DE102018110655A1

DE102018110655A1 - Integrierter Druck- und Temperatursensor

Info

Publication number: DE102018110655A1
Application number: DE102018110655.6A
Authority: DE
Inventors: Neil Petrarca; Edwin Vonk
Original assignee: Sensata Technologies Inc
Current assignee: Sensata Technologies Inc
Priority date: 2017-05-04
Filing date: 2018-05-03
Publication date: 2018-11-08
Also published as: US20180321104A1; US11105698B2; JP2018189642A; GB2563486B; GB201806265D0; US10545064B2; JP6898271B2; US20200096406A1; GB2563486A; CN108801335A; KR102587393B1; KR20180122954A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung von Druck und Temperatur in einer Fluidumgebung, die eine Abdeckung umfasst, die einen Innenraum definiert. Eine Thermistorröhre ist zumindest teilweise in dem Innenraum angeordnet, wobei sich die Thermistorröhre im Wesentlichen entlang einer Längsachse erstreckt. Ein Anschlusskörper ist außerdem wenigstens teilweise in dem Innenraum angeordnet, wobei der Anschlusskörper einen Kanal bildet, der sich entlang der Längsachse erstreckt, um Fluid aus einer Fluidumgebung aufzunehmen. Eine Membran ist in dem Anschlusskörper befestigt. Die Membran weist eine erste Oberfläche auf, die dem Fluid in dem Kanal ausgesetzt ist und eine zweite Oberfläche, die gegenüber dem Kanal abgedichtet ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Sensoren, insbesondere verbesserte Vorrichtungen zur Messung von sowohl Druck als auch Temperatur.
Hintergrund der Erfindung
Druck- und Temperatursensortechnologien werden zurzeit in einer zunehmenden Zahl von Anwendungen in unterschiedlichsten Umgebungen eingesetzt. Beispielsweise werden in der Automobilindustrie Druck- und/oder Temperatursensoren heutzutage in Brennstoffsysteme, Bremssysteme, Fahrzeugstabilitätssysteme und viele andere eingebaut. Mit der zunehmenden Verbreitung der Sensortechnologie geht ein zunehmender Bedarf an genauen und kostengünstigen Vorrichtungen zur Messung von Druck und Temperatur einher. Darüber hinaus ist es mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Technologie wünschenswert, dass Sensoren so konstruiert werden, dass sie so wenig Platzbedarf wie nötig beanspruchen und dabei immer noch zuverlässig sind.
Zusammenfassung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Technologie überwindet Nachteile des Standes der Technik, indem sie einen Druck- und Temperatursensor bereitstellt, der in eine Einzelvorrichtung integriert ist, die genau arbeitet, kostengünstig ist und nur wenig Platz beansprucht.
In wenigstens einigen Ausführungsformen betrifft die erfindungsgemäße Technologie eine Vorrichtung zur Erfassung von Druck und Temperatur in einer fluiden Umgebung. Die Vorrichtung weist eine Abdeckung auf, die einen Innenraum definiert, wobei die Abdeckung im Innenraum einen ringförmigen Flansch umfasst. Ein Anschlussgehäuse weist einen äußeren ringförmigen Ring auf, der mit dem ringförmigen Flansch zur Bildung einer Doppelclinch-Abdichtung zusammenwirkt. Die Doppelclinch-Abdichtung dichtet den Anschlusskörper hermetisch mit der Abdeckung ab. Der Anschlusskörper weist außerdem Innenwände auf, die eine Thermistorröhre umgeben und so einen Kanal zur Aufnahme von Fluid aus der Fluidumgebung bilden, wobei sich der Kanal im Wesentlichen parallel zu einer Längsachse erstreckt. Wenigstens eine Membran ist in dem Anschlusskörper entlang einer Ebene montiert, die im Wesentlichen parallel zu der Längsachse verläuft. Jede Membran weist wenigstens ein Drucksensorelement auf, das mit einer distal von dem Kanal befindlichen Fläche gekoppelt ist. Die Vorrichtung umfasst außerdem eine Elektronikmodulbaugruppe mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende. Das erste Ende ist über der Thermistorröhre entlang der Längsachse angeordnet und weist eine Vielzahl von Elektronikkomponenten auf. Das zweite Ende ist innerhalb der Thermistorröhre angeordnet und weist eine Vielzahl von Thermistorelementen auf, die elektrisch mit den Elektronikkomponenten verbunden sind. Jedes Thermistorelement ist so kalibriert, dass es Temperatur innerhalb eines vorgegeben, von anderen Elementen verschiedenen Bereichs misst. Jedes Drucksensorelement ist so kalibriert, dass es Druck innerhalb eines vorgegebenen, von anderen Elementen verschiedenen Bereichs misst und gegenüber der Elektronikmodulbaugruppe versetzt ist.
In wenigstens einigen Ausführungsformen betrifft die erfindungsgemäße Technologie eine Vorrichtung zur Erfassung von Druck und Temperatur in einer Fluidumgebung, die eine Abdeckung umfasst, die einen Innenraum definiert. Eine Thermistorröhre ist wenigstens teilweise innerhalb von dem Innenraum angeordnet, wobei sich die Thermistorröhre im Wesentlichen entlang der Längsachse erstreckt. Ein Anschlussgehäuse ist wenigstens teilweise in dem Innenraum angeordnet, wobei das Anschlussgehäuse einen Kanal bildet, der sich entlang der Längsachse erstreckt, um Fluid aus der Fluidumgebung aufzunehmen. Eine erste Membran ist in dem Anschlussgehäuse montiert. Die erste Membran hat eine erste Oberfläche, die dem Fluid in dem Kanal ausgesetzt ist und eine zweite Oberfläche, die gegenüber dem Kanal abgedichtet ist. In einigen Ausführungsformen ist die Thermistorröhre von dem Anschlussgehäuse abgesetzt und das Anschlussgehäuse ist mit der Abdeckung über eine Doppelclinch-Abdichtung abgedichtet. In einigen Ausführungsformen weist der Anschlusskörper Innenwände auf, welche die Thermistorröhre bezüglich der Längsachse umgeben und der Kanal wird zwischen dem Anschlusskörper und der Thermistorröhre gebildet. Die erste Membran bildet dann eine Ebene, die im Wesentlichen parallel zu der Längsachse verläuft.
