und gegebenenfalls dort mit Haltekleber und Leitkleber 7 fixiert, um eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Schaltungsträger 60, 60A, 60B, 60C und der Leiterplatte 40 zu gewährleisten und die Leiterplatte 40 zu fixieren. Der Haltekleber wird beispielsweise an Grundflächen der Aussparungen oder Aufnahmetaschen des Schaltungsträgers 60, 60A, 60B, 60C eingebracht und der Leitkleber wird beispielsweise auf die Kontaktflächen 46 der Leiterplatte 40 aufgebracht. Alternativ können die zweiten Kontaktstellen 66A, 66B, 66C am Grundkörper 62, 62A, 62B, 62C des Schaltungsträgers 60, 60A, 60B, 60C als federelastische Kontaktelemente ausgeführt werden, welche eine zur Einsteckrichtung der Leiterplatte 40 senkrechte Kraft auf die Kontaktflächen 46 der Leiterplatte 40 ausüben und gleichzeitig die in die Aussparungen oder Aufnahmetaschen der äußeren Fügegeometrie 64A, 64B, 64C eingesteckte Leiterplatte 40 fixieren, so dass auf den Haltekleber und den Leitkleber 7 an dieser Stelle verzichtet werden kann. Am anderen Ende weist der Grundträger 42 der Leiterplatte 40 nicht näher bezeichnete Kontaktstellen auf, welche von korrespondierenden Gegenkontaktstellen des Grundkörpers 32 der Stützeinheit 30 kontaktiert sind. Der Grundkörpers 32 der Stützeinheit 30 umfasst zwei Halbschalen 32.1, 32.2, welche im dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils als Kunststoffspritzteil ausgeführt sind, in welches Stanzgitter eingebettet sind, welche die Kontaktstellen 34 der externen Schnittstelle 26 sowie Durchkontaktierungen und Gegenkontaktstellen ausbilden.
Wie aus 1 und 2 weiter ersichtlich ist, ist der Träger 52 der Druckmesszelle 50A im dargestellten ersten Ausführungsbeispiel als Tiefziehhülse 52A ausgeführt, auf welche die Messstruktur 55 aufgedruckt ist. Der Sensorträger 10A ist als Drehteil mit einer axialen Innenbohrung und einem ringförmigen Befestigungsflansch 12 und mindestens einem Verbindungsbereich 16 ausgeführt. An einem ersten Ende der Innenbohrung ist unterhalb des Befestigungsflansches 12 ein Messanschluss 18 als Self-Clinch-Anschluss ausgebildet und kann mit einem in 1 und 2 nicht näher dargestellten Fluidblock verpresst bzw. an diesen angebunden werden. Ein zweites Ende der Innenbohrung ist durch die Messmembran 52.1 der Druckmesszelle 50A abgeschlossen. Die Tiefziehhülse 52A ist vorzugweise durch eine Schweißverbindung fluiddicht mit dem Sensorträger 10A verbunden.
Wie aus 1 weiter ersichtlich ist, ist der Grundkörper 62A des Schaltungsträgers 60A im dargestellten ersten Ausführungsbeispiel als Hohlzylinder mit einer inneren Fügegeometrie 65A ausgeführt, welche an eine Außenkontur der Druckmesszelle 50A angepasst ist und die Druckmesszelle 50A umschließt. Der Grundkörper 62A des Schaltungsträgers 60A ist mit dem Sensorträger 10A über eine Clipsverbindung mechanisch verbunden. Zur Herstellung der Clipsverbindung weist der Sensorträger 10A als erste Clipsgeometrie eine umlaufende Aufnahmenut 17 auf, welche in den Befestigungsflansch 12 des Sensorträgers 10A eingebracht ist. Der Grundkörper 62A des Schaltungsträgers 10A weist als korrespondierende zweite Clipsgeometrie mehrere elastische Rastarme 62.1 mit Rastnasen auf, welche bei aufgesetztem Schaltungsträger 10A in die umlaufende Aufnahmenut 17 des Sensorträgers 10A rastend eingreifen und an einer Flanschoberfläche 14 anliegen. Nach dem Herstellen der Clipsverbindung und dem Ausrichten wird der Schaltungsträger 10A durch Haltekleber 5, welcher an einer Auflagestelle zwischen einem der Rastarme 62.1 und der Flanschoberfläche 14 aufgebracht wird, gegen Verdrehen gesichert. Am Grundkörper 62A des Schaltungsträgers 60A sind als äußere Fügegeometrie 64A zwei Aufnahmetaschen zur Aufnahme der korrespondierenden Führungsschenkel 42.2 der Leiterplatte 40 ausgebildet. Am Rand der Aufnahmetaschen sind jeweils zwei elektrisch leitende Bereiche angeordnet, welche in die Aufnahmetaschen hineinreichen und jeweils eine zweite Kontaktstelle 66A ausbilden. Zusätzlich bilden die beiden elektrisch leitenden Bereiche der jeweiligen Aufnahmetasche jeweils eine Bondfläche 68A aus, welche jeweils über einen Bonddraht 58 mit einer korrespondierenden ersten Kontaktstelle 56.1 der Druckmesszelle 50A elektrisch verbunden sind. Wie aus 1 weiter ersichtlich ist, weist der Befestigungsflansch 12 einen als Stufe ausgebildeten Verbindungsbereich 16 auf, auf welchen die Schutzhülse 20 aufgepresst ist. Zusätzlich oder alternativ kann die Schutzhülse 20 mit dem Verbindungsbereich 16 verschweißt werden.
