DE102022211978A1

DE102022211978A1 - Drucksensor zur Erfassung eines Drucks eines fluiden Mediums

Info

Publication number: DE102022211978A1
Application number: DE102022211978.9A
Authority: DE
Inventors: Alexander Lux; Peter Albrecht; Christian Hauer; Marius BORRAS
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-11-11
Filing date: 2022-11-11
Publication date: 2024-05-16

Abstract

Es wird ein Drucksensor (10) zur Erfassung eines Drucks eines fluiden Mediums vorgeschlagen. Der Drucksensor (10) umfasst ein Drucksensormodul (12) mit einem Trägerelement (14) und einem Drucksensorelement (16), wobei das Drucksensorelement (16) auf dem Trägerelement (14) angeordnet ist, einen Druckanschluss (35), wobei der Druckanschluss (35) eine Längsachse (36) definiert, wobei der Druckanschluss (35) eine Fluidkammer (38) aufweist, eine Membran (50), wobei die Membran (50) mit dem Druckanschluss (35) an einem medienseitigen Ende (44) verbunden ist. Die Fluidkammer (38) ist durch das Trägerelement (14), den Druckanschluss (35) und die Membran (50) begrenzt, wobei die Fluidkammer (38) mit einem inkompressiblen Fluid (52) gefüllt ist, wobei das Drucksensorelement (16) in der Fluidkammer (38) angeordnet ist. Das Drucksensormodul (12) ist mit dem Druckanschluss (35) formschlüssig verbunden, oder das Drucksensormodul (12) ist mit dem Druckanschluss (35) verschweißt, wobei das Trägerelement (14) eine Öffnung (20) aufweist, wobei die Öffnung (20) mittels eines Verschlusskörpers (22) verschlossen ist.

Description

Stand der Technik
In verschiedenen Bereichen der Technik, wie beispielsweise den Naturwissenschaften oder der Medizintechnik, müssen eine oder mehrere Eigenschaften fluider Medien erfasst werden. Hierbei kann es sich grundsätzlich um beliebige physikalische und/oder chemische Eigenschaften der fluiden Medien, also der Gase und/oder Flüssigkeiten, handeln, wie beispielsweise Temperatur, Druck, Strömungseigenschaften oder Ähnliches. Ein wichtiges Beispiel, auf welches die vorliegende Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, ist die Erfassung eines Drucks des fluiden Mediums. Drucksensoren sind beispielsweise aus Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 2. Auflage, 2012, Seiten 134-136 bekannt.
Dabei sind aus diversen Anwendungen Drucksensoren bekannt, bei denen das Drucksensorelement, beispielsweise ein Sensorchip auf Siliziumbasis, vor dem zu erfassenden fluiden Medium durch eine sogenannte Ölvorlage geschützt wird. Als Beispiel kann hierbei auf DE 10 2017 213 129 A1 , EP 2 831 555 B1 , WO 02/066948 A1 oder US 5.222.397 A verwiesen werden. Das Drucksensorelement ist in einer Kammer, im Folgenden auch als Gehäuse bezeichnet, eingeschlossen und dort von der Ölvorlage umgeben. Das Gehäuse ist in der Regel durch eine Membran gegenüber dem fluiden Medium abgegrenzt, welche auch als Ölmembran bezeichnet wird. Ein Druck des fluiden Mediums wird über eine Verformung der Membran an die Ölvorlage weitergegeben. Der Druck in der Ölvorlage wird dann von dem Drucksensorelement erfasst.
Ein Vorteil einer solchen Ölvorlage besteht unter anderem darin, dass die Membran das Drucksensorelement schützt, beispielsweise vor korrodierenden Einflüssen des fluiden Mediums oder vor Ablagerungen, die sich im Laufe des Gebrauchs auf dem Drucksensorelement ablagern könnten und so ein Signal des Drucksensorelements beeinflussen könnten, so dass beispielsweise Messfehler auftreten könnten.
Trotz der durch diese Drucksensoren bewirkten Verbesserungen besteht nach wie vor ein Optimierungspotenzial bekannter Drucksensoren. Drücke im Niederdruckbereich von Vakuum bis < 10 bar in Kraftfahrzeugapplikationen werden mittels mikromechanischen Druckaufnehmern erfasst. Diese werden in unterschiedlichen Sensormodulen verbaut. Grundsätzlich gibt es dabei 2 Varianten der Aufbau- und Verbindungstechnik.
Zum einen wird ein mikromechanischer Relativdruckaufnehmer (MEMS) auf Glassockel zur mechanischen Entkopplung auf einen Kovar-Träger gelötet). Bei diesem Aufbaukonzept wird der Messdruck auf die MEMS Rückseite angelegt. Das Sensormodul kann an den Druckstutzen bzw. Druckanschluss angeschweißt werden. Diese Verbindungstechnik ist sehr robust, jedoch ist durch mechanische Spannungen ist die Genauigkeit oder Toleranz des Drucksignals limitiert. Der Relativdruck-MEMS kann nur mittels zusätzlichem Aufwand als Absolutdrucksensor verwendet werden, die Sensormembran kann bei mechanischer Überbelastung bersten, so dass eine Leckage ins Messmedium nach außen droht.
