WO2020212339A1 - Sensor zur erfassung von druck und/oder füllstand und/oder durchfluss und/oder dichte und/oder masse und/oder temperatur - Google Patents

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sensor component
connection
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Alexander Wiegand
Paul Hanesch
Franz-Josef Lohmeier
Jürgen Pleyer
Alexander Will
Andreas BRÖNNER
Joachim Ciba
Andre Rother
Jens KRESSBACH
Ullrich STAAB
Mirko Di Marco
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    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0072—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance

Definitions

  • the invention relates to a sensor for detecting pressure and / or fill level and / or flow rate and / or density and / or mass and / or temperature.
  • Sensors for detecting pressure, level, flow, density, mass or temperature are generally known from the prior art.
  • the invention is based on the object of providing a sensor that is improved over the prior art for detecting pressure and / or fill level and / or
  • the object is achieved according to the invention with a sensor which has the features specified in claim 1 and with a sensor which has the features specified in claim 7.
  • a sensor according to the invention for detecting pressure and / or fill level and / or flow rate and / or density and / or mass and / or temperature comprises a first sensor component and a further sensor component, the two sensor components being pressed together.
  • at least one side is at least one
  • Sensor component provided with nanowires at least in the area of the compression, the sensor components being fixed to one another by means of the nanowires, also referred to as nanowires, via a force fit and / or form fit, and at least one sealing and / or thermally conductive and / or by means of the nanowires in the compression area electrically conductive connection between the
  • the sensor thus has a structure in which a sensor component or a sensor component is connected to a further sensor component by means of the nanowires.
  • the nanowires permanently fix the two sensor components to one another.
  • this connection is electrically conductive and also pressure-tight, so that in particular a pressure-tight connection to a
  • a pressure-tight connection is understood to mean, in particular, a connection which, for example, has a leakage rate of less than 1 * 10 3 mbar * l / s.
  • a thermal coupling between the sensor components can be implemented by means of the connection in order to transport heat or to give it off to the outside world.
  • Such a connection by means of nanowires can be implemented particularly easily and reliably.
  • the nanowires are applied directly to the at least one sensor component on one side or on both sides or are applied in strips as an intermediate structure. Nanowires applied in this way enable a particularly stable connection. With a one-sided application, the
  • a sintering process is carried out on the surface of the other component, the surface being cleaned and / or roughened, for example.
  • a sensor component is a membrane facing a process with a thickness of in particular 0.03 mm and 0.05 mm.
  • the further sensor component is a sensor carrier part, with the membrane is fixed sealingly on the sensor carrier part by means of a circumferential coupling section and closes a channel to the sensor component.
  • the coupling section has a circular shape with a strip width of 2 mm to 8 mm and is provided with nanowires.
  • the sensor components form a sensor disk, which is reinforced by the completely circumferential coupling section.
  • the sensor disk is therefore mechanically particularly stable and, at the same time, designed for precise and sensitive detection.
  • a sensor component is a printed circuit board or a printed circuit board connector or an electronic component, the sensor component being fixed to a partner component by means of nanowires and the partner component connecting the sensor component thermally or electrically to another partner component.
  • a structure is very compact, so that the sensor can be designed to be particularly small.
  • the attachment and contacting by means of the nanowires are very reliable, robust and easy to produce.
  • the partner component is a heat sink or a housing section which, with an enlarged surface compared to the sensor component, produces heat dissipation to the interior of the sensor or to a sensor environment.
  • the partner component is a heat sink or a housing section which, with an enlarged surface compared to the sensor component, produces heat dissipation to the interior of the sensor or to a sensor environment.
  • the partner component is a heat sink or a housing section which, with an enlarged surface compared to the sensor component, produces heat dissipation to the interior of the sensor or to a sensor environment.
  • the partner component is a heat sink or a housing section which, with an enlarged surface compared to the sensor component, produces heat dissipation to the interior of the sensor or to a sensor environment.
