DE102022118333B4

DE102022118333B4 - Verfahren zum Zusammenbauen einer Drucksensoranordnung und Drucksensoranordnung

Info

Publication number: DE102022118333B4
Application number: DE102022118333.5A
Authority: DE
Inventors: Mohamed Benslimane
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 2022-07-21
Filing date: 2022-07-21
Publication date: 2024-04-18
Anticipated expiration: 2042-07-22
Also published as: DE102022118333A1; US20240027293A1; CN117433692A

Abstract

Verfahren zum Zusammenbauen einer Drucksensoranordnung, wobei die Drucksensoranordnung ein Gehäuse (1) mit einer Sensorkammer (11) und einem Druckverbinder (12) mit einer Fluideinlassöffnung (13) und einem Fluidkanal (14), eine Unterbaugruppe (2) mit einem elektrischen Verbinder (21) und einem Druckerfassungselement (22) und eine vorgeformte Harzkomponente (3) mit einem Loch (31) und einer eingebetteten Trägerstruktur umfasst, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
Positionieren der vorgeformten Harzkomponente (3) an dem Druckverbinder (12), sodass die Fluideinlassöffnung (13) und das Loch (31) miteinander kommunizieren,
Drücken der Unterbaugruppe (2) gegen die vorgeformte Harzkomponente (3), sodass das Druckerfassungselement (22) mit dem Loch (31) kommuniziert,
Befestigen des Gehäuses (1) an die Unterbaugruppe (2), und
Härten der Harzkomponente (3), um eine hermetische Verbindung zwischen dem Druckverbinder (12) und dem Druckerfassungselement (22) zu erzeugen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zusammenbauen einer Drucksensoranordnung, insbesondere einer hermetischen Drucksensoranordnung. Die Drucksensoranordnung umfasst ein Gehäuse mit einer Sensorkammer und einem Druckverbinder mit einer Fluideinlassöffnung und einem Fluidkanal, eine Unterbaugruppe mit einem elektrischen Verbinder und einem Druckerfassungselement und eine vorgeformte Harzkomponente mit einem Loch und einer eingebetteten Trägerstruktur. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

Positionieren der vorgeformten Harzkomponente an dem Druckverbinder, sodass die Fluideinlassöffnung und das Loch miteinander kommunizieren,
Drücken der Unterbaugruppe gegen die vorgeformte Harzkomponente, sodass das Druckerfassungselement mit dem Loch kommuniziert,
Befestigen des Gehäuses an die Unterbaugruppe, und
Härten der Harzkomponente, um eine hermetische Verbindung zwischen dem Druckverbinder und dem Druckerfassungselement zu erzeugen.

Die Erfindung ist auch auf eine Drucksensoranordnung ausgerichtet, umfassend ein Gehäuse mit einer Sensorkammer und einem Druckverbinder mit einer Fluideinlassöffnung und einem Fluidkanal, eine Unterbaugruppe mit einem elektrischen Verbinder und einem Druckerfassungselement und eine vorgeformte Harzkomponente mit einem Loch, das zwischen der Unterbaugruppe und dem Druckverbinder bereitgestellt ist, wobei die Drucksensoranordnung durch das zuvor beschriebene Verfahren zusammengebaut wird.
Drucksensoranordnungen werden zum Messen von Drücken von Fluiden verwendet. Die Drucksensoranordnungen können in verschiedenen Anwendungen wie etwa Chemie- oder Herstellungsprozessen verwendet werden. Typischerweise wird die Drucksensoranordnung durch einen Hersteller zusammengebaut und einem Benutzer bereitgestellt. Die Drucksensoranordnung wird dann durch den Benutzer bei einem gegebenen Prozess verwendet. Die Anordnung liefert eine Fluidverbindung zwischen einer Erfassungseinheit und einem Fluid, dessen Druck gemessen werden soll. Die Anordnung wandelt den Fluiddruck in elektrische Signale um. Elektrische Verbinder sind zur elektrischen Versorgung und Ausgabe von Sensorsignalen bereitgestellt.
Die Drucksensoranordnungen müssen zuverlässige Druckmessungen über längere Zeiträume bereitstellen. Um dieses Ziel zu erreichen, werden die Drucksensoranordnungen zu einem hohen Niveau hergestellt und zusammengebaut. Leckagen und andere Fehlfunktionen der Drucksensoranordnungen können somit so weitestgehend vermieden werden.
Aus dem Dokument des Stands der Technik US 6,945,120 B1 ist eine Rückseiten-MEMS-Drucksensoranordnung bekannt, die ein Gehäuse, einen Verbinder und eine Sensorerfassungseinheit umfasst. Die Kombination aus Erfassungseinheit und Verbinder wird mit dem Gehäuse verbunden, indem Klebstoff in das Gehäuse abgegeben wird und die Erfassungseinheit und der Verbinder in das Gehäuse montiert werden. Innerhalb des Gehäuses bestimmen Spaltmerkmale des Gehäuses die Klebstoffhöhe. Nach dem Härten des Klebstoffs wird das Gehäuse auf den Verbinder gecrimpt und durch Auftragen und Härten des Klebstoffs im Crimpbereich abgedichtet.