In einigen Ausführungsformen umfasst die Vorrichtung ein erstes Drucksensorelement, welches mit der zweiten Oberfläche der ersten Membran gekoppelt ist. In einigen Fällen umfasst die Vorrichtung ein zweites Drucksensorelement, das mit der zweiten Oberfläche der ersten Membran gekoppelt ist. In anderen Ausführungsformen ist eine zweite Membran in den Anschlusskörper montiert und verläuft im Wesentlichen parallel zu der Längsachse. Die zweite Membran kann eine erste Oberfläche aufweisen, die dem Fluid innerhalb des Kanals ausgesetzt ist, und eine zweite Oberfläche, die gegenüber dem Kanal abgedichtet ist. Ein zweites Drucksensorelement kann mit der zweiten Oberfläche der zweiten Membran gekoppelt sein. In einigen Ausführungsformen sind die Drucksensorelemente jeweils so kalibriert, dass sie Druck in unterschiedlichen vorgegebenen Druckbereichen messen können. Die Thermistorröhre kann außerdem einen Last tragenden Flansch umfassen, der sich über den Kanal erstreckt, um mit einem oberen Abschnitt des Anschlusskörpers in Kontakt zu treten.
In einigen Ausführungsformen umfasst die Vorrichtung außerdem eine Elektronikmodulbaugruppe, die sich im Wesentlichen entlang der Längsachse erstreckt. Die Elektronikmodulbaugruppe weist ein unteres Ende auf, das innerhalb der Thermistorröhre angeordnet und mit einem Thermistorelement gekoppelt ist. Die Elektronikmodulbaugruppe kann wenigstens ein zusätzliches unteres Thermistorelement aufweisen, das mit dem unteren Ende der Elektronikmodulbaugruppe innerhalb der Thermistorröhre gekoppelt ist. In einigen Fällen ist jedes zusätzliche untere Thermistorelement so kalibriert, dass es Temperaturen innerhalb für jedes Element verschiedener Temperaturbereiche messen kann. Die Elektronikmodulbaugruppe kann außerdem ein oberes Ende umfassen, das über der Thermistorröhre entlang der Längsachse angeordnet ist, wobei das obere Ende eine Vielzahl von Elektronikkomponenten aufweist.
In einigen Ausführungsformen betrifft die erfindungsgemäße Technologie eine Vorrichtung zur Messung von Druck und Temperatur in einer Fluidumgebung. Die Vorrichtung umfasst eine Abdeckung, die einen Innenraum definiert, die in dem Innenraum einen ringförmigen Flansch umfasst. Ein Anschlusskörper mit einem äußeren ringförmigen Ring ist in dem Innenraum positioniert. Der äußere ringförmige Ring koppelt mit dem ringförmigen Flansch zur Bildung einer mechanischen Abdichtung, die den Anschlusskörper gegenüber der Abdeckung abdichtet. In wenigstens einer Ausführungsform ist die mechanische Abdichtung eine Doppelclinch-Abdichtung. Eine Thermistorröhre kann in dem Innenraum angeordnet sein und einen offenen oberen Abschnitt und einen geschlossenen unteren Abschnitt aufweisen. Ein Kanal kann zwischen der Thermistorröhre und der Abdeckung gebildet werden, um ein Fluid aus der Fluidumgebung aufzunehmen.
In einigen Ausführungsformen umfasst die Vorrichtung eine Elektronikmodulbaugruppe. Die Elektronikmodulbaugruppe weist ein unteres Ende auf, das innerhalb der Thermistorröhre angeordnet ist und eine Vielzahl von unteren Elektronikkomponenten besitzt. Die Elektronikmodulbaugruppe weist außerdem einen zentralen Abschnitt auf, der sich durch den offenen oberen Abschnitt der Thermistorröhre erstreckt. Schließlich ist ein oberer Abschnitt der Elektronikmodulbaugruppe über der Thermistorröhre angeordnet und weist eine Vielzahl von oberen Elektronikkomponenten auf. Das untere Ende der Elektronikmodulbaugruppe kann ebenfalls eine Vielzahl von Thermistorelementen aufweisen. In einigen Ausführungsformen umfassen die Elektronikkomponenten des unteren Endes eine Signalaufbereitungselektronik. Die Vorrichtung kann eine Membran umfassen, das innerhalb des Anschlusskörpers montiert ist und eine Ebene bildet, die im Wesentlichen parallel zu dem Kanal verläuft. Die Membran kann so konfiguriert sein, dass sie sich in Abhängigkeit von einem Druck des Fluids verbiegt. Außerdem kann ein Drucksensorelement mit einer Oberfläche der Membran gekoppelt sein, um Druck in der Fluidumgebung abhängig von der Biegung der Membran zu messen.
Figurenliste
Damit der Fachmann auf dem Gebiet, zu welchem das hier beschriebene System gehört, besser versteht, wie dieses hergestellt und verwendet werden soll, kann auf die folgenden Zeichnungen Bezug genommen werden.

1 ist eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen integrierten Druck- und Temperatursensors.
2 ist eine perspektivische Ansicht im Querschnitt eines erfindungsgemäßen integrierten Druck- und Temperatursensors.
3 ist eine Stirnansicht im Querschnitt eines erfindungsgemäßen integrierten Druck- und Temperatursensors.
4 ist eine perspektivische Ansicht des Inneren eines Anschlusskörpers gemäß der erfindungsgemäßen Technologie.
5 ist eine perspektivische Ansicht einer Elektronikmodulbaugruppe gemäß der erfindungsgemäßen Technologie.