Zum anderen wird ein mikromechanische Druckaufnehmer (MEMS) ohne Glassockel zur mechanischen Entkopplung mit einem elastischen Silikonklebstoff in das Modulgehäuse geklebt (bare die). Mit dieser Technologie sind höhere Genauigkeiten oder geringere Sensortoleranzen zu erreichen. Bei der Verwendung von Porsi-Chips ist eine Überdruckfestigkeit gegeben, es besteht kein Risiko von Leckage durch Bersten. Jedoch werden diese Sensormodule mittels einer Klebung mit dem Sensorgehäuse bzw. Druckstutzen verbunden. Diese Klebeverbindung hat eine geringere Robustheit gegenüber Medien und mechanischer Belastung als eine vollmetallische, geschweißte Ausführung.
Die Befüllung des Sensors mit Öl und der Verschluss der Ölkammer sind die Hauptherausforderungen bei Ölvorlage Sensoren. Beide Aspekte Beeinflussen das Design, die Kosten, den Fertigungsprozess. Die Befüllung und der Verschluss müssen so stattfinden, dass keine Luft in der Ölkammer eingeschlossen wird. Wenn im Öl sich Luftblasen bilden, ist das Öl nicht mehr inkompressibel und der Druck kann nicht eins zu eins zum Sensorelement übertragen werden. Darüber hinaus muss der Verschluss der Ölkammer so dicht sein, dass über Lebensdauer und Betriebstemperaturen keine Luft in der Ölkammer reinkommt.
Es sind folgende Befüllung und Verschluss Methoden bekannt. Der Sensor wird vor der Befüllung in einer Vakuumkammer platziert. Die Luft aus der leeren Ölkammer wird evakuiert. Die Ölkammer des Sensors wird mit vorevakuiertem Öl befüllt. Die mit Öl befüllten Kammer wird mit einer eingepressten Stahlkugel dicht verschlossen. Alternativ wird die mit Öl befüllte Kammer mit einem speziellen Verguss dicht verschlossen, verstemmt oder zugelötet bzw. zugeschweißt. Alternativ wird die mit Öl befüllte Kammer zugeschweißt. In diesem Fall hat die Kammer keinen Befüllkanal. Der Nachteil ist, dass schweißen unter Öl recht anspruchsvoll ist.
Offenbarung der Erfindung
Es wird dementsprechend ein Drucksensor zur Erfassung eines Drucks eines fluiden Mediums vorgeschlagen, welcher die Nachteile bekannter Drucksensoren zumindest weitgehend vermeidet und eine öldichte Verbindung über die Lebensdauer zu gewährleistet. Optional soll der Drucksensor ohne Verwendung eines zusätzlichen Verschlusskörpers mit einem inkompressiblen Fluid, wie beispielsweise Öl, befüllbar sein.
Der vorgeschlagene Drucksensor umfasst ein Drucksensormodul mit einem Trägerelement und einem Drucksensorelement. Das Drucksensorelement ist auf dem Trägerelement angeordnet. Der vorgeschlagene Drucksensor umfasst weiterhin einen Druckanschluss. Der Druckanschluss definiert eine Längsachse.
Der Druckanschluss weist eine Fluidkammer auf. Der vorgeschlagene Drucksensor umfasst weiterhin eine Membran. Die Membran ist mit dem Druckanschluss an einem medienseitigen Ende verbunden. Die Fluidkammer ist durch das Trägerelement, den Druckanschluss und die Membran begrenzt. Die Fluidkammer ist mit einem inkompressiblen Fluid gefüllt. Das Drucksensorelement ist in der Fluidkammer angeordnet. Das Drucksensormodul ist mit dem Druckanschluss formschlüssig verbunden ist. Beispielsweise ist das Drucksensormodul mit dem Druckanschluss verschraubt. Dadurch wird ein öldichter Verschluss realisiert. Es wird kein Verschlusskörper benötigt, was eine aufwändige Einpressung einer Verschlusskugel mit Kraft- und Wegüberwachung vermeidet, und erlaubt, den Druckanschluss kleiner bzw. kürzer zu gestalten. Die Verschraubung kann mit einer Drehmomentüberwachung gebildet werden, um Beschädigungen zu vermeiden. Außerdem erlaubt das Design eine vereinfachte Befüllung.
Alternativ ist das Drucksensormodul mit dem Druckanschluss verschweißt. Dabei weist das Trägerelement eine Öffnung auf. Die Öffnung ist mittels eines Verschlusskörpers verschlossen. In dieser Konfiguration kann das Drucksensorelement, wie beispielsweise ein MEMS, ohne zusätzliche Verspannungen geklebt werden (bare die). Dadurch werden hohe Genauigkeiten und geringe Toleranzen erreicht. Es können alle vorhandene Sensorelemente (MEMS) ohne Glassockel eingesetzt werden. Das Risiko von Leckagen durch geborstene MEMS-Membranen wird vermieden. Das Sensormodul wird gegenüber dem aktuellem TO-Zellen-Design mit Druckanschlussröhrchen an der Unterseite ohne Gehäusekappe über Kopf direkt an den Druckstutzen geschweißt. Das Sensormodul kann elektrisch mit einer im Sensorgehäuse darüberliegenden Leiterplatte kontaktiert werden.