Aus der Druckschrift US 2018 / 0 182 796 A1 ist ferner ein Drucksensorsystem mit einer ersten elektrisch isolierenden Schichtstruktur bekannt, bei dem eine Sensorsteuerung in einer zweiten elektrisch isolierende Schichtstruktur eingebettet ist. Zwischen der ersten elektrisch isolierenden Schichtstruktur und der zweiten elektrisch isolierenden Schichtstruktur kann eine elektrisch leitfähige Schicht eines Bauteilträgers eingefügt sein, um elektrische Verbindungen zwischen einer Sensoreinheit und einer Steuereinheit oder mit anderen im Bauteilträger eingebetteten elektrischen Komponenten herzustellen. Des Weiteren kann zwischen der ersten elektrisch leitfähigen Schicht und der elektrisch isolierenden Schichtstruktur eine weitere Schicht aus einem Low-Flow-Prepreg angeordnet sein. Auf der zweiten elektrisch isolierenden Schichtstruktur und insbesondere auf einer oberen elektrisch leitenden Schicht kann eine weitere Schicht angeordnet sein. Insbesondere besteht die weitere Schicht aus einem fließarmen Prepreg. Durch die Verwendung des Low-Flow-Prepregs wird das Risiko des Aufsteigens des Low-Flow-Prepregs bis zum Einbau der Sensoreinheit, wie z.B. der Kameralinse, während des Herstellungsprozesses reduziert.
Um die Zusammenbaukosten niedrig zu halten, ist es bekannt, solche Anordnungen durch Zusammenbauen mehrerer vorgefertigter Unterbaugruppen, wie etwa Druckgehäuse und/oder Verbinder, herzustellen.
Ein Problem, das sich aus diesem bekannten Verfahren ergibt, besteht darin, dass sie ziemlich komplizierte Zusammenbauschritte erfordern und daher hohe Zusammenbaukosten verursachen. Falls außerdem ein Klebstoff im Gehäuse und/oder z. B. an einem Träger verwendet wird, sind spezielle Anordnungen erforderlich, um eine vorbestimmte Spalt- oder Klebstoffdicke zu gewährleisten. Das Verwenden von Klebstoffen wie etwa RTV-Klebstoffen und/oder O-Ring-Dichtungen liefern nur beschränkte Hermetizität aufgrund von Durchlässigkeitseigenschaften dieser Materialien, insbesondere bezüglich brennbarer Gase.
Ein Ziel der Erfindung liegt darin, ein verbessertes Zusammenbauverfahren für eine Drucksensoranordnung und eine verbesserte Drucksensoranordnung bereitzustellen, die dieses Problem überwinden und Zusammenbaukosten durch das Vereinfachen des Zusammenbauverfahrens reduzieren.
Dieses Ziel wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Drucksensoranordnung nach Anspruch 9 erreicht. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Nach Anspruch 1 ist ein Verfahren zum Zusammenbauen einer Drucksensoranordnung bereitgestellt. Die Drucksensoranordnung umfasst ein Gehäuse mit einer Sensorkammer und einem Druckverbinder mit einer Fluideinlassöffnung und einem Fluidkanal, eine Unterbaugruppe mit einem elektrischen Verbinder und einem Druckerfassungselement und eine vorgeformte Harzkomponente mit einem Loch und einer eingebetteten Trägerstruktur. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

Die hermetische Verbindung zwischen dem Druckverbinder und dem Druckerfassungselement gewährleistet, dass kein Fluid in das Gehäusevolumen außerhalb des Druckerfassungselements eindringen kann.
Die Fluideinlassöffnung des Druckverbinders und das Loch der vorgeformte Harzkomponente können miteinander in dem Sinne kommunizieren, dass sie miteinander ausgerichtet sind, und ein einheitlicher Fluiddruck kann im Loch und in der Fluideinlassöffnung vorhanden sein. Dass das Druckerfassungselement mit dem Loch kommuniziert, bezieht sich auch auf einen einheitlichen Fluiddruck im Loch und an einem Teil des Druckerfassungselements.
Das Gehäuse kann ein Kammervolumen begrenzen, um das Druckerfassungselement und/oder einen Teil des elektrischen Verbinders unterzubringen. Das Volumen innerhalb des Gehäuses kann die Sensorkammer sein.
Der elektrische Verbinder kann elektrische Leitungen für sowohl die Leistungsversorgung zu dem Druckerfassungselement als auch die Ausgangssignallieferung vom Erfassungselement zu der externen Umgebung umfassen. Der Verbinder kann für Steck- oder Kabelverbindungen bereitgestellt sein, und kann vorzugsweise aus elektrisch isolierenden Polymermaterialien hergestellt sein.
Die Verbindung zwischen dem Druckerfassungselement und dem elektrischen Verbinder, die die erste Unterbaugruppe bilden, kann direkt zwischen einer ersten PCB und den Leitungen des elektrischen Verbinders sein, z. B. durch verlötete Drähte oder flexible Leiterplatten. Alternativ können Stiftverbinder zwischen der ersten PCB und einer zweiten PCB, die an den Leitungen des elektrischen Verbinders angebracht ist, verwendet werden. Elastische Teile an beiden axialen Enden der Stiftverbinder können in entsprechende Öffnungen der ersten und zweiten PCB gedrückt werden.
Wenn die vorgeformte Harzkomponente am Druckverbinder positioniert wird, können die beiden Komponenten in nahen und direkten Kontakt miteinander gebracht werden. Die vorgeformte Harzkomponente kann am Druckverbinder zusammen mit der Unterbaugruppe oder vor der Positionierung der Unterbaugruppe positioniert werden.