Wie aus 3 und 4 weiter ersichtlich ist, ist der Träger 52 der Druckmesszelle 50B im dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel als Metallscheibe 52B ausgeführt, auf welche die Messstruktur 55 aufgedruckt ist. Der Sensorträger 10B ist analog zum ersten Ausführungsbeispiel als Drehteil mit einer axialen Innenbohrung und einem ringförmigen Befestigungsflansch 12 und mindestens einem Verbindungsbereich 16 ausgeführt. An einem ersten Ende der Innenbohrung ist unterhalb des Befestigungsflansches 12 ein Messanschluss 18 als Self-Clinch-Anschluss ausgebildet und kann analog zum ersten Ausführungsbeispiel mit einem in 3 und 4 nicht näher dargestellten Fluidblock verpresst bzw. an diesen angebunden werden. Das zweite Ende der Innenbohrung ist durch die Messmembran 52.1 der Druckmesszelle 50B abgeschlossen. Die Metallscheibe 52B ist im dargestellten Ausführungsbeispiel in einem Arbeitsgang mit dem Sensorträger 10B hergestellt, so dass die Metallscheibe 52 fluiddicht mit dem Sensorträger 10B verbunden.
Wie aus 3 und 4 weiter ersichtlich ist, bildet der als Metallscheibe 52B ausgeführte Träger 52 der Druckmesszelle 50B im dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel zusätzlich den Grundkörper 62B des Schaltungsträgers 60B aus. Dadurch können Montageschritte eingespart werden. Am Grundkörper 62B des Schaltungsträgers 60B bzw. an dem als Metallscheibe 52B ausgeführten Träger 52 der Druckmesszelle 50B sind als äußere Fügegeometrie 64B zwei Aussparungen zur Aufnahme der korrespondierenden Führungsschenkel 42.2 der Leiterplatte 40 ausgebildet. Am Rand der Aussparungen sind jeweils zwei elektrisch leitende Bereiche angeordnet, welche in die Aussparung hineinreichen und jeweils eine zweite Kontaktstelle 66B ausbilden. Zusätzlich sind die zweiten Kontaktstellen 66B des Schaltungsträgers 60B über Leitungsbahnen 56.2 mit korrespondierenden ersten Kontaktstellen 56.1 der Druckmesszelle 50B elektrisch verbunden. Im eingeführten und kontaktierten Zustand stützen sich die Führungsschenkel 42.2 der Leiterplatte 40 auf der Flanschoberfläche 14 ab. Wie aus 3 weiter ersichtlich ist, weist der Befestigungsflansch 12 analog zum ersten Ausführungsbeispiel einen als Stufe ausgebildeten Verbindungsbereich 16 auf, auf welchen die Schutzhülse 20 aufgepresst ist. Zusätzlich oder alternativ kann die Schutzhülse 20 mit dem Verbindungsbereich 16 verschweißt werden.
Wie aus 5 bis 7 weiter ersichtlich ist, ist der Träger 52 der Druckmesszelle 50C im dargestellten dritten Ausführungsbeispiel als Abschnitt 52C eines Fluidblocks 8 ausgeführt, auf welche die Messstruktur 55 aufgedruckt ist. Zudem bildet der Abschnitt 52C des Fluidblocks 8 den Sensorträger 10C aus und weist einen Fluidkanal 8.1 auf, welcher fluiddicht von der Messmembran 52.1 der Druckmesszelle 50C abgeschlossen ist.