  • Component surface and / or a component edge surface of the sensor component is provided with nanowires for heat dissipation to the sensor interior or to the sensor environment, the component surface and / or component edge surface being less than 40 mm 2 , in particular less than 20 mm 2 .
  • Such a structure is very compact, so that the sensor can be designed to be particularly small. At the same time is reliable
  • a sensor component is designed as a contact pin, a printed circuit board, a sensor chip, a sensor or a flex connector, which is designed as a rigid-flex printed circuit board, i.e. as a segment of a printed circuit board with a film-like, conductive multi-pole electrical connection.
  • a connection of sensor components designed in this way by means of nanowires is particularly easy to produce and is characterized by particularly high reliability and
  • Another inventive sensor for detecting pressure and / or level and / or flow and / or density and / or mass and / or temperature comprises a first sensor component for detecting pressure and / or level and / or flow and / or density and / or mass and / or temperature and a further sensor component, the first sensor component being a strain-sensitive component
  • the further sensor component has contact surfaces which are connected to conductor tracks and components which are designed to evaluate the curvature of the stretch-sensitive section. Individual contact surfaces or parts of the
  • At least one contacting surface is provided with nanowires at least in sections, the nanowires producing a fixing effect and / or electrical connection of the sensor components to one another.
  • the sensor therefore has a structure in which a sensor component part or a sensor component is connected to a further sensor component by means of the nanowires.
  • the nanowires permanently fix the two sensor components to one another.
  • this connection is electrically conductive and also pressure-tight, so that in particular a pressure-tight connection to a
  • a pressure-tight connection is understood to mean, for example, a connection which, for example, has a leakage rate of less than 1 * 10 3 mbar * l / s.
  • Such a connection by means of nanowires can be implemented particularly easily and reliably.
  • the nanowires are applied on one side or both sides directly to at least one of the sensor components or applied in strips as an intermediate structure. Nanowires applied in this way enable a particularly stable connection. In the case of one-sided application, a sintering process is carried out on the surface of the respective other component when the components are pressed together, the surface being cleaned and / or roughened, for example.
  • the first sensor component is connected to a sensor carrier part by means of nanowires. Such a design enables a simple, safe and media-tight arrangement of the first
  • a media-tight arrangement is understood to mean, in particular, an arrangement which, for example, has a
  • Sensor component goes out and is electrically and mechanically connected to a sensor carrier part by means of nanowires.
  • the nanowires permanently fix the additional sensor component and the sensor carrier part to one another.
  • this connection is electrically conductive and moreover pressure-tight, so that the first sensor component is sealed in a pressure-tight manner from a sensor volume formed above the further sensor component. Under a pressure-tight
  • Closure is understood in particular to mean a closure which, for example, has a leak rate of less than 1 * 10 3 mbar * l / s.
  • the nanowires are applied on one side or on both sides and are made of copper, tin, silver, nickel, gold or stainless steel.
  • connection between the corresponding joining partners by means of the nanowires in particular when at least one of the joining partners is formed, for example, from brass, stainless steel, an alloy, ceramic or silicon oxide ceramic.
  • Figure 1 schematically nanowires
  • Figure 2 is a schematic sectional view of a sensor for detecting pressure, level, density, temperature and / or flow rate
  • Figure 3 schematically shows a sectional view of a pipe sensor
  • FIG. 4A schematically shows a sectional illustration of components of a sensor for detecting pressure and / or fill level and / or flow rate and / or density and / or mass and / or temperature and
  • FIG. 4B schematically shows a perspective view of the sectional illustration of FIG
  • nanowires 50 also referred to as nanowires, are shown.
  • Such nanowires 50 are metallic wires which are applied to a surface of a component. This component can then be pressed with another component which is also provided with such a nanowire surface or is also used without nanowires 50 with a normal or roughened surface.
  • the first-mentioned version the
  • Nanowires 50 in one another are Nanowires 50 in one another.
  • the nanowires 50 are metallic and produced using electrochemical processes.
  • nanowire 50 or nanowire used in the following can also denote a collection of several wires or fibers.
  • the nanowires 50 can produce a force fit and / or form fit that is a multiple of the Van der Waals forces, since the surfaces of the nanowires 50 additionally claw and press into one another.