Wenn die Unterbaugruppe gegen die vorgeformte Harzkomponente gedrückt wird, muss gewährleistet werden, dass das Druckerfassungselement mit dem Loch kommuniziert. Das Druckerfassungselement oder, genauer gesagt, ein Sensor des Druckerfassungselements muss das Fluid kontaktieren, um seinen Druck zu bestimmen. Daher liefert die Anordnung eine Fluidverbindung zwischen dem Druckerfassungselement und der Außenseite der Anordnung, die dem gemessenen Fluid exponiert ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die vorgeformte Harzkomponente ein wärmehärtbares Epoxidharzmaterial, und/oder die eingebettete Trägerstruktur ist eine eingebettete Glasgewebe-Trägerstruktur. Die Trägerstruktur gewährleistet, dass die vorgeformte Harzkomponente nicht zu stark zusammengedrückt wird, wenn die Unterbaugruppe gegen die vorgeformte Harzkomponente gedrückt wird. Das wärmehärtbare Epoxidharzmaterial ermöglicht ein kontrollierbares Härten der vorgeformten Harzkomponente, sobald alle erforderlichen Komponenten vor dem Härtungsschritt zusammengebaut sind.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Druckerfassungselement einen Druckerfassungssensor wie etwa einen MEMS-Drucksensor, einen Dünnfilm-Dehnungsmessstreifen-Sensor auf einer flexiblen Metall- oder Keramikmembran und/oder einen kapazitiven Sensor.
Das Druckerfassungselement kann einen rückseitig exponierten MEMS-Drucksensor-Die umfassen. Andere Druckerfassungssensoren, z. B. Dünnfilm-Dehnungsmessstreifen-Sensoren auf flexiblen Metall- oder Keramikmembranen oder kapazitive Sensoren können jedoch mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zusammengebaut werden.
Das Druckerfassungselement kann als eine dritte Unterbaugruppe angesehen werden, die vorzugsweise ein MEMS-Element umfasst, z. B. einen Silizium-Drucksensorchip, der mit seiner Rückseite auf einer Glasstütze montiert ist. Der Chip und/oder die Glasstütze können an einer ersten Endfläche eines Keramikträgerelements zum Temperaturschutz und Spannungsabbau mit einem ersten Klebstoff befestigt sein. Die erste PCB kann auch an der ersten Endfläche des Keramikträgers fixiert, z. B. geklebt, werden. Die erste PCB kann eine zentrale Öffnung zum Unterbringen der Sensorchips und der Glasstütze umfassen. Die erste PCB kann elektronische Komponenten z. B. für Temperaturkompensation, Kalibrierung, und andere Signalverarbeitungsschaltungen umfassen. Drahtbindungen können verwendet werden, um den Sensorchip elektrisch mit der ersten PCB zu verbinden. Das Druckerfassungselement kann in seinem Unterbaugruppenzustand oder in einem späteren Zustand bei der Herstellung der Drucksensoranordnung kalibriert und temperaturkompensiert werden.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die vorgeformte Harzkomponente am Druckverbinder zusammen mit der oder ohne die Unterbaugruppe positioniert. Es ist denkbar, zuerst die vorgeformte Harzkomponente mit der Unterbaugruppe zu verbinden und nur dann die vorgeformte Harzkomponente zusammen mit der Unterbaugruppe am Druckverbinder zu positionieren.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der elektrische Verbinder mit dem Druckerfassungselement verbunden, um die Unterbaugruppe zu bilden, bevor die Unterbaugruppe gegen die vorgeformte Harzkomponente gedrückt wird. Alle erforderlichen Schritte zum Bilden der funktionierenden Unterbaugruppe, wie etwa Verbinden und/oder Prüfen der Teilkomponenten der Unterbaugruppe, können vor dem Zusammenbau der gesamten Drucksensoranordnung durchgeführt werden, wodurch die Herstellung der Unterbaugruppe erleichtert wird.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Gehäuse an den elektrischen Verbinder der Unterbaugruppe gecrimpt, während die Unterbaugruppe gegen die vorgeformte Harzkomponente gedrückt wird. Das Crimpen des Gehäuses an den elektrischen Verbinder kann die einzige Verbindung zwischen den beiden Komponenten sein. Dies bedeutet, dass möglicherweise kein zusätzliches Kleben oder keine andere Verbindung zwischen den beiden Komponenten erforderlich ist.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Temperaturkompensation und/oder Kalibrierung des Druckerfassungselements während des Härtens der Harzkomponente durchgeführt. Da die gewünschten Kompensationstemperaturen innerhalb des notwendigen Temperaturbereichs zum Härten des Epoxidmaterials liegen, können die Kompensation und/oder Kalibrierung des Druckerfassungselements zur gleichen Zeit wie das Härten durchgeführt werden, wodurch die Gesamtzeit reduziert wird, die für den Zusammenbau der Drucksensoranordnung benötigt wird. Hier werden Prozesse wie etwa Kompensation und/oder Kalibrierung als Teil des Zusammenbauprozesses angesehen.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Verbinderelement mit dem Druckverbinder verbunden. Das Verbinderelement kann die Innenseite des Gehäuses fluidisch mit einem Fluidsystem verbinden, in dem ein Fluiddruck durch die Drucksensoranordnung gemessen wird. Diese Verbindung kann durch ein Gewindeverbindungselement und/oder ein rohrförmiges Element, z. B. ein verlötetes Rohr, mit beliebigen geeigneten Abmessungen durchgeführt werden. Das Gehäuse und/oder das Verbinderelement können aus einem beliebigen geeigneten Metallmaterial gebildet sein. Sie können als ein integraler Teil oder als separate Teile, die mittels geeigneter Verfahren wie etwa Schweißen oder Löten miteinander befestigt sind, ausgebildet sein.