Das Drucksensormodul kann eingerichtet sein, um ein Signal zu erzeugen, insbesondere mindestens ein elektrisches Signal, wobei das Signal eine Korrelation zum Druck des fluiden Mediums aufweisen kann. Das Sensormodul kann mindestens einen elektrischen Anschluss zur elektrischen Kontaktierung des Drucksensorelements aufweisen.
Das Drucksensorelement kann mit dem Trägerelement stoffschlüssig verbunden sein. Insbesondere kann das Drucksensorelement mit dem Trägerelement verklebt sein. Dieser Aufbau, mit geklebten Sensorelementen (MEMS), ermöglicht außerdem eine größere Variabilität bzgl. des eingesetzten metallischen Trägermaterials. Kovar ist nicht zwingend notwendig. So kann ein mikromechanischer Druckaufnehmer (MEMS) ohne Glassockel zur mechanischen Entkopplung mit einem elastischen Silikonklebstoff in das Modulgehäuse geklebt werden (bare die). Mit dieser Technologie sind höhere Genauigkeiten und geringere Sensortoleranzen zu erreichen. Bei der Verwendung von Porsi-Chips ist eine Überdruckfestigkeit gegeben, es besteht kein Risiko von Leckage durch Bersten. Porsi-Chips sind durch poröses Silizium hergestellte MEMS-Chips, bei denen kein Glassockel für den Absolutdrucksensor notwendig ist.
Das Trägerelement kann an einem radial oder seitlich äußeren Ende mit dem Druckanschluss verschweißt sein. Dadurch wird eine dauerhaft stabile Verbindung zwischen Trägerelement und Druckanschluss realisiert.
Der Verschlusskörper kann eine Kugel oder eine Vergussmasse sein. Dadurch wird ein gegenüber dem Fluid in der Fluidkammer befindlichen Fluid dichte Verschluss realisiert.
Das Trägerelement kann mit dem Druckanschluss verschraubt sein. Dies erlaubt eine einfache Befüllung der Fluidkammer mit anschließendem Verschluss ohne separaten Verschlusskörper.
Das Trägerelement kann ein Außengewinde aufweisen. Der Druckanschluss kann ein Innengewinde aufweisen. Das Außengewinde kann in das Innengewinde eingreifen. Dadurch kann eine Schraubverbindung mit Selbsthemmung realisiert werden.
Das Außengewinde kann an einem radial oder seitlich äußeren Ende des Trägerelements angeordnet sein. Dadurch kann beim Verschrauben das überflüssige Fluid herausgedrückt werden und das ganze Volumen der Fluidkammer mit Fluid befüllt werden.
Das Trägerelement kann einen ersten Dichtkonus aufweisen. Der Druckanschluss kann einen zweiten Dichtkonus aufweisen. Der erste Dichtkonus kann den zweiten Dichtkonus berühren. Insbesondere kann der erste Dichtkonus auf den zweiten Dichtkonus auf den zweiten Dichtkonus gepresst sein.
Damit wird eine dichte Verbindung zwischen Trägerelement und Druckanschluss realisiert.
Der erste Dichtkonus kann näher zu einer der Fluidkammer zugewandten Seite des Trägerelements angeordnet sein als das Außengewinde. Damit wird eine besonders dichte Verbindung zwischen Trägerelement und Druckanschluss realisiert.
Das Drucksensormodul kann weiterhin einen Kontaktstift aufweisen. Der Kontaktstift kann das Trägerelement in einer Richtung im Wesentlichen parallel zu der Längsachse des Druckanschlusses durchdringen. Dadurch ist eine axiale Kontaktierung möglich, was Bauraum einspart.
Der Kontaktstift kann teilweise in einem Glaskörper angeordnet sein. Der Glaskörper kann in einer Glaskörperöffnung des Trägerelements angeordnet sein. Dadurch wird eine Abdichtung geschaffen.
Das inkompressible Fluid kann ein Öl sein. Entsprechend kann dann die Fluidkammer mit Öl gefüllt sein. Öl hat den Vorteil, dass es kostengünstig, langlebig und inkompressibel ist.
Unter einem „Drucksensormodul zur Bestimmung eines Druckes eines fluiden Mediums“ kann im Sinne der vorliegenden Erfindung eine beliebige Vorrichtung zur Erfassung mindestens einer Messgröße verstanden werden, welche einen Druck eines fluiden Mediums quantifiziert. Insbesondere kann das Sensormodul mindestens ein elektrisches Messsignal erzeugen, beispielsweise eine elektrische Spannung und/oder einen elektrischen Strom, wobei das elektrische Messsignal eine Korrelation zu dem zu messenden Druck des fluiden Mediums aufweist.