Die 6A - 6E zeigen ein Verfahren zur Herstellung eines integrierten Druck- und Temperatursensors gemäß der erfindungsgemäßen Technologie.
7 ist eine Querschnittsansicht eines integrierten Druck- und Temperatursensors mit einem Last tragenden Flansch gemäß der erfindungsgemäßen Technologie.
8A ist eine perspektivische Ansicht eines integrierten Druck- und Temperatursensors gemäß der erfindungsgemäßen Technologie, wobei ein Spannungssprofil dargestellt ist.
8B ist eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines integrierten Druck- und Temperatursensors gemäß der erfindungsgemäßen Technologie.
9A ist eine perspektivische Ansicht eines integrierten Druck- und Temperatursensors gemäß der erfindungsgemäßen Technologie, wobei ein Temperaturprofil dargestellt ist.
9B ist eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines integrierten Druck- und Temperatursensors gemäß der erfindungsgemäßen Technologie.
10 ist eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform eines integrierten Druck- und Temperatursensors gemäß der erfindungsgemäßen Technologie.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Die erfindungsgemäße Technologie überwindet viele der im Stand der Technik mit Sensoren zusammenhängenden Probleme. Die Vorteile und andere Merkmale der hier offenbarten Systeme und Verfahren werden dem Durchschnittsfachmann aus der folgenden detaillierten Beschreibung bestimmter bevorzugter Ausführungsformen in Verbindung mit den Zeichnungen, die repräsentative Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung darstellen, leichter ersichtlich. Im Folgenden werden gleiche Bezugszeichen verwendet, um gleiche Teile zu bezeichnen.
In 1 ist eine integrierte Druck- und Temperaturerfassungsvorrichtung gemäß der erfindungsgemäßen Technologie insgesamt mit der Bezugsziffer 100 bezeichnet. Die Vorrichtung 100 enthält Komponenten zur Erfassung eines Drucks in einer Fluidumgebung 102, wie im Folgenden ausführlicher erörtert werden wird. Die Vorrichtung 100 weist ein Gehäuse 104 und eine Abdeckung 106 auf, die lösbar miteinander verbunden sind, um die inneren Komponenten zu umschließen. Die Abdeckung 106 weist einen mit einem Gewinde versehenen Bodenabschnitt 108 auf, der eine sichere Befestigung der Vorrichtung in der Fluidumgebung 102 ermöglicht. Das Gehäuse 104 enthält einen oberen Auslass 110, der einen Stecker aufnehmen kann, um die inneren Komponenten mit externen Einrichtungen elektrisch zu verbinden.
In den 2-3 wird eine Querschnittsansicht eines integrierten Druck- und Temperatursensors allgemein mit der Bezugsziffer 200 bezeichnet. Wie dargestellt, hält die Abdeckung 206 die Vorrichtung 200 sicher in der Fluidumgebung 208. Ein Kanal 226 zur Aufnahme eines Fluids 228 aus der Fluidumgebung 202 wird zwischen einer Thermistorröhre 224, einem Anschlusskörper 216 und der Abdeckung 206 definiert. Im Allgemeinen umfasst der Anschlusskörper 216 Sensorelemente 230 zur Druckerfassung, während die Thermistorröhre 224 Thermistorelemente 232 zur Temperaturerfassung enthält. Der Kanal 226 erstreckt sich entlang der Längsachse „a“, was die seitliche Aufnahme von Fluid bezüglich dem Fluss „f“ der Fluidumgebung 202 ermöglicht.
Die Abdeckung 206 definiert einen Innenraum, in welchem sie einen inneren ringförmigen Flansch 212 aufweist. Der innere ringförmige Flansch 212 ist mit einem äußeren ringförmigen Ring 214 des Anschlusskörpers 216 zur Bildung einer mechanischen Dichtung 218 verbunden, um so die Abdeckung 206 gegen den Anschlusskörper 214 abzudichten. In der dargestellten Ausführungsform ist die mechanische Dichtung 218 eine Doppelcrimp-Dichtung. Die Dichtung 218 verhindert, dass Fluid 228 in einen Hohlraum 220 eintritt, der von dem Gehäuse 204 und der Abdeckung 206 definiert wird und in dem eine Elektronikmodulbaugruppe 222 angeordnet ist. Die Elektronikmodulbaugruppe 222 ist außerdem an dem Gehäuse 206 und dem Anschlusskörper 216 zur Verbesserung der Stabilität durch ein Stützelement 248 befestigt.
Immer noch Bezug nehmend auf die 2-3 erkennt man in der dargestellten Ausführungsform, dass Thermistorelemente 232 die Temperatur aufzeichnen können, wenn Fluid 228 in dem Kanal 226 die Thermistorröhre 224 kontaktiert. Obwohl in dem dargestellten Beispiel nur ein Thermistorelement 232 gezeigt ist, sei darauf hingewiesen, dass mehrere Thermistorelemente 232 an verschiedenen Stellen innerhalb der Thermistorröhre 224 verwendet werden können, um Temperaturen in unterschiedlichen Bereichen aufzuzeichnen, wie im Folgenden detaillierter beschrieben werden wird. Im Allgemeinen sind die Termistorelemente 232 irgendwo im unteren Abschnitt 242 der Elektronikmodulbaugruppe 222 angeordnet, die in der Thermistorröhre 224 eingeschlossen ist. Die Thermistorelemente 232 stehen in elektrischer Verbindung mit den elektrischen Komponenten 238 im oberen Abschnitt 240 der Elektronikmodulbaugruppe 222. Beispielsweise können die Thermistorelemente 232 über (hier nicht dargestellte) Verbindungen mit den elektrischen Komponenten 238 verbunden sein.