Die Erfindung ist auch auf eine Drucksensoranordnung ausgerichtet, umfassend ein Gehäuse mit einer Sensorkammer und einem Druckverbinder mit einer Fluideinlassöffnung und einem Fluidkanal, eine Unterbaugruppe mit einem elektrischen Verbinder und einem Druckerfassungselement und eine vorgeformte Harzkomponente mit einem Loch, das zwischen der Unterbaugruppe und dem Druckverbinder bereitgestellt ist. Die Drucksensoranordnung wird durch das vorliegend beschriebene Verfahren zusammengebaut. Die Drucksensoranordnung kann beliebige der physischen Merkmale umfassen, die mit Bezug auf das Zusammenbauverfahren beschrieben sind.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind mit Bezug auf die Figuren beschrieben. Die Figuren zeigen:

1: eine vollständige Sensoranordnung;
2: ein Gehäuse, das einen Druckverbinder und ein Verbinderelement beinhaltet;
3: einen elektrischen Verbinder;
4: ein Druckerfassungselement;
5: eine erste Unterbaugruppe;
6a: ein Gehäuse mit einer montierten Vorform;
6b: ein Gehäuse mit einer anderen (größeren) montierten Vorform;
7a: eine Vorform, kreisförmige Form;
7b: eine Vorform, quadratische Form; und
8: einen Vorformquerschnitt, ungehärteter und gehärteter Zustand.

1 zeigt eine Schnittansicht einer Ausführungsform einer Drucksensoranordnung, die vollständig zusammengebaut gemäß dem vorliegend beschriebenen Zusammenbauverfahren wurde. Die Drucksensoranordnung umfasst ein Gehäuse 1 mit einer Sensorkammer 11. Die Sensorkammer 11 kann ein vorzugsweise zumindest teilweise zylindrischer Raum sein, der zumindest teilweise durch Wände des Gehäuses 1 begrenzt ist.
Die Drucksensoranordnung umfasst ferner einen Druckverbinder 12 mit einer Fluideinlassöffnung 13 und einem Fluidkanal 14. Eine Unterbaugruppe 2 ist mit einem elektrischen Verbinder 21 und einem Druckerfassungselement 22 ausgestattet. Der Druckverbinder 12 und das Gehäuse 1 können integral ausgebildet sein oder können durch zwei verbundene Komponenten gebildet werden. Ein Keramikträger 24 kann Teil des Druckerfassungselements 22 sein.
Eine vorgeformte Harzkomponente 3 mit einem Loch 31 und einer eingebetteten Trägerstruktur ist zwischen dem Druckverbinder 12 und dem Druckerfassungselement 22 bereitgestellt. Der Keramikträger 24 des Druckerfassungselements 22 kann in direktem Kontakt mit der vorgeformten Harzkomponente 3 stehen. Die vorgeformte Harzkomponente 3 ist ein relativ dünner folienartiger Teil, der in einem Querschnitt gezeigt ist und in 1 kaum sichtbar ist. Er wird in den 6a bis 7b ausführlicher gezeigt.
Das Verfahren zum Zusammenbauen der Drucksensoranordnung umfasst die folgenden Schritte:

Positionieren der vorgeformten Harzkomponente 3 an dem Druckverbinder 12, sodass die Fluideinlassöffnung 13 des Druckverbinders 12 und das Loch 31 der vorgeformten Harzkomponente 3 miteinander kommunizieren,
Drücken der Unterbaugruppe 2 gegen die vorgeformte Harzkomponente 3, sodass das Druckerfassungselement 22 mit dem Loch 31 kommuniziert,
Befestigen des Gehäuses 1 an die Unterbaugruppe 2, und
Härten der Harzkomponente 3, um eine hermetische Verbindung zwischen dem Druckverbinder 12 und dem Druckerfassungselement 22 zu erzeugen.

Der elektrische Verbinder 21 und das Druckerfassungselement 22 können als die erste Unterbaugruppe 2 angesehen werden. Die Drucksensoranordnung kann unterschiedliche Unterbaugruppen umfassen, die jeweils mindestens zwei Teilkomponenten umfassen, die vor dem Zusammenbau der gesamten Drucksensoranordnung zusammengebaut werden könnten.
Das Gehäuse 1, das z. B. den Druckverbinder 12 umfasst, kann als eine zweite Unterbaugruppe angesehen werden, die ein Kammervolumen begrenzt, um das Druckerfassungselement 22 und/oder zumindest einen Teil des elektrischen Verbinders 21 unterzubringen. Der elektrische Verbinder 21 kann mit dem Druckerfassungselement 22 verbunden ein, um die erste Unterbaugruppe 2 zu bilden, bevor die Unterbaugruppe 2 gegen die vorgeformte Harzkomponente 3 gedrückt wird. Alle erforderlichen Schritte zum Bilden der funktionierenden Unterbaugruppe 2, wie etwa Verbinden und/oder Prüfen der Teilkomponenten der Unterbaugruppe 2, können vor dem Zusammenbau der gesamten Drucksensoranordnung durchgeführt werden, wodurch die Herstellung der Unterbaugruppe 2 und der gesamten Drucksensoranordnung erleichtert wird.
Die Verbindung zwischen der ersten Unterbaugruppe 2 und dem Gehäuse 1 kann durch Auftragen einer Epoxidfilm-Vorform auf eine untere Oberfläche oder eine innere untere Oberfläche der Sensorkammer 11 bereitgestellt werden. Die vorgeformte Harzkomponente 3, die vorliegend als Vorform 3 bezeichnet werden kann, umfasst ein Loch 31 wie etwa eine zentrale Öffnung, die konzentrisch mit dem Fluidkanal 14 des Druckverbinders 12 angeordnet sein kann. Entsprechende Kanäle können im Keramikträger 24, einer Glasstütze 25 des Druckerfassungselements 22 und/oder anderen Komponenten der Drucksensoranordnung ausgebildet sein, um eine Fluidverbindung zwischen dem Fluidkanal 14 im Gehäuse 1 und der Rückseite eines Druckerfassungssensors 23 wie etwa eines Sensorchips zu ermöglichen.