Unter einem „Druck“ kann im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere ein Partialdruck und/oder ein Absolutdruck und/oder eine Druckdifferenz und/oder ein Druckprofil und/oder eine Druckentwicklung, beispielsweise als Funktion der Zeit, verstanden werden. Insbesondere kann es sich um eine Druckdifferenz zwischen einem Druck p₁, beispielsweise einem Umgebungsdruck, und einem anderen Druck p₂, beispielsweise einem Referenzdruck des Drucksensorelements, handeln.
Unter einem „fluiden Medium“ kann im Sinne der vorliegenden Erfindung ein Stoff in einem fluiden, insbesondere gasförmigen und/oder flüssigen, Zustand verstanden werden. Das fluide Medium kann als Reinstoff oder als Stoffgemisch vorliegen. So kann das fluide Medium beispielsweise ein beliebiges gasförmiges Stoffgemisch, beispielsweise Luft, insbesondere Umgebungsluft, umfassen.
Unter einem „Gehäuse“ kann im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere ein beliebig geformtes Bauteil zur vollständigen oder teilweisen Aufnahme eines oder mehrerer Elemente verstanden werden, wobei das mindestens eine aufgenommene Element insbesondere in mindestens einem Innenraum des Gehäuses aufgenommen sein kann. Insbesondere kann unter einem Gehäuse ein beliebig geformtes Bauteil zur Abgrenzung eines oder mehrerer von dem Gehäuse umschlossener Elemente von der Umgebung verstanden werden. Das Gehäuse kann beispielsweise eingerichtet sein, um eine mechanische Stabilität, einen mechanischen Schutz und/oder einen Schutz gegenüber Umwelteinflüssen bereitzustellen. Das Gehäuse kann im vorliegenden Fall beispielsweise mindestens ein Material umfassen, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: einem Kunststoff, einem Metall, einer Metalllegierung, einer Keramik.
Unter einem „Fluidkammer“ kann im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere ein beliebiger Raum verstanden werden, welcher zumindest gegenüber einem Außenraum oder einer Umgebung abgegrenzt ist. Insbesondere kann im vorliegenden Fall der Innenraum beispielsweise zumindest teilweise von dem fluiden Medium oder einem Messraum, in welchem das fluide Medium aufgenommen ist, abgegrenzt sein. Beispielsweise kann der Fluidraum ganz oder teilweise mit einem sich von dem fluiden Medium unterscheidenden inkompressiblen Fluid gefüllt sein. Insbesondere kann der Innenraum ein beliebiger Raum sein, in welchem mindestens ein Druck des fluiden Mediums herrscht, welcher von der Vorrichtung erfasst wird.
Unter einem „Drucksensorelement“ kann im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere ein Element verstanden werden, welches zur Erfassung eines Druckes eingerichtet ist, beispielsweise eines Absolut- und/oder eines Differenzdrucks. Beispielsweise kann das Drucksensorelement mindestens einen Sensorchip umfassen, insbesondere um einen Siliziumchip, mittels dessen ein Druck erfassbar ist. Insbesondere kann es sich bei dem Drucksensorelement um einen mikromechanischen Membransensor handeln, welcher eine dünne Membran aufweist, beispielsweise eine Membran mit einer Dicke von 10 µm bis 500 µm, welche einseitig dem Druck eines Fluids, beispielsweise dem Druck des fluiden Mediums, ausgesetzt ist und sich unter diesem Einfluss durchbiegt und/oder verformt. Die Dicke der Membran ist dabei lediglich exemplarisch angegeben und kann beispielsweise von dem zu messenden Druck abhängen und kann an die technologischen Möglichkeiten angepasst werden. Auch andere Drucksensorelemente können alternativ oder zusätzlich eingesetzt werden. Bevorzugt ist das Drucksensorelement ein Mikrosystem.
Unter einem „Mikrosystem“ kann im Sinne der vorliegenden Erfindung ein miniaturisiertes Gerät, eine Baugruppe oder ein Bauteil verstanden werden, dessen Komponenten kleinste Abmessungen im Bereich von 1 Mikrometer haben und als System zusammenwirken. Üblicherweise besteht ein solches Mikrosystem aus einem oder mehreren Sensoren, Aktoren und einer Steuerungselektronik auf einem Substrat bzw. Chip. Dabei bewegt sich die Größe der einzelnen Komponenten im Bereich von wenigen Mikrometern. Bei dem Mikrosystem kann es sich insbesondere um ein mikroelektromechanisches System (MEMS - microelectromechanical system) handeln.
Unter einem „inkompressiblen Fluid“ kann im Sinne der vorliegenden Erfindung eine beliebige, inkompressible Flüssigkeit und/oder ein Gel verstanden werden, welche eingerichtet sind, um ein Drucksensorelement vor äußeren Einflüssen zu schützen. Insbesondere kann das Schutzfluid zum Schutz des Drucksensorelements vor korrodierenden Einflüssen und Ablagerungen eingerichtet sein. Beispielsweise kann es sich bei dem Schutzfluid um ein Gel oder ein zähes Fluid handeln, insbesondere um ein Öl. Weiterhin kann das Schutzfluid auch eingerichtet sein, um einen Druck auf das Drucksensorelement zu übertragen, so dass das Fluid auch als Drucküberträger dienen kann. Zu diesem Zweck kann das Fluid, wie oben ausgeführt, insbesondere im Wesentlichen inkompressibel sein.