Wie aus 5 bis 7 weiter ersichtlich ist, bildet der als Abschnitt 52C des Fluidblocks 8 ausgeführte Träger 52 der Druckmesszelle 50C im dargestellten dritten Ausführungsbeispiel zusätzlich den Grundkörper 62C des Schaltungsträgers 60C aus. Am Grundkörper 62C des Schaltungsträgers 60C bzw. am als Abschnitt 52C des Fluidblocks 8 ausgeführten Träger 52 der Druckmesszelle 50C sind als äußere Fügegeometrie 64C zwei Aufnahmetaschen zur Aufnahme der korrespondierenden Führungsschenkel 42.2 der Leiterplatte 40 in den Fluidblock 8 eingebracht. Am Rand der Aufnahmetaschen sind jeweils zwei elektrisch leitende Bereiche angeordnet, welche in die Aussparung hineinreichen und jeweils eine zweite Kontaktstelle 66C ausbilden. Zusätzlich sind die zweiten Kontaktstellen 66C des Schaltungsträgers 60C über Leitungsbahnen 56.2 mit korrespondierenden ersten Kontaktstellen 56.1 der Druckmesszelle 50C elektrisch verbunden. Im eingeführten und kontaktierten Zustand stützen sich die Führungsschenkel 42.2 der Leiterplatte 40 am Boden der Aufnahmetaschen ab. Zudem weist der als Abschnitt 52C des Fluidblocks 8 ausgeführte Träger 52 der Druckmesszelle 50C einen nicht näher dargestellten Verbindungsbereich auf, auf welchen die Schutzhülse 20 aufgepresst ist. Zusätzlich oder alternativ kann die Schutzhülse 20 mit dem Verbindungsbereich verschweißt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014221365 A1 [0003]

Claims

Druckmesszelle (50) mit einem Träger (52), welcher eine Messmembran (52.1) ausbildet, welche sich unter Einwirkung eines zu erfassenden Drucks (P) verformt, wobei auf dem Träger (52) eine Messstruktur (55) aufgebracht ist, welche die Verformung der Messmembran (52.1) erfasst und mindestens ein den erfassten Druck (P) repräsentierendes elektrisches Ausgangssignal erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass die Messstruktur (55) auf den Träger (52) aufgedruckt ist.
Druckmesszelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Messstruktur (55) und einer Oberfläche des Trägers (52) eine Isolationsschicht (54) aufgebracht ist.
Druckmesszelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Messstruktur (55) eine Schutzschicht (57) aufgebracht ist.
Druckmesszelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messstruktur (55) eine Messbrücke (56) und mindestens eine erste Kontaktstelle (56.3) aufweist, über welche das mindestens eine elektrische Ausgangssignal abgreifbar ist.
Druckmesszelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Messbrücke (57) mehrere Widerstandsbahnen (56.1) und Leitungsbahnen (56.2) umfasst, welche die Widerstandsbahnen (56.1) und/oder die mindestens einer erste Kontaktstelle (56.3) schaltungsgemäß miteinander verbinden.
Verfahren zum Aufbringen einer Messstruktur (55) auf einen Träger (52) einer Druckmesszelle (50), wobei eine Oberfläche des Träger (52) gereinigt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Messstruktur (55) auf die Oberfläche des Trägers (52) aufgedruckt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufdrucken der Messstruktur (55) eine Isolationsschicht (54) auf die gereinigte Oberfläche des Trägers (52) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf die gedruckte Messstruktur (55) eine Schutzschicht (57) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (54) und/oder die Schutzschicht (57) mittels eines atmosphärischen Plasmaverfahrens aufgebracht werden.
Messeinheit (9) mit einer Druckmesszelle (50), einem Sensorträger (10) und einem Schaltungsträger (60), wobei die Druckmesszelle (50) mindestens ein den erfassten Druck (P) repräsentierendes elektrisches Ausgangssignal erzeugt und mindestens eine erste Kontaktstelle (65.3) aufweist, über welche das mindestens eine elektrische Ausgangssignal abgreifbar ist, wobei die Druckmesszelle (50) mit dem Sensorträger (10) mechanisch verbunden ist, welcher eine Fluidverbindung zwischen dem zu messenden Medium und der Druckmesszelle (50) herstellt, wobei der Schaltungsträger (60) mit dem Sensorträger (10) mechanisch verbunden ist und die mindestens eine erste Kontaktstelle (56.3) der Druckmesszelle (50) elektrisch mit mindestens einer zweiten Kontaktstelle (66A, 66B, 66C) des Schaltungsträgers (60) elektrisch verbunden ist, welche mit einer dritten Kontaktstelle (46) einer auf einer Leiterplatte (40) angeordneten elektronischen Schaltung (44) verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit (9) eine Vormontagebaugruppe für eine Drucksensoreinheit (1) ausbildet, wobei die Druckmesszelle (50) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5 ausgeführt ist.
Messeinheit nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (52) als Tiefziehhülse (52A) oder als Scheibe (52B) oder als Abschnitt (52C) eines Fluidblocks (8) ausgeführt ist.
Messeinheit nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorträger (10A, 10B) als Drehteil mit einer axialen Innenbohrung und einem ringförmigen Befestigungsflansch (12) und mindestens einem Verbindungsbereich (16) ausgeführt ist, wobei an einem ersten Ende der Innenbohrung ein Messanschluss (18) ausgebildet ist und ein zweites Ende der Innenbohrung durch die Messmembran (52.1) der Druckmesszelle (50A, 50B) abgeschlossen ist.