Die vorgeformte Harzkomponente 3 kann ein wärmehärtbares Epoxidharzmaterial umfassen. Vor dem Härten kann die vorgeformte Harzkomponente 3 flexibel sein. Die eingebettete Trägerstruktur der vorgeformten Harzkomponente 3 kann eine eingebettete Glasgewebe-Trägerstruktur sein. Die Trägerstruktur gewährleistet, dass die vorgeformte Harzkomponente 3 nicht zu stark zusammengedrückt wird, wenn die Unterbaugruppe 2 gegen die vorgeformte Harzkomponente 3 gedrückt wird. Die vorgeformte Harzkomponente 3 kann daher leichter an einer gewünschten Stelle während des Drückens und/oder Härtens gehalten werden. Das wärmehärtbare Epoxidharzmaterial ermöglicht ein kontrollierbares Härten der vorgeformten Harzkomponente 3, sobald alle erforderlichen Komponenten vor dem Härtungsschritt zusammengebaut sind. Die vorgeformte Harzkomponente 3 kann aus z. B. Filmblättern gestanzt oder geschnitten, z. B. lasergeschnitten, werden. Bei Raumtemperatur kann die vorgeformte Harzkomponente 3 nicht haftend und leicht zu handhaben sein.
Wenn die vorgeformte Harzkomponente 3 am Druckverbinder 12 positioniert wird, können die beiden Komponenten in nahen und direkten Kontakt miteinander gebracht werden. Die vorgeformte Harzkomponente 3 kann am Druckverbinder 12 zusammen mit der Unterbaugruppe 2 oder vor der Positionierung der Unterbaugruppe 2 positioniert werden. Es ist daher denkbar, zuerst die vorgeformte Harzkomponente 3 mit der Unterbaugruppe 2 zu verbinden und nur dann die vorgeformte Harzkomponente 3 zusammen mit der Unterbaugruppe 2 am Druckverbinder 12 zu positionieren.
Sobald die Vorform 3 an der inneren unteren Oberfläche der Sensorkammer 11, d. h. am Druckverbinder 12, angeordnet ist und die erste Unterbaugruppe 2 zumindest teilweise in die Kammer 11 eingeführt ist, bis eine zweite Endfläche des Keramikträgers 24 gegenüber seiner ersten Endfläche an der Vorform 3 anliegt, wird ein Endabschnitt der Gehäusewand radial nach innen auf eine Oberfläche und/oder eine Kante des elektrischen Verbinders 21 gecrimpt. Das Crimpen kann bei oder nahe dem breitesten Teil des elektrischen Verbinders 21 stattfinden, wobei der breiteste Teil des elektrischen Verbinders 21 innerhalb des Gehäuses 1 positioniert ist. Der Crimpprozess wird durchgeführt, während die erste Unterbaugruppe 2 axial in Richtung der Unterseite des Gehäuses 1 gedrückt wird, sodass die Vorform 3 durch die Presskraft vorgespannt wird.
Wenn die Unterbaugruppe 2 gegen die vorgeformte Harzkomponente 3 gedrückt wird, muss gewährleistet werden, dass das Druckerfassungselement 22 mit dem Loch 31 der vorgeformten Harzkomponente 3 kommuniziert. Das Druckerfassungselement 22 muss das Fluid, das außerhalb der Drucksensoranordnung vorhanden ist, über Fluidkanäle kontaktieren, um seinen Druck zu bestimmen. Eine entsprechende Fluidverbindung zwischen dem Druckerfassungselement 22 und der Außenseite der Anordnung, die dem gemessenen Fluid exponiert ist, ist daher bereitgestellt.
In einem letzten Schritt wird die Drucksensoranordnung einem kontrollierten Temperaturprofil zum Härten der Vorform 3 exponiert. Während des Härtens wird das Material der Vorform 3 weich. Die auf die Vorform 3 aufgebrachte Vorspannkraft drückt die Vorform 3 und gewährleistet eine gute Befeuchtung des Materials der Vorform 3 an beiden Oberflächen, die die benachbarten Komponenten kontaktieren. Die eingebettete Trägerstruktur der Vorform 3 gewährleistet eine Mindesthöhe der finalen resultierenden Klebeschicht, die durch die gehärtete Vorform 3 gebildet wird. Sobald die Temperatur zu einer normalen Betriebstemperatur gesenkt wird, festigt sich die Vorform 3 liefert eine Klebeverbindung zwischen den angrenzenden Komponenten.
Während des Härtens der Vorform 3 können eine Temperaturkompensation und/oder Kalibrierung des Druckerfassungselements 22 durchgeführt werden. Da die gewünschten Kompensationstemperaturen innerhalb des notwendigen Temperaturbereichs zum Härten des Vorformmaterials liegen, können die Kompensation und/oder Kalibrierung des Druckerfassungselements 22 zur gleichen Zeit wie das Härten durchgeführt werden, wodurch die Gesamtzeit reduziert wird, die für den Zusammenbau der Drucksensoranordnung benötigt wird. Hier werden Prozesse wie etwa Kompensation und/oder Kalibrierung als Teil des Zusammenbauprozesses angesehen.
Die Erfindung ist auch auf eine Drucksensoranordnung ausgerichtet, die mit dem vorliegend beschriebenen Verfahren zusammengebaut wird. Die Drucksensoranordnung umfasst das Gehäuse 1 mit seiner Sensorkammer 11 und dem Druckverbinder 12 mit seiner Fluideinlassöffnung 13 und dem Fluidkanal 14, die Unterbaugruppe 2 mit ihrem elektrischen Verbinder 21 und dem Druckerfassungselement 22 und die vorgeformte Harzkomponente 3 mit ihrem Loch 31, das zwischen der Unterbaugruppe 2 und dem Druckverbinder 12 bereitgestellt ist. Die Drucksensoranordnung kann beliebige der physischen Merkmale umfassen, die mit Bezug auf das Zusammenbauverfahren beschrieben sind.