Unter einem „Trägerelement“ kann im Sinne der vorliegenden Erfindung ein beliebiges Bauteil verstanden werden, das zum Abschluss oder Verschluss der Fluidkammer mit dem inkompressiblen Schutzfluid dient. Das Trägerelement ist dabei insbesondere zum Tragen eines Schaltungsträgers und des Drucksensorelements ausgebildet. Der Schaltungsträger befindet sich dabei oberhalb oder außerhalb des inkompressiblen Schutzfluids. Beispielsweise ist der Schaltungsträger auf der der Fluidkammer abgewandten Seite des Trägerelements angeordnet. Die Kontaktierung mit dem Drucksensorelement erfolgt dann über einen oder mehrere Kontaktstifte.
Unter einem „Schaltungsträger“ kann im Sinne der vorliegenden Erfindung ein beliebiges Bauteil verstanden werden, das nach speziellen Verfahren aufgebrachte metallische Leiterbahnen für elektronische bzw. mechatronische Baugruppen trägt. Der Schaltungsträger ist bevorzugt aus einem schweißbaren Material, wie beispielsweise Metall, hergestellt. Vorzugsweise ist der Schaltungsträger ein flaches Bauteil und beispielsweise als eine Leiterplatte ausgebildet oder weist eine Leiterplatte auf. Auf einem solchen Schaltungsträger ist das Drucksensorelement angeordnet und insbesondere befestigt. Die Befestigung kann insbesondere mittels eines Klebstoffs realisiert sein, wie beispielsweise eines Silikonklebstoffs.
Unter einem „Druckanschluss“ kann im Sinne der vorliegenden Erfindung ein beliebiges Bauteil verstanden werden, das zum Anschließen des Drucksensors an einem anderen Gegenstand eingerichtet ist, in dem sich das fluide Medium befindet, dessen Druck zu erfassen ist. Bei dem Druckanschluss kann es sich insbesondere um einen Druckstutzen handeln. Ein Stutzen ist dabei ein kurzes rohrförmiges Bauteil.
Unter einem „Dichtkonus“ kann im Sinne der vorliegenden Erfindung eine konusförmige bzw. kegelförmige Fläche eines Bauteils verstanden werden, die zum Abdichten mit einer anderen konusförmigen Fläche zusammenwirkt.
Unter „Kovar“ kann im Sinne der vorliegenden Erfindung Legierungen der Firma CRS Holdings inc. verstanden werden, die einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, typischerweise etwa 5 ppm/K, der damit geringer als der Koeffizient typischer Metalle ist. Eine typische Zusammensetzung ist 54 % Eisen, 29 % Nickel und 17 % Cobalt (Angaben in Massenprozent). Einige technische Keramiken (z. B. Aluminiumoxid Al₂O₃, Aluminiumnitrid AIN) und Halbleitermaterialien haben Wärmeausdehnungskoeffizienten in gleicher Größenordnung. Im Bereich der Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik wird deshalb Kovar als Gehäusewerkstoff oder als Submount eingesetzt. Submounts liegen zwischen dem eigentlichen Trägermaterial und Material mit meistens deutlich größerem Ausdehnungskoeffizienten (Sandwichprinzip). Das Kovar-Submount dient also als ausgleichendes Element, welches die durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der anderen Materialien verursachten thermomechanischen Spannungen aufnimmt bzw. verringert. Grundsätzlich eignet sich jede Stahl mit sehr geringer Wärmeausdehnung bevorzugt max. 5 ppm. Der Vorteil des Konzeptes besteht u.a. aber auch darin, dass kein Kovar eingesetzt werden muss. Das ausgleichende Element ist die Kombination Klebstoff und Silizium unterhalb der Sensormembran
Kurze Beschreibung der Figuren
Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
Es zeigen:

1 eine Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Drucksensors zur Bestimmung eines Drucks eines fluiden Mediums; und
2A und 2B eine Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Drucksensors zur Bestimmung eines Drucks eines fluiden Mediums.

Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Drucksensors 10 zur Bestimmung eines Drucks eines fluiden Mediums. Der Drucksensor 10 weist ein Drucksensormodul 12 auf. Das Drucksensormodul 12 weist ein Trägerelement 14 und ein Drucksensorelement 16 auf. Bei dem Trägerelement 14 handelt es sich um einen Träger aus einem schweißbaren Material. Beispielsweise ist das Trägerelement 14 aus Metall oder Stahl hergestellt. Das Drucksensorelement 16 ist ein Mikrosystem, wie beispielsweise ein MEMS. Das Drucksensorelement 16 ist auf dem Trägerelement 14 angeordnet. So ist das Drucksensorelement 16 mit dem Trägerelement 14 stoffschlüssig verbunden. Beispielseise ist das Drucksensorelement 16 auf das Trägerelement 14 mittels eines Klebstoffs 18 geklebt, wie beispielsweise mittels eines Silikonklebstoffs.