In ähnlicher Weise, allerdings für die Druckerfassung, sind zwei Sensorelemente 230 an einem biegsamen Abschnitt des Anschlusskörpers 216 befestigt. Insbesondere weist der Anschlusskörper 216 eine Seitenwand 234 mit einem oder mehreren Bereichen mit verringerter Breite im Vergleich zum Rest des Anschlusskörpers 216 auf. Die innere Oberfläche der Seitenwand 234 ist dem Fluid 228 in dem Kanal 226 ausgesetzt. Dies ermöglicht einem oder mehreren Bereichen der Seitenwand 234 sich abhängig vom Druck in der Fluidumgebung 202 zu biegen. Beispielsweise kann die Seitenwand 234 mehrere dünne, flexible Bereiche enthalten, die als einzelne Diaphragmen wirken und unter jedem Sensorelement 230 positioniert sind. Alternativ kann die gesamte Seitenwand 234 als Membran wirken und ein oder mehrere Sensorelemente 230 können an unterschiedlichen Stellen an der Seitenwand 234 positioniert werden. Im Allgemeinen werden die Sensorelemente 230 an der äußeren Oberfläche der Seitenwand 234 oder der Membran befestigt, wodurch ein physischer Kontakt zwischen den Sensorelementen 230 und dem Fluid 238 eingeschränkt oder verhindert wird (in der vorliegenden Beschreibung werden die Begriffe „Seitenwand“ und „Membran“ austauschbar verwendet, um flexible Abschnitte des Anschlusskörpers 216 zu bezeichnen). Die Sensorelemente 230 übertragen ein Signal über die Verbindungen 236 an die elektrischen Komponenten 238 im oberen Abschnitt 240 der Elektronikmodulbaugruppe 222. Die Kombination von Gehäuse 204, Abdeckung 206 und Anschlusskörper 216 halten die Sensorelemente 230 von dem Fluid 228 des Kanals 226 isoliert.
In der dargestellten Ausführungsform sind die Seitenwand 234 und die Sensorelemente 230 entlang einer Ebene parallel zu der Längsachse „a“ (und somit parallel zu dem Kanal 226) angeordnet. Durch Positionieren der Seitenwand 234 und somit auch der Sensorelemente 230 entlang einer Ebene parallel zu dem Fluidkanal „a“, können die Sensorelemente 230 so kalibriert werden, dass sie den verschiedenen Druckwerten entsprechen, die an unterschiedlichen Stellen der Seitenwand 234 gemessen werden können, wie im Folgenden ausführlicher beschrieben werden wird. Ferner wird durch die seitliche Ausrichtung vieler Komponenten (d. h. der Elektronikmodulbaugruppe 222, der Thermistorröhre 224, der Seitenwand 234) entlang der Längsachse „a“ die Breite der Vorrichtung 200 verringert, während ihre Genauigkeit noch erhalten bleibt. Obwohl zwei Sensorelemente 230 dargestellt sind, sei darauf hingewiesen, dass eine unterschiedliche Zahl von Sensorelementen 230 verwendet werden kann, beispielsweise eines, drei, vier oder mehr, abhängig von der gewünschten Anwendung, wie im Folgenden detaillierter beschrieben werden wird.
In 4 ist eine perspektivische Unteransicht des Anschlusskörpers 216 dargestellt. Sensorelemente 230, die gestrichelt dargestellt sind, sind an der Außenseite der Seitenwand 234 befestigt. Wenn der Anschlusskörper 216 in den Rest der Vorrichtung 200 eingebaut ist und in der Praxis verwendet wird, erwartet man, dass die Seitenwand 234 parallel und angrenzend an den Fluidkanal 226 verläuft. Da sie parallel zum Fluidkanal 226 verläuft, biegt sich die Seitenwand 234 senkrecht zu der Strömung des Fluids 228 durch den Fluidkanal 226. Es können beliebige Sensorelemente 230 verwendet werden, die in der Lage sind, Druck in Abhängigkeit von der Biegung einer Oberfläche zu erfassen. Beispielsweise können die Sensorelemente 230 Dehnungsmesser mit Piezowiderständen sein. Wenn sie die Seitenwand 234 biegt, ändert sich der Widerstand der Widerstände in Abhängigkeit von der Biegung. Der Widerstand des Dehnungsmessers 230 kann beispielsweise dadurch gemessen werden, dass ein oder mehrere Wheatstone-Brücken angeordnet werden, um die Widerstandsänderung der Piezowiderstände in jedem Sensorelement 230 zu messen. Auf der Grundlage des Widerstandes der Piezowiderstände in dem Sensorelement 230 kann die Biegung einer Stelle der Seitenwand 234 und somit der Druck des Fluids in der Fluidumgebung 202 ermittelt werden. Der Widerstand kann an die Elektronik 238 über Verbindungen 236 übermittelt werden.
In 5 ist eine Elektronikmodulbaugruppe gemäß der erfindungsgemäßen Technologie insgesamt mit der Bezugsziffer 222 dargestellt. Ein unteres Thermistorelement 232, das in einem unteren Abschnitt 242 angeordnet ist, befindet sich in elektrischer Verbindung mit der Elektronik 238 im oberen Abschnitt 240. Im Allgemeinen ist die Elektronikmodulbaugruppe 222 derart in die Vorrichtung eingebaut, dass die Baugruppe 222 entlang der Längsachse „a“ ausgerichtet ist, wobei sich der untere Abschnitt 242 durch die Thermistorröhre 224 erstreckt und sich der obere Abschnitt 240 oberhalb der Thermistorröhre 224 im Innenraum des Gehäuses 204 befindet (vgl. 2-3). Die Elektronik 238 kann Komponenten zur Speicherung, Interpretation, Veränderung und/oder Übertragung von Signalen von verschiedenen anderen Komponenten, beispielsweise den Sensorelementen 230 und den Thermistorelementen 232 umfassen. Beispielsweise können die oberen Elektronikkomponenten 238 eine Anzahl Bondpads, Signalverarbeitungs- oder Übertragungsausrüstung, oder ein oder mehrere anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise enthalten. Ein Signal der Elektronik 238 kann auf unterschiedliche Weise an externe Einrichtungen übertragen werden, beispielsweise als drahtloses Signal oder über einen drahtgebundenen Anschluss durch den oberen Auslass 210.