2 zeigt eine Schnittansicht des Gehäuses 1, des Druckverbinders 12 und eines Verbinderelements 4. Die in 2 gezeigten Komponenten können die zweite Unterbaugruppe bilden, die während des Zusammenbauverfahrens verwendet wird.
Das Verbinderelement 4 kann ein Rohr oder ein beliebiger anderer Druckverbinder und/oder Einlass sein, der aus dem Stand der Technik bekannt ist, der z. B. an den Druckverbinder 12 gelötet ist. Das Verbinderelement 4 kann die Innenseite des Gehäuses 1, d. h. die Sensorkammer 11, fluidisch mit einem Fluidsystem verbinden, in dem ein Fluiddruck durch die Drucksensoranordnung gemessen wird. Die Verbindung zwischen dem Verbinderelement 4 und dem Druckverbinder 12 kann ein Gewindeverbinderelement 4 und/oder ein rohrförmiges Element, z. B. ein verlötetes Rohr, mit beliebigen geeigneten Abmessungen umfassen. Das Gehäuse 1 und/oder das Verbinderelement 4 können aus Metallmaterialen gebildet sein. Sie können als separate Teile, die mittels geeigneter Verfahren wie etwa Schweißen oder Löten miteinander befestigt werden, ausgebildet sein. Alternativ können sie als ein integrales Teil ausgebildet sein, vorzugsweise wobei das Verbinderelement 4 andere Formen als eine rein rohrförmige Form aufweisen kann, z. B. einen Gewindeabschnitt zur Verbindung der Drucksensoranordnung mit einem Fluidsystem umfassend, dessen Fluiddruck gemessen werden muss.
Der Druckverbinder 12 kann einen zylindrischen Vertiefungsteil 15 umfassen, der konzentrisch bezüglich eines Außenumfangs des Gehäuses 1 angeordnet sein kann. Der zylindrische Vertiefungsteil 15 kann zum Bereitstellen einer Verbindung zwischen dem Druckverbinder 12 und dem Verbinderelement 4 verwendet werden. Der zylindrische Vertiefungsteil 15 kann konzentrisch mit der Fluideinlassöffnung 13 ausgerichtet sein.
3 zeigt eine detaillierte Ansicht des elektrischen Verbinders 21. Der elektrische Verbinder 21 kann elektrische Leitungen 211 für sowohl die Leistungsversorgung zu dem Druckerfassungselement 22, das ausführlicher in 4 gezeigt ist, als auch die Ausgangssignallieferung vom Druckerfassungselement 22 zu der externen Umgebung der Drucksensoranordnung umfassen. Der elektrische Verbinder 21 kann für Steck- und/oder Kabelverbindungen bereitgestellt sein, und/oder kann vorzugsweise aus elektrisch isolierenden Polymermaterialien hergestellt sein.
Der elektrische Verbinder 21 kann eine zweite PCB 212 umfassen, die an einer Seite mit den elektrischen Leitungen 211 verbunden sein kann. An der anderen Seite der zweiten PCB 212 können Stifte 213 bereitgestellt sein. Die Stifte 213 können Teile mit unterschiedlichen Elastizitäten umfassen. Die Stifte 213 können Presspassungsverbindungen zwischen dem elektrischen Verbinder 21 und anderen Komponenten bereitstellen. Die Stifte 213 und/oder die elektrischen Leitungen 211 können als elektrische Verbinder zwischen der zweiten PCB 212 und anderen elektrischen Komponenten fungieren. Ein O-Ring 214 kann ein einer externen Nut des elektrischen Verbinders 21 bereitgestellt sein. Der O-Ring 214 und seine Nut können an einem zylindrischen Teil des elektrisch Verbinders 21 mit dem breitesten Durchmesser des gesamten elektrischen Verbinders 21 bereitgestellt sein.
4 zeigt das Druckerfassungselement 22 ausführlicher. Das Druckerfassungselement 22 umfasst Stiftlöcher 221 zum Einsetzen der Stifte 213 des elektrischen Verbinders 21, in 3 gezeigt. Ein Druckerfassungssensor 23 wie etwa ein MEMS-Chip, insbesondere ein rückseitig exponierter MEMS-Sensor-Die, ein Dünnfilm-Dehnungsmessstreifen-Sensor auf einer flexiblen Metall- oder Keramikmembran und/oder ein kapazitiver Sensor können in einem vorzugsweise zentralen Teil des Druckerfassungselements 22 bereitgestellt sein. Die Glasstütze 25 oder eine beliebige andere geeignete Stützstruktur stützt den Druckerfassungssensor 23.
Der Druckerfassungssensor 23, die Glasstütze 25 und der Keramikträger 24 können koaxial bezüglich zueinander ausgerichtet sein. Die Glasstütze 25 und der Keramikträger 24 können zentrale Fluidkanäle umfassen, die sich in eine axiale Richtung des Druckerfassungselements 22 erstrecken und/oder eine Seite des Druckerfassungssensors 23 mit der Außenseite der Drucksensoranordnung fluidisch verbinden. Es kann andere zusätzliche Fluidkanäle geben, die vom Keramikträger 24 in Richtung einer Öffnung zu der Außenseite der Drucksensoranordnung führen.
Die axiale Richtung des Druckerfassungselements 22 und der Drucksensoranordnung im Allgemeinen kann der Richtung entsprechen, in die die Komponenten der Drucksensoranordnung zusammengebaut werden, und insbesondere, in die die Unterbaugruppe 2 gegen die vorgeformte Harzkomponente 3, gezeigt in 1, gedrückt wird. Sie ist die vertikale Richtung in 4. Die radiale Richtung Kanne senkrecht zu der axialen Richtung sein.