Das Trägerelement 14 weist eine Öffnung 20 auf. Die Öffnung 20 ist mittels eines Verschlusskörpers 22 verschlossen. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Verschlusskörper 22 eine Kugel. Die Kugel bzw. der Verschlusskörper 22 ist in die Öffnung 20 eingepresst. Alternativ kann der Verschlusskörper 22 eine Vergussmasse sein.
Das Drucksensormodul 12 weist weiterhin mindestens einen Kontaktstift 24 auf. Der Kontaktstift 24 durchdringt das Trägerelement 14 in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zu einer Vorderseite 26 oder Rückseite 28 des Trägerelements 14. Der Kontaktstift 24 ist dabei teilweise in einem Glaskörper 30 angeordnet. Der Glaskörper 30 ist in einer Glaskörperöffnung 32 des Trägerelements 14 angeordnet. Insbesondere ist der Glaskörper 30 fluiddicht in der Glaskörperöffnung 32 aufgenommen. Über eine Bondverbindung 34 ist das Drucksensorelement 16 mit dem Kontaktstift 24 elektrisch kontaktiert. Der Kontaktstift 24 ist wiederum mit einem auf der Rückseite 28 des Trägerelements 14 angeordneten Schaltungsträger (nicht näher gezeigt) elektrisch kontaktiert.
Der Drucksensor 10 weist weiterhin einen Druckanschluss 35 auf. Der Druckanschluss 35 definiert eine Längsachse 36. So kann der Druckanschluss rotationssymmetrisch bezüglich der Längsachse 36 ausgebildet sein. Bei der gezeigten Ausführungsform ist der Druckanschluss 35 als Druckstutzen ausgebildet. Der Druckanschluss 35 weist eine Fluidkammer 38 auf. Die Fluidkammer 38 umfasst einen Fluidkanal 40, der sich parallel zu der Längsachse 36 erstreckt, und einen Aufnahmeabschnitt 42, der deutlich breiter als der Fluidkanal 40 ist. Der Aufnahmeabschnitt 42 dient zum Aufnehmen des Drucksensorelements 16, wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird. Der Druckanschluss 35 weist in der Richtung der Längsachse 36 gesehen ein medienseitiges Ende 44 und ein gegenüberliegendes anschlussseitiges Ende 46 auf. Das medienseitige Ende 44 ist eingerichtet einem fluiden Medium, dessen Druck zu bestimmen ist, ausgesetzt zu werden. Das anschlussseitige Ende 46 ist einem nicht näher gezeigten Sensorgehäuse zugewandt, das wiederum die elektrischen Anschlüsse aufweist.
An dem anschlussseitigen Ende 46 ist das Drucksensormodul 12 angeordnet. Das Drucksensormodul 12 ist mit dem Druckanschluss 35 verschweißt. Insbesondere ist das Trägerelement 14 an einem seitlich äußeren Ende 48 mit dem Druckanschluss 35 verschweißt.
Der Drucksensor 10 weist weiterhin eine Membran 50 auf. Die Membran 50 ist mit dem Druckanschluss 35 an dem medienseitigen Ende 44 verbunden. Die Membran 50 ist aus einem medienresistenten Material hegestellt, wie beispielweise Stahl. Die Membran 50 ist an dem medienseitigen Ende 44 des Druckanschlusses 35 befestigt, wie beispielsweise verschweißt oder verlötet.
Die Fluidkammer 38 wird somit durch das Trägerelement 14, den Druckanschluss 35 und die Membran 50 begrenzt. Die Fluidkammer 38 ist mit einem inkompressiblen Fluid 52 gefüllt. Bei dem inkompressiblen Fluid 52 kann es sich um ein Öl handeln. Das Drucksensormodul 12 ist so mit dem Druckanschluss 35 verschweißt, dass das Drucksensorelement 16 in der Fluidkammer 38 angeordnet bzw. in dieser aufgenommen ist. Dabei erstreckt sich der Kontaktstift 24 im Wesentlichen parallel zu der Längsachse 36 des Druckanschlusses 35.
Der Druckanschluss 35 kann in eine Aufnahmebohrung gesteckt und mit einem Befestigungsflansch befestigt werden. Alternativ kann der Druckanschluss 35 ein Außengewinde zum Einschrauben in die Aufnahmebohrung aufweisen. Weiterhin weist der Druckanschluss 35 eine Dichtung 54 zum fluiddichten Abdichten gegen eine Dichtfläche der Aufnahmebohrung auf. Die Dichtung 54 kann beispielsweise ein in einer Nut um den Druckanschluss 35 angeordneter O-Ring sein.