In den 6A-6E ist ein Verfahren zum Zusammenbau eines integrierten Druck- und Temperatursensors 200 gemäß der erfindungsgemäßen Technologie dargestellt. Wie in 6A dargestellt, gleitet die Thermistorröhre 224 (beispielsweise ein NTC(Negative Temperature Coefficient)-Thermistor) in eine obere Öffnung des Anschlusskörpers 216. Der Kanal 226 wird teilweise zwischen dem größeren Innendurchmesser „D1“ des Anschlusskörpers 216 und dem kleineren Außendurchmesser „D2“ der Thermistorröhre 216 gebildet. Die Thermistorröhre 224 weist einen oberen Abschnitt 244 mit einem Außendurchmesser „D3“ auf, der nur geringfügig kleiner als der Innendurchmesser D1 des Anschlusskörpers ist. Daher sitzt der obere Abschnitt des Thermistorrohrs 224 dicht in dem Anschlusskörper 216 und die beiden Teile können dicht an der Oberseite für eine permanente Kopplung zusammengeschweißt werden.
Wie in 6B dargestellt, wird die Elektronikmodulbaugruppe (Elektronikmodulanordnung EMA) 222 dann an anderen Komponenten der Vorrichtung 200 angebracht. Die Elektronikmodulbaugruppe 222 wird mit den gewünschten Komponenten vormontiert, bevor sie mit dem Rest der Vorrichtung 200 verbunden wird. Beispielsweise kann der untere Abschnitt 242 der Elektronikmodulbaugruppe 222 ein Thermistorelement 232 umfassen, welches elektrisch mit den Elektronikkomponenten 238 des oberen Abschnitts 240 der Elektronikmodulbaugruppe 222 gekoppelt wird. Eine Wärmeleitpaste wird dann in die Thermistorröhre 224 eingebracht. Die Elektronikmodulbaugruppe 222 wird dann entlang der Längsachse „a“ eingeschoben, wobei das untere Ende 242 der Elektronikmodulbaugruppe 222 in den oberen Abschnitt der Thermistorröhre 224 eindringt. Die Sensorelemente 230 können dann mit den Bondpads (Teile der Elektronik 238) auf der Elektronikmodulbaugruppe 222 verbunden werden. Wie in 6C dargestellt, ist die Elektronikmodulbaugruppe außerdem mechanisch mit einem Stützelement 248 verbunden, welches an dem Gehäuse 206 und/oder dem Anschlusskörper 216 angebracht ist, um die Elektronikmodulbaugruppe 222 an Ort und Stelle zu halten.
Wie in 6D dargestellt, wird eine Dichtung 218 (beispielsweise eine Doppelcrimp- oder Doppelclinch-Dichtung, wie in den 2-3 dargestellt) zwischen dem Anschlusskörper 216 und der Abdeckung 206 gebildet. Um diese Dichtung 218 zu erzeugen, wird der Anschlusskörper 216 im Inneren der Abdeckung 206 so positioniert, dass der ringförmige Ring 214 des Anschlusskörpers 216 gegen den ringförmigen Flansch 212 der Abdeckung 206 in Anlage kommt. Die Abdeckung 206 besteht aus einem Material, das leichter verformbar ist als das Material des Anschlusskörpers 216. Beispielsweise kann die Abdeckung 206 aus Aluminium bestehen, während der Anschlusskörper 216 aus Stahl besteht. Ein Klemmelement 250 wird dann über der oberen Oberfläche des ringförmigen Flansches 212 positioniert. Wenn das Klemmelement 250 nach unten gedrückt wird, wird die obere Oberfläche des ringförmigen Flansches 212 nach innen gepresst und über die obere Oberfläche des ringförmigen Rings 214 gefaltet. Auf diese Weise wird der ringförmige Flansch 212 der Abdeckung 206 über den ringförmigen Ring 214 des Anschlusskörpers 216 gefaltet, so dass der ringförmige Flansch 212 sowohl bezüglich der oberen Oberfläche, als auch der unteren Oberfläche des ringförmigen Rings 214 zur Bildung einer Doppelclinch-Abdichtung 218 abgedichtet wird. Die Doppelclinch-Abdichtung 218 stellt eine hermetische Abdichtung dar, die verhindert, dass Fluid 228 aus dem Kanal 226 zwischen den Anschlusskörper 216 und die Abdeckung 206 in den Hohlraum 220 lecken kann.
Wie in 6E dargestellt, wird das Gehäuse 204 dann an der Vorrichtung 200 befestigt, um den Innenraum 220 vollständig abzudichten. Die untere Oberfläche des Gehäuses 204 und die obere Oberfläche der Abdeckung 206 weisen abwechselnde Zähne 252 auf, die sich um die Längsachse „a“ herum erstrecken. Zur Abdichtung der Abdeckung 206 und des Gehäuses 204 wird das Gehäuse 204 entlang der Längsachse „a“ nach unten gedrückt und die untere Oberfläche des Gehäuses 204 bildet eine Crimp-Verbindung mit der oberen Oberfläche der Abdeckung 206. Die Zähne 252 greifen ineinander und der innere Hohlraum 220 zwischen dem Gehäuse 204 und der Abdeckung 206 wird so abgedichtet.