Das Druckerfassungselement 22 kann eine erste PCB 222 umfassen, die mit der zweiten PCB 212 des elektrischen Verbinders 21, in 3 gezeigt, verbindbar sein kann. Die Verbindung zwischen den beiden PCBs kann die in 3 gezeigt Stifte 213 umfassen. Die Glasstütze 25 kann über eine erste Klebeschicht 26 mit dem Keramikträger 24 verbunden sein. Die erste PCB 222 kann über eine zweite Klebeschicht 27 mit dem Keramikträger 24 verbunden sein. Die beiden Klebeschichten 26, 27 können koplanar und/oder konzentrisch bezüglich zueinander angeordnet sein. Der Druckerfassungssensor 23 kann zumindest teilweise oder vollständig radial innerhalb der ersten PCB 222 bereitgestellt sein.
Das Druckerfassungselement 22 kann als eine dritte Unterbaugruppe angesehen werden, die vorzugsweise ein MEMS-Element umfasst, z. B. einen Silizium-Drucksensorchip 23, der mit seiner Rückseite auf der Glasstütze 25 montiert ist. Der Sensorchip 23 und/oder die Glasstütze 25 können an einer ersten Endfläche des Keramikträgerelements 24 zum Temperaturschutz und Spannungsabbau mit einem Klebstoff befestigt sein. Die erste PCB 222 kann auch an der ersten Endfläche des Keramikträgers 24 fixiert, z. B. geklebt, werden. Die erste PCB 222 kann eine zentrale Öffnung zum Unterbringen der Sensorchips 23 und der Glasstütze 25 umfassen. Die erste PCB 222 kann elektronische Komponenten z. B. zur Temperaturkompensation, Kalibrierung und andere Signalverarbeitungsschaltungen umfassen. Drahtbindungen können verwendet werden, um den Sensorchip 23 elektrisch mit der ersten PCB 222 zu verbinden. Das Druckerfassungselement 22 kann in seinem Unterbaugruppenzustand, in 4 gezeigt, d. h. vor dem Zusammenbau der Drucksensoranordnung, oder in einem späteren Zustand bei der Herstellung der Drucksensoranordnung kalibriert und temperaturkompensiert werden.
5 zeigt eine detaillierte Schnittansicht der ersten Unterbaugruppe 2, die den elektrischen Verbinder 21 und das Druckerfassungselement 22 umfasst. Das Druckerfassungselement 22 ist über die Stifte 213 mit dem elektrischen Verbinder 21 verbunden. Das Druckerfassungselement 22 kann an die Stifte 213 pressgepasst werden. Die Stifte 213 können einen Anschlag 215 zum Anliegen an dem Druckerfassungselement 22 umfassen. Der Keramikträger 24 ist die unterste Komponente der Unterbaugruppe 2. Der Keramikträger 24 kann die einzige Komponente der Unterbaugruppe 2 sein, die sich in direktem Kontakt mit der vorgeformten Harzkomponente 3 befindet, in den 1, 6a und 6b gezeigt.
Die Verbindung zwischen dem Druckerfassungselement 22 und dem elektrischen Verbinder 21, die die erste Unterbaugruppe 2 bilden, kann direkt zwischen der ersten PCB 222 und den Leitungen 211 des elektrischen Verbinders 21 sein, z. B. durch verlötete Drähte oder flexible Leiterplatten. Alternativ, wie in 5 gezeigt, können Stiftverbinder oder Stifte 213 zwischen der ersten PCB 222 und der zweiten PCB 212, die an die Leitungen 211 des elektrischen Verbinders 21 angebracht ist, verwendet werden. Elastische Teile an beiden axialen Enden der Stiftverbinder oder Stifte 213 können in entsprechende Öffnungen oder Stiftlöcher 221 der ersten und zweiten PCB 222, 212, in 4 gezeigt, gedrückt werden.
Die 6a und 6b zeigen zwei Ausführungsformen des Gehäuses 1 mit montierten Vorformen 3. Die Vorform 3 der Ausführungsform von 6a ist im Wesentlichen kleiner als die in 6b gezeigte Vorform 3. Der Durchmesser der Vorform 3 von 6a kann weniger als 50 % und vorzugsweise weniger als 30 % des Außendurchmessers des Gehäuses 1 betragen. Die Größe und Form der Vorform 3 können so ausgewählt werden, dass ein ausreichender Kontaktbereich zwischen dem Keramikträger 24, gezeigt in 4, und dem Druckverbinder 12 zur mechanischen Stabilität bei dem Zusammenbau und zum Erreichen einer zweckmäßigen Bindung hergestellt wird. Der Außendurchmesser der Vorform 3 kann mehr als 30 % des Außendurchmessers des Keramikträgers 24 betragen und/oder kann die gesamte obere Innenseite des Druckverbinders 12 in der Ausführungsform von 6b abdecken.
Der Durchmesser der Vorform 3, gezeigt in 6b, kann größer als 50 % und vorzugsweise mehr als 75 % des Außendurchmessers des Gehäuses 1 betragen. Die Vorform 3 kann die gesamte obere Innenseite des Druckverbinders 12 in der Ausführungsform von 6b abdecken.
Die Vorform 3 kann an das Gehäuse 1 oder genauer gesagt an eine nach oben zeigende Fläche des Druckverbinders 12 vor dem Einsatz der Unterbaugruppe 2 in das Gehäuse 1, d. h., bevor die Unterbaugruppe 2 gegen die Vorform 3 gedrückt wird, angebracht werden.