Bei dem Drucksensor 10 des vorliegenden Ausführungsbeispiels erfolgt die Befüllung der Fluidkammer 38 mit dem inkompressiblen Fluid 52 derart, dass zunächst die Membran 50 und das Drucksensormodul 12 mit dem Druckanschluss 35 verbunden und genauer verschweißt werden, wobei die Öffnung 20 in dem Trägerelement 14 noch geöffnet ist. Dann wird die Fluidkammer 38 evakuiert, um das Vorhandensein von Luft in der Fluidkammer 38 zu verhindern, und anschließend das Fluid 52 durch die Öffnung 20 in dem Trägerelement 14 axial bezüglich der Längsachse 36 des Druckanschlusses 35 eingefüllt. Abschließend wird die Öffnung 20 durch den Verschlusskörper 22 verschlossen.
Bei herkömmlich bekannten Drucksensoren erfolgt die Befüllung der Fluidkammer 38 mit einem inkompressiblen Fluid 52, wie beispielweise Öl, über eine radial eingebrachte Öffnung 20 im Druckanschluss 35. Eine axiale Befüllung, wie bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel über das Drucksensormodul 12 bzw. das Trägerelement 14, reduziert die Komplexität des Druckanschlusses 35. So kann ein Bohr- und Frässchritt für die radiale Öffnung 20 entfallen und die Variabilität bei der Einbausituation und des Stutzendesigns erhöht werden. So ist keine Limitierung der Position der Dichtung 54 in einer Längsrichtung 56 parallel zur Längsachse 36 am Druckanschluss 35 gegeben. Dahingegen muss bei herkömmlichen Drucksensoren der O-Ring unterhalb des Befüllkanals positioniert werden. Dieser Aufbau, mit geklebten Sensorelementen (MEMS), ermöglicht außerdem eine größere Variabilität bzgl. des eingesetzten metallischen Trägermaterials. Kovar ist nicht zwingend notwendig.
2A und 2B zeigen eine Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Drucksensors 10 zur Bestimmung eines Drucks eines fluiden Mediums. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben und gleiche oder vergleichbare Bauteile und Merkmale sind mit gleiche Bezugszeichen versehen.
Bei dem Drucksensor 10 des zweiten Ausführungsbeispiels ist das Drucksensormodul 12 mit dem Druckanschluss 35 formschlüssig verbunden. Insbesondere ist das Drucksensormodul 12 mit dem Druckanschluss 35 verschraubt, wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird. 2A zeigt dabei den Drucksensor 10 vor der Verschraubung und 2B zeigt den Drucksensor 10 nach der Verschraubung.
Das Trägerelement 14 weist ein Außengewinde 58 auf. Das Außengewinde 58 ist an einem seitlich äußeren Ende 48 des Trägerelements 14 angeordnet. Der Druckanschluss 35 weist ein Innengewinde 60 auf. Das Innengewinde 60 befindet sich in der Nähe des anschlussseitigen Endes 44 des Druckanschlusses 35. Das Außengewinde 58 greift in das Innengewinde 60 ein. Das Trägerelement 14 weist weiterhin einen ersten Dichtkonus 62 auf. Der Druckanschluss 35 weist einen zweiten Dichtkonus 64 auf. Der erste Dichtkonus 62 berührt den zweiten Dichtkonus 64. Insbesondere ist der erste Dichtkonus 62 auf den zweiten Dichtkonus 64 gepresst. Der erste Dichtkonus 62 ist näher zu einer der Fluidkammer 38 zugewandten Vorderseite 26 des Trägerelements 14 als das Außengewinde 58 angeordnet.
Zum Befüllen der Fluidkammer 38 mit dem inkompressiblen Fluid 52 wird das Unterteil des Drucksensors 10, d.h. der Druckanschluss 35 mit der bereits befestigten Membran 50, in einer Vakuumkammer platziert und diese wird evakuiert, um die Luft zu entfernen. Luftfreies Fluid, wie beispielsweise Öl, wird dann in das Unterteil gefüllt. Das Oberteil, d.h. das Drucksensormodul 12 mit dem Trägerelement 14 und dem darauf bereits montierten Drucksensorelement 16, wird auf dem mit dem Fluid 52 befülltem Unterteil dicht verschraubt. Das überflüssige Fluid 52 wird bei der Verschraubung herausgedrückt. Entscheidend ist hierbei, dass sich beim Verschrauben, das Drucksensorelement 16 unterhalb des Fluidspiegels in der Fluidkammer 38 befindet, damit beim Verschrauben das überflüssige Fluid 52 herausgedrückt werden kann und das ganze Volumen der Fluidkammer 38 mit dem Fluid 52 befüllt werden kann.
Hierzu sind zwei Varianten denkbar. So kann die Verschraubung des Oberteils unter Vakuum erfolgen. Dies macht die Montage schwierig, aber es stellt sicher, dass keine Luft eingeschlossen bleibt. Alternativ kann die Verschraubung des Oberteils unter Atmosphärendruck erfolgen. Dies vereinfacht die Montage. So kann das Oberteil unter Vakuum auf das mit dem Fluid 52 befüllten Unterteil gelegt werden. Dann wird der Drucksensor 10 aus der Kammer herausgeholt und unter Atmosphärendruck wird das Drucksensormodul 12 mit dem Druckanschluss 35 dicht verschraubt.