Messeinheit nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefziehhülse (52A) und/oder die Scheibe (52B) fluiddicht mit dem Sensorträger (10A, 10B) verbunden sind.
Messeinheit nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der als Scheibe (52B) ausgeführte Träger (52) an den Sensorträger (10B) angeformt ist.
Messeinheit nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidblock (8) den Sensorträger (10C) ausbildet und einen Fluidkanal (8.1) aufweist, welche fluiddicht von der Messmembran (52.1) der Druckmesszelle (50) abgeschlossen ist.
Messeinheit nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass am Grundkörper (62) des Schaltungsträgers (60) als äußere Fügegeometrie (64) zwei Aussparungen zur Aufnahme von korrespondierenden Führungsschenkeln (42.4) einer Leiterplatte (40) ausgebildet sind, wobei am Rand der Aussparungen jeweils zwei elektrisch leitende Bereiche angeordnet sind, welche in die Aussparungen hineinreichen und jeweils eine zweite Kontaktstelle (66) ausbilden.
Messeinheit nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (62A) des Schaltungsträgers (60A) als Hohlzylinder mit einer inneren Fügegeometrie (65A) ausgeführt ist, welche an eine Außenkontur der Druckmesszelle (50A) angepasst ist und die Druckmesszelle (50A) umschließt, wobei die beiden elektrisch leitenden Bereiche der jeweiligen Aussparung zusätzlich jeweils eine Bondfläche (68A) ausbilden, welche jeweils über einen Bonddraht (58) mit einer korrespondierenden ersten Kontaktstelle (56.1) der Druckmesszelle (50) elektrisch verbunden sind.
Messeinheit nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der als Scheibe (52B) oder als Abschnitt (52C) eines Fluidblocks (8) ausgeführte Träger (52) der Druckmesszelle (50) den Grundkörper (62B, 62C) des Schaltungsträgers (60B, 60C) ausbildet, wobei die ersten Kontaktstellen (56.1) der Druckmesszelle (50B, 50C) über Leitungsbahnen (56.2) mit den korrespondierenden zweiten Kontaktstellen (66B, 66C) des Schaltungsträgers (60B, 60C) elektrisch verbunden sind.
Drucksensoreinheit (1) mit einer Schutzhülse (20), in welcher eine Druckmesszelle (50), ein Schaltungsträger (60) und eine Anschluss- und Schaltungsvorrichtung (3) mit einer senkrecht zur Oberfläche des Schaltungsträgers (60) angeordneten Leiterplatte (40), welche eine elektronische Schaltung (44) mit mindestens einem elektronischen und/oder elektrischen Bauteil (44.1, 44.2) trägt, und einer Stützeinheit (30) angeordnet sind, welche einen Grundkörper (32) mit einer Außenkontur (37) umfasst und die Schutzhülse (20) verschließt, wobei die Druckmesszelle (50) mit einem Sensorträger (10) verbunden ist, welcher einen Befestigungsflansch (12) mit einem Verbindungsbereich (16) für die Schutzhülse (20) aufweist, wobei ein Grundkörper (62) des Schaltungsträgers (60) mit dem Sensorträger (10) mechanisch verbunden ist und eine interne Schnittstelle (24) aufweist, welche mindestens ein elektrisches Ausgangssignal der Druckmesszelle (50) abgreift und an die elektronische Schaltung (44) anlegt, wobei der Grundkörper (32) der Stützeinheit (30) eine externe Schnittstelle (26) mit mindestens einer elektrischen Kontaktstelle (34) ausbildet, über welche mindestens ein Ausgangssignal der elektronischen Schaltung (44) abgreifbar ist, wobei die mindestens eine Kontaktstelle (34) über eine elektrische Verbindung mit einer korrespondierenden Kontaktstelle der Leiterplatte (40) elektrisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckmesszelle (50) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5 ausgebildet ist.
Drucksensoreinheit nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckmesszelle (50) und der Sensorträger (10) und der Schaltungsträger (60) eine Messeinheit (9) nach zumindest einem der Ansprüche 10 bis 18 ausbilden, wobei ein Grundkörper (41) der Leiterplatte (40) über eine mechanische Fügegeometrie (42) mit dem Schaltungsträger (60) gekoppelt ist, wobei die Fügegeometrie (42) am Grundkörper (41) der Leiterplatte (40) eine Aussparung (42.1) ausbildet, welche an zwei gegenüberliegenden Seiten jeweils von einem Führungsschenkel (42.2) begrenzt ist, wobei die Führungsschenkel (42.2) im kontaktierten Zustand zumindest teilweise in korrespondierende Aussparungen der äußeren Fügegeometrie (64) des Schaltungsträger (60) eingesteckt sind.