Die 7a und 7b zeigen unterschiedliche Ausführungsformen der Vorform 3 mit übertriebener Dicke, um Trägerstrukturen innerhalb der Vorformen 3 zu veranschaulichen. In 7a weist die Vorform 3 eine kreisförmige Form auf. Genauer gesagt ist die Vorform 3 als eine hohle zylindrische Struktur geformt. Die Vorform 3 kann eine Folie mit einer Dicke sein, die viel kleiner, d. h. um mindestens eine Größenordnung, als ihre anderen Abmessungen ist. Eine Trägerstruktur ist innerhalb der Vorform 3 gezeigt. Die Trägerstruktur kann Faserelemente umfassen. Die Faserelemente können gewoben sein, um eine strukturelle Stütze für die Vorform 3 bereitzustellen.
7b zeigt eine quadratisch geformte Vorform 3 mit ähnlichen Faserelementen, die als eine Trägerstruktur fungieren. Beide Ausführungsformen der 7a und 7b umfassen ein kreisförmiges Loch 31, das einen Fluiddurchgang zwischen dem Druckerfassungselement 22 und der Außenseite der Drucksensoranordnung, wie in 1 gezeigt, bereitstellt.
8 zeigt Querschnittsansichten der Vorform 3. Fasern sind in eine Matrix eingetaucht gezeigt, die z. B. aus einem wärmehärtbaren Epoxidmaterial hergestellt ist. Das Epoxidmaterial kann ein Harzmaterial sein, das hermetische Eigenschaften bezüglich des zu messenden Fluids aufweist, insbesondere brennbare und halbbrennbare Gase. Das ausgewählte Epoxid- oder Harzmaterial kann eine sehr geringe Durchlässigkeit gegenüber spezifischen Fluiden aufweisen. Das ausgewählte Epoxidharzmaterial kann verschiedene Arten von Epoxiden, Cyanatester, Bismaleimide, Polyimide und/oder ähnliche Materialien mit geringer Durchlässigkeit für die Medien oder das Fluid in Frage umfassen.
Das obere Bild zeigt die Vorform 3 in ihrem ungehärteten Zustand, wobei das untere Bild die Vorform 3 in ihrem gehärteten Zustand zeigt. Im gehärteten Zustand ist die Dicke der Vorform 3 im Vergleich zu ihrem ungehärteten Zustand reduziert. Ferner ist im gehärteten Zustand weniger Matrixmaterial bei einer gegebenen Querschnittsfläche der Vorform 3 vorhanden. Das Matrixmaterial wurde gegen die Unterbaugruppe 2 und den Druckverbinder 12 gedrückt, sodass ein ausreichend großer Kontaktflächenbereich zwischen der Unterbaugruppe 2 und dem Druckverbinder 12 an der einen Seite und der Vorform 3 an der anderen Seite bereitgestellt wird, ohne dass das vorzugsweise kreisförmige Loch 31 verstopft wird.
Die vorliegend beschriebenen Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen können auf eine beliebige geeignete Weise innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung kombiniert werden.

Claims

Verfahren zum Zusammenbauen einer Drucksensoranordnung, wobei die Drucksensoranordnung ein Gehäuse (1) mit einer Sensorkammer (11) und einem Druckverbinder (12) mit einer Fluideinlassöffnung (13) und einem Fluidkanal (14), eine Unterbaugruppe (2) mit einem elektrischen Verbinder (21) und einem Druckerfassungselement (22) und eine vorgeformte Harzkomponente (3) mit einem Loch (31) und einer eingebetteten Trägerstruktur umfasst, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Positionieren der vorgeformten Harzkomponente (3) an dem Druckverbinder (12), sodass die Fluideinlassöffnung (13) und das Loch (31) miteinander kommunizieren, Drücken der Unterbaugruppe (2) gegen die vorgeformte Harzkomponente (3), sodass das Druckerfassungselement (22) mit dem Loch (31) kommuniziert, Befestigen des Gehäuses (1) an die Unterbaugruppe (2), und Härten der Harzkomponente (3), um eine hermetische Verbindung zwischen dem Druckverbinder (12) und dem Druckerfassungselement (22) zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgeformte Harzkomponente (3) ein wärmehärtbares Epoxidharzmaterial umfasst und/oder die eingebettete Trägerstruktur eine eingebettete Glasgewebe-Trägerstruktur ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckerfassungselement (22) einen Druckerfassungssensor (23) wie etwa einen MEMS-Drucksensor, einen Dünnfilm-Dehnungsmessstreifen-Sensor auf einer flexiblen Metall- oder Keramikmembran und/oder einen kapazitiven Sensor umfasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgeformte Harzkomponente (3) am Druckverbinder (12) zusammen mit der oder ohne die Unterbaugruppe (2) positioniert wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Verbinder (21) mit dem Druckerfassungselement (22) verbunden wird, um die Unterbaugruppe (2) zu bilden, bevor die Unterbaugruppe (2) gegen die vorgeformte Harzkomponente (3) gedrückt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) an den elektrischen Verbinder (21) der Unterbaugruppe (2) gecrimpt wird, während die Unterbaugruppe (2) gegen die vorgeformte Harzkomponente (3) gedrückt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturkompensation und/oder Kalibrierung des Druckerfassungselements (22) während des Härtens der Harzkomponente (3) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verbinderelement (4) mit dem Druckverbinder (12) verbunden ist.
Drucksensoranordnung, umfassend ein Gehäuse (1) mit einer Sensorkammer (11) und einem Druckverbinder (12) mit einer Fluideinlassöffnung (13) und einem Fluidkanal (14), eine Unterbaugruppe (2) mit einem elektrischen Verbinder (21) und einem Druckerfassungselement (22) und eine vorgeformte Harzkomponente (3) mit einem Loch (31) und einer eingebetteten Trägerstruktur, die zwischen der Unterbaugruppe (2) und dem Druckverbinder (12) bereitgestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Drucksensoranordnung durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zusammengebaut wird.