Die zu verwendende Fluidmenge sollte in jedem Fall so definiert sein, dass die Fluidreste nach dem Verschluss minimal bleiben. Die Dichtfläche, d.h. der Dichtkonus am Trägerelement 14 und/oder Druckanschluss 35, kann ggf. mit Rillen versehen werden, um eine luftfreie Befüllung zu gewährleisten.
Der Drucksensor 10 des zweiten Ausführungsbeispiels erlaubt einen fluid- bzw. öldichten Verschluss durch den Dichtkonus. Die Auslegung einer solchen Dichtstelle ist unproblematisch bzw. einfach zu realisieren. Bei dem Drucksensor 10 des zweiten Ausführungsbeispiels ist kein Verschlusskörper 22 erforderlich. Dadurch ist keine aufwändige Einpressung einer Kugel mit Kraft- und Wegüberwachung erforderlich. Außerdem kann das Unterteil deutlich niedriger bzw. kürzer in der Richtung der Längsachse 36 werden, was eine Miniaturisierung erlaubt.
Es können in der Vakuumkammer mehrere Drucksensoren gleichzeitig evakuiert und befüllt werden. Durch ein oder mehrere Befüllköpfe können die Teile sukzessive befüllt werden. Die Verschraubung kann mit Drehmomentüberwachung erfolgen, was Beschädigungen verhindert. Die Befüllung ist im Vergleich zu herkömmlichen Drucksensoren mit radialem Befüllkanal im Druckanschluss 35 deutlich vereinfacht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017213129 A1 [0002]
EP 2831555 B1 [0002]
WO 02/066948 A1 [0002]
US 5222397 A [0002]

Claims

Drucksensor (10) zur Erfassung eines Drucks eines fluiden Mediums, umfassend ein Drucksensormodul (12) mit einem Trägerelement (14) und einem Drucksensorelement (16), wobei das Drucksensorelement (16) auf dem Trägerelement (14) angeordnet ist, einen Druckanschluss (35), wobei der Druckanschluss (35) eine Längsachse (36) definiert, wobei der Druckanschluss (35) eine Fluidkammer (38) aufweist, eine Membran (50), wobei die Membran (50) mit dem Druckanschluss (35) an einem medienseitigen Ende (44) verbunden ist, und wobei die Fluidkammer (38) durch das Trägerelement (14), den Druckanschluss (35) und die Membran (50) begrenzt ist, wobei die Fluidkammer (38) mit einem inkompressiblen Fluid (52) gefüllt ist, wobei das Drucksensorelement (16) in der Fluidkammer (38) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Drucksensormodul (12) mit dem Druckanschluss (35) formschlüssig verbunden ist, oder das Drucksensormodul (12) mit dem Druckanschluss (35) verschweißt ist, wobei das Trägerelement (14) eine Öffnung (20) aufweist, wobei die Öffnung (20) mittels eines Verschlusskörpers (22) verschlossen ist.
Drucksensor (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Drucksensorelement (16) mit dem Trägerelement (14) stoffschlüssig verbunden, insbesondere verklebt, ist.
Drucksensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Trägerelement (14) an einem seitlich äußeren Ende mit dem Druckanschluss (35) verschweißt ist.
Drucksensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verschlusskörper (22) eine Kugel oder eine Vergussmasse ist.
Drucksensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Trägerelement (14) mit dem Druckanschluss (35) verschraubt ist.
Drucksensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Trägerelement (14) ein Außengewinde (58) aufweist, wobei der Druckanschluss (35) ein Innengewinde (60) aufweist, wobei das Außengewinde (58) in das Innengewinde (60) eingreift.
Drucksensor (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Außengewinde (58) an einem seitlich äußeren Ende des Trägerelements (14) angeordnet ist.
Drucksensor (10) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei das Trägerelement (14) einen ersten Dichtkonus (62) aufweist, wobei der Druckanschluss (35) einen zweiten Dichtkonus (64) aufweist, wobei der erste Dichtkonus (62) den zweiten Dichtkonus (64) berührt, insbesondere auf den zweiten Dichtkonus (64) gepresst ist.
Drucksensor (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der erste Dichtkonus (62) näher zu einer der Fluidkammer (38) zugewandten Seite des Trägerelements (14) angeordnet ist als das Außengewinde (58).
Drucksensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Drucksensormodul (12) weiterhin einen Kontaktstift (24) aufweist, wobei der Kontaktstift (24) das Trägerelement (14) in einer Richtung im Wesentlichen parallel zu der Längsachse (36) des Druckanschlusses (35) durchdringt.
Drucksensor (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Kontaktstift (24) teilweise in einem Glaskörper (30) angeordnet ist, wobei der Glaskörper (30) in einer Glaskörperöffnung (32) des Trägerelements (14) angeordnet ist.
Drucksensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das inkompressible Medium (52) ein Öl ist.