In 7 ist eine Ausführungsform der Thermistorröhre 624 mit einem Lastflansch 654 dargestellt. Im Gegensatz zu den anderen hier dargestellten Ausführungsformen weist der obere Abschnitt der Thermistorröhre 624 im Allgemeinen einen Durchmesser „D1“ auf, der im Wesentlichen der gleiche ist, wie der Durchmesser des mittleren Abschnitts der Thermistorröhre. Geringfügig unterhalb der oberen Öffnung der Thermistorröhre 624 ist jedoch ein breiterer Lastflansch 654 (mit einem Durchmesser „D2“) ausgebildet. Der Anschlusskörper 616 verjüngt sich an seinem oberen Ende nach innen, um ausgehend von einem breiteren Innendurchmesser „D3“ einen Durchmesser auszubilden, der nur geringfügig größer als der Durchmesser D1 ist, was es dem Anschlusskörper 616 ermöglicht, sich passgenau an den oberen Abschnitt der Thermistorröhre 624 anzulegen und mit diesem verschweißt zu werden. Ein breiterer Lastflansch 654 erzeugt einen Druckhohlraum, in welchem in den Kanal 626 einströmendes Fluid eine nach oben gerichtete Kraft auf den Lastflansch 654 der Thermistorröhre 624 ausübt, so dass die Thermistorröhre 624 fester gegen den Anschlusskörper 616 gedrückt wird. Auf diese Weise reagiert der Lastflansch 654 auf einen erhöhten Druck in dem Fluidkanal 626, indem die Thermistorröhre 624 noch dichter gegen den Anschlusskörper 616 abgedichtet wird.
Wie in den 8A und 8B dargestellt, ist die Vorrichtung 200 bei einigen Ausführungsformen so konstruiert, dass mehr als ein Sensorelemente 230 enthalten ist, wobei jedes Sensorelement so kalibriert ist, dass Druck in einem anderen Bereich erfasst wird. Die Messstellen und die kalibrierten Bereiche der Sensorelemente 230 können auf einem Spannungsprofil basieren, welches die Stärke der Spannung auf den Anschlusskörper 216, die durch das Fluid 228 verursacht wird, beschreibt. Beispielsweise zeigt das Spannungsprofil in 8A eine erste Stelle „a“ im Bereich des Zentrums der Seitenwand 234 des Anschlusskörpers 216, die ein hohes Ausmaß an Belastung verglichen mit dem Rest der Seitenwand 234 erfährt. Im Gegensatz dazu zeigen Bereiche an den Seiten der Seitenwand 234 „b“ eine geringere Spannung. Folglich resultiert diese Konstruktion in einer Anordnung, bei der die Seitenwand 234 die Rolle mehrerer Membranen über Bereichen mit veränderlichem Druck wahrnehmen kann (oder die Rolle einer einzelnen Membran über Bereichen mit variierendem Druck).
Wie in 8B dargestellt, sind drei Sensorelemente 230 an der Seitenwand 234 montiert. Das erste Sensorelement 230a ist an einem ersten Ort „a“ montiert und erfährt die größte Biegung. An dem Ort „a“ kann eine kleine Änderung im Fluiddruck eine Biegung der Seitenwand 234 verursachen und so den elektrischen Widerstand des ersten Sensorelements 230a beeinflussen. Folglich wird das erste Sensorelement 230a so kalibriert, dass es auf einen engeren Druckbereich ausgelegt ist, der auf erwartete Betriebsbereiche oder kritische Werte, abhängig von dem Anwendungsfall für das zu messende Fluid 202, bezieht. Demgegenüber werden die Sensorelemente 230b, 230c zumindest teilweise über dem Ort „b“ montiert, der weniger Biegung durch den Druck des Fluids 202 erfährt. Daher können Piezowiderstände der anderen Sensorelemente 230b, 230c über diesen Bereich geringerer Biegung (für den dies im vorliegenden Fall unterstellt wird) positioniert werden. Die Sensorelemente 230b, 230c werden dann für unterschiedliche Druckbereiche kalibriert. Dies kann vorteilhaft sein, um einen breiteren Druckbereich abzudecken oder um Redundanz zusammen mit anderen Drucksensorelementen 230 herzustellen. Es ist außerdem möglich, Sensorelemente 230b, 230c an dem zweiten Ort „b“ zu verwenden, wenn ein Nutzer scharfe Sprünge beim gemessenen Druck infolge von kleinen Druckstößen, die nicht repräsentativ für den tatsächlichen Druck in der Fluidumgebung 202 sind, vermeiden will. Es sei darauf hingewiesen, dass diese Ausführungsform nur exemplarisch zu verstehen ist. In anderen Ausführungsformen können mehr oder weniger Sensorelemente 230 vorgesehen sein. In einigen Fällen können Sensorelemente 230 in Abhängigkeit von einem Spannungsprofil spezifisch positioniert und kalibriert werden. In anderen Fällen können mehrere Sensorelemente 230 auf den gleichen oder überlappende Bereiche kalibriert werden, um einfach Redundanz bereitzustellen und eine gewünschte Genauigkeit zu gewährleisten.
Wie in den 9A-9B dargestellt, kann in ähnlicher Weise in einigen Ausführungsformen die Vorrichtung 200 so konstruiert sein, dass sie mehr als ein Thermistorelement 232 umfasst, wobei jedes Thermistorelement 232 derart kalibriert ist, dass Temperatur in einem unterschiedlichen Bereich erfasst wird. Die Verwendung von mehreren Thermistorelementen 232 an mehreren Stellen entspricht der Verwendung mehrerer Sensorelemente 230, wie sie oben beschrieben wurde, abgesehen davon, dass die Thermistorelemente 232 Temperatur erfassen. Die Orte und die kalibrierten Bereiche der Thermistorelemente 232 können auf einem Temperaturprofil (vgl. 9A) bestehen, welche die Temperatur beschreibt, die von verschiedenen Abschnitten der Thermistorröhre 224 als Folge der Fluidtemperatur gefühlt werden. Beispielsweise ist in der dargestellten Ausführungsform das Thermistorelement 232c am dichtesten an der Fluidumgebung 202 positioniert (wo die Temperatur am höchsten ist) und kann so kalibriert sein, dass es auf einen spezifischen Temperaturbereich in einen erwarteten oder kritischen Betriebsbereich fokussiert ist. Demgegenüber erfährt das Thermistorelement 232a die geringste Temperaturänderung und kann so kalibriert sein, dass ein viel größerer Bereich erfasst wird oder dass Redundanz von einem Messort gewährleistet wird, der für schnelle, nicht repräsentative Änderungen der durch die Thermistorröhre 224 gefühlten Temperatur weniger anfällig ist. Entsprechend sind in einigen Fällen mehrere Thermistorelemente 232 in ähnlichen Bereichen des Temperaturprofils angeordnet, um Genauigkeit oder Redundanz zu gewährleisten.
Bezug nehmend auf 10 wird nun eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen integrierten Druck- und Temperaturerfassungsvorrichtung beschrieben, die insgesamt mit der Bezugsziffer 1000 bezeichnet ist. Im Gegensatz zu der in 2 dargestellten Ausführungsform weist die Vorrichtung 1000 einen Anschlusskörper 1016 auf, der gegenüber der Thermistorröhre 1024 versetzt ist. Stattdessen bildet die Abdeckung 1006 zwei separate Kanäle 1026, 1060 entlang der Längsachse „a“. Der untere Abschnitt der Elektronikmodulbaugruppe 1042 ist in den ersten Kanal 1060 eingesetzt, dessen unterer Bereich direkt innerhalb der Strömung „f“ des Fluids in der Fluidumgebung 1002 angeordnet ist. Der zweite Kanal 1026 ist zu der Fluidumgebung 1002 hin offen und erlaubt die Einströmung von Fluid. Ein Anschlusskörper 1016 ist innerhalb des zweiten Kanals 1026 montiert und bildet eine Doppelclinch-Abdichtung 1018 mit der Innenwand der Abdeckung 1006. Der Anschlusskörper 1016 nimmt Fluid 1028 durch den Kanal 1026 auf und leitet es an die Seitenwand 1034. Die Seitenwand 1034 fungiert als Membran, ganz ähnlich wie die anderen hier gezeigten Seitenwände 234, abgesehen davon, dass die Seitenwand 1034 entlang einer zur Längsachse „a“ senkrechten Ebene verläuft. Ein Drucksensorelement 1030 erfasst Biegungen der Seitenwand 1034 und ist mit einer (nicht dargestellten) Elektronik im oberen Abschnitt der Elektronikmodulbaugruppe 1022 verbunden. Ebenso wie bei den anderen Ausführungsformen ist eine Gehäuse 204 an der Abdeckung 1006 angebracht, um den inneren Hohlraum 1020 abzudichten. Die Vorrichtung 1000 funktioniert ähnlich wie die anderen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Technologie, abgesehen von den beschriebenen und dargestellten Unterschieden, die aus der unterschiedlichen Orientierung der Vorrichtung resultieren.
Die Erfindung betrifft auch ein Vorrichtung zur Erfassung von Druck und Temperatur in einer Fluidumgebung umfassend:

eine Abdichtung, die einen Innenraum definiert, wobei die Abdichtung in dem Innenraum einen ringförmigen Flansch umfasst; und
einen Anschlusskörper, der in dem Innenraum positioniert ist und einen äußeren ringförmigen Ring aufweist, wobei der äußere ringförmige Ring mit dem ringförmigen Flansch zur Bildung einer mechanischen Dichtung gekoppelt ist,
wobei die mechanische Dichtung den Anschlusskörper mit der Abdeckung dicht verbindet.

Vorzugsweise ist dabei die mechanische Dichtung eine Doppelclinch-Dichtung.
Die Vorrichtung umfasst vorzugsweise außerdem:

eine Thermistorröhre, die in dem Innenraum positioniert ist und einen offenen oberen Abschnitt und einen geschlossenen unteren Abschnitt aufweist; und
einen Kanal, der zwischen der Thermistorröhre und der Abdeckung gebildet wird, um Fluid aus der Fluidumgebung aufzunehmen.

Besonders bevorzugt umfasst die Vorrichtung außerdem:

eine Elektronikmodulbaugruppe mit einem unteren Ende, das innerhalb der Thermistorröhre positioniert ist und mehrere untere Elektronikkomponenten aufweist; einen zentralen Abschnitt, der sich durch den offenen oberen Abschnitt der Thermistorröhre erstreckt; und einen oberen Abschnitt, der über der Thermistorröhre angeordnet ist und mehrere obere elektronische Komponenten aufweist.

Bevorzugt weist das untere Ende der Elektronikmodulbaugruppe mehrere Thermistorelemente auf.
Die Elektronikkomponenten können am unteren Ende vorzugsweise Elektronik zur Signalaufbereitung umfassen.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung außerdem:

eine Membran, die in dem Anschlusskörper befestigt ist und eine im Wesentlichen parallel zu dem Kanal orientierte Ebene bildet, wobei die Membran so gestaltet ist, dass sie sich in Abhängigkeit von einem Druck des Fluids verbiegen kann; und
ein Drucksensorelement, das mit einer Oberfläche der Membran gekoppelt ist, um Druck in der Fluidumgebung auf Basis der Biegung der Membran zu erfassen.

Für den Fachmann auf dem einschlägigen technischen Gebiet ist ersichtlich, dass die Funktionen mehrerer Elemente bei alternativen Ausführungsformen durch weniger Elemente oder ein einzelnes Element verwirklicht werden können. Entsprechend können bei einigen Ausführungsformen beliebige funktionale Elemente weniger oder andere Aufgaben als die in Bezug auf die dargestellten Ausführungsformen beschriebenen Aufgaben ausführen.
Darüber hinaus können funktionale Elemente (beispielsweise Elektronik, Drucksensorelemente, Temperatursensorelemente und Ähnliches), die zum Zwecke der Veranschaulichung als Einzelelemente dargestellt sind, bei einer speziellen Implementierung der Erfindung in anderen funktionalen Elementen integriert sein.
Während die erfindungsgemäße Technologie hier unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, wird der Fachmann leicht erkennen, dass verschiedenste Abwandlungen und/oder Modifikationen der erfindungsgemäßen Technologie durchgeführt werden können, ohne vom Geist oder Umfang der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise kann jeder der beigefügten Patentansprüche von einem beliebigen oder allen Ansprüchen in mehrfach abhängiger Weise abhängen, obwohl dies ursprünglich nicht so beansprucht wurde.

Claims

Vorrichtung zur Erfassung von Druck und Temperatur in einer Fluidumgebung umfassend: eine Abdeckung, die einen Innenraum definiert, wobei die Abdeckung innerhalb des Innenraums einen ringförmigen Flansch umfasst; einen Anschlusskörper mit einem äußeren ringförmigen Ring, der mit dem ringförmigen Flansch zur Bildung einer Doppelclinch-Dichtung verbunden ist; und Innenwänden, die eine Thermistorröhre umgeben, um einen Kanal zur Aufnahme von Fluid aus der Fluidumgebung zu bilden, wobei sich der Kanal im Wesentlichen parallel zu einer Längsachse erstreckt; wenigstens eine Membran, die in dem Anschlusskörper entlang einer im Wesentlichen parallel zur Längsachse verlaufenden Ebene befestigt ist, wobei jede der Membranen wenigstens ein Drucksensorelement aufweist, das mit einer distal zum Kanal befindlichen Oberfläche gekoppelt ist; und eine Elektronikmodulbaugruppe, die ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweist, wobei das erste Ende über der Thermistorröhre entlang der Längsachse positioniert ist und mehrere Elektronikkomponenten aufweist, und wobei das zweite Ende innerhalb der Thermistorröhre positioniert ist und mehrere Thermistorelemente aufweist, die elektrisch mit den Elektronikkomponenten verbunden sind, wobei: die Thermistorelemente jeweils so kalibriert sind, dass sie Temperatur jeweils in einem unterschiedlichen vorgegebenen Bereich erfassen; die Drucksensorelemente jeweils kalibriert sind, dass sie Druck innerhalb eines unterschiedlichen vorgegebenen Bereichs erfassen und gegenüber der Elektronikmodulbaugruppe versetzt angeordnet sind; und die Doppelclinch-Dichtung den Anschlusskörper mit der Abdeckung hermetisch dicht verbindet.
Vorrichtung zur Erfassung von Druck und Temperatur in einer Fluidumgebung umfassend: eine Abdeckung, die einen Innenraum definiert; eine Thermistorröhre, die sich zumindest teilweise in dem Innenraum befindet, wobei sich die Thermistorröhre im Wesentlichen entlang einer Längsachse erstreckt; einen Anschlusskörper, der wenigstens teilweise in dem Innenraum angeordnet ist, wobei der Anschlusskörper einen sich entlang der Längsachse erstreckenden Kanal zur Aufnahme von Fluid aus der Fluidumgebung bildet; und eine erste Membran, die innerhalb des Anschlusskörpers befestigt ist und eine erste Oberfläche, welche dem Fluid in dem Kanal ausgesetzt ist, und eine gegenüber dem Kanal abgedichtete zweite Oberfläche aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei die Thermistorröhre gegenüber dem Anschlusskörper versetzt ist und der Anschlusskörper mit der Abdeckung über eine Doppelclinch-Dichtung dicht verbunden ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei der Anschlusskörper Innenwände aufweist, welche die Thermistorröhre bezüglich einer Längsachse umgeben; und der Kanal zwischen dem Anschlusskörper und der Thermistorröhre gebildet wird, wobei die erste Membran eine im Wesentlichen parallel zu der Längsachse orientierte Ebene bildet.
Vorrichtung gemäß Anspruch 2, die außerdem ein erstes Drucksensorelement umfasst, das mit der zweiten Oberfläche der ersten Membran gekoppelt ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 2, die außerdem ein zweites Drucksensorelement umfasst, das mit der zweiten Oberfläche der ersten Membran gekoppelt ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 5, welche außerdem umfasst: eine zweite Membran, die in dem Anschlusskörper befestigt ist und sich im Wesentlichen parallel zu der Längsachse erstreckt, wobei die zweite Membran eine erste Oberfläche, die dem Fluid in dem Kanal ausgesetzt ist, und eine gegenüber dem Kanal abgedichtete zweite Oberfläche aufweist; und ein zweites Drucksensorelement, das mit der zweiten Oberfläche der zweiten Membran gekoppelt ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 7, wobei die Drucksensorelemente so kalibriert sind, dass sie jeweils Druck in einem unterschiedlichen vorgegebenen Bereich erfassen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 4, wobei die Thermistorröhre einen Last tragenden Flansch umfasst, der sich über den Kanal erstreckt, um einen oberen Abschnitt des Anschlusskörpers zu kontaktieren.
Vorrichtung gemäß Anspruch 2, welche außerdem umfasst: eine Elektronikmodulbaugruppe, die sich im Wesentlichen entlang der Längsachse erstreckt, wobei die Elektronikmodulbaugruppe ein unteres Ende aufweist, das innerhalb der Thermistorröhre positioniert und mit einem Thermistorelement gekoppelt ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 10, wobei die Elektronikmodulbaugruppe wenigstens ein weiteres unteres Thermistorelement umfasst, das mit dem unteren Ende der Elektronikmodulbaugruppe innerhalb der Thermistorröhre gekoppelt ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 11, wobei jedes zusätzliche untere Thermistorelement so kalibriert ist, dass es Temperatur in einem unterschiedlichen vorgegebenen Bereich erfasst.
Vorrichtung gemäß Anspruch 10, wobei die Elektronikmodulbaugruppe ein oberes Ende umfasst, das über der Thermistorröhre entlang der Längsachse positioniert ist, wobei das obere Ende mehrere Elektronikkomponenten aufweist.