  • FIG. 2 shows a sectional illustration of a possible exemplary embodiment of a sensor 100 for detecting pressure and / or fill level and / or flow rate and / or density and / or mass and / or temperature.
  • the sensor 100 comprises a housing 1, a first sensor component 3, a further sensor component 2 and a further sensor component 4 designed as a sensor carrier part 4.
  • the first sensor component 3 is designed in particular to detect pressure, but can also detect another physical variable such as fill level, flow rate, density, mass and / or temperature.
  • the sensor component 3 is formed, for example, from ceramic or stainless steel.
  • the sensor component 3 has a thin deflection-sensitive one
  • Section 3A When pressure is applied, this section 3 A bulges, with a maximum of the bulge in particular in its center.
  • the deflection-sensitive section 3 A bends in particular to the side which faces away from a process medium.
  • This side facing away from the process has an electronic one
  • This evaluation device comprises, for example, at least one strain gauge 34 and / or a capacitive sensor system.
  • the first sensor component 3 is connected in a sealing manner to the sensor carrier part 4 by means of a nanowire connection 11, which comprises a plurality of nanowires 50.
  • the nanowires 50 have a thickness of 0.3 ⁇ m to 4.0 ⁇ m with a length of 10 ⁇ m to 800 ⁇ m, for example.
  • a holding force here reaches, for example, 10 MPa to 30 MPa.
  • the nanowires 50 are on one side or on both sides directly on the coupling section of the sensor component 3 or a coupling section of the other above
  • Sensor component 2 applied.
  • the application can also take place in strips as an intermediate joint and / or ring band.
  • the nanowires 50 can also be applied to both joining partners.
  • a sintering process is carried out on the surface of the other component in each case.
  • the surface is first cleaned and / or roughened, for example.
  • the further sensor component 2 which is designed in particular in the form of a disk, is designed in one possible configuration as a printed circuit board or comprises such a board and carries electronic components 10 of an evaluation circuit 51 and / or conductor tracks.
  • the components 10 can also be mounted via nanowire connections.
  • the first sensor component 3 is connected to a further one designed as a printed circuit board via a flexible printed circuit board connector 9A
  • the further sensor component 20 embodied as a printed circuit board can comprise wires with plugs or a flexible printed circuit board (FPC for short).
  • a further printed circuit board connector 9C is provided with micro-plug connection elements 13, which function similar to a micro-plug via multi-pole nanowire fields, with individual contacts being replaced by small fields or surface areas with nanowire reference.
  • the sensor carrier part 4 faces a process with a closed opening of a process access 5 and can be sealed to this process by means of a contour 25 and / or by means of a thread 19.
  • the process access 5 is provided with a protective membrane 24, which is designed in particular as a so-called pressure transmitter membrane.
  • a space 23 behind this protective membrane is filled with a fluid, for example oil.
  • the protective membrane 24, which is for example round, is provided with nanowires 50 all the way around the edge and is pressed in a sealing manner with the sensor carrier part 4 to form a nanowire connection 14.
  • the protective membrane 24 is made, for example, of stainless steel or a special material such as zirconium, a nickel-copper alloy, approximately 65%
  • Nickel-based alloy for example a nickel-molybdenum alloy, a nickel-chromium-molybdenum alloy, a nickel-molybdenum-chromium alloy or a nickel-chromium-iron alloy, or another material.
  • the sensor carrier part 4 can be formed from brass or from stainless steel or any other suitable metallic material or any other suitable metallic alloy in order to be connected via nanowires 50 to the first sensor component 3, which is formed for example from a ceramic or a silicon oxide ceramic.
  • the nanowires 50 can be made of copper, tin,
  • Silver, nickel, gold or stainless steel can be formed.
  • the further sensor components 20 designed as printed circuit boards are in particular also connected via nanowires 50 with the formation of
  • Nanowire connections 15 are connected to the housing 1. This creates a fixation and a grounding of the circuit boards if corresponding surfaces of the circuit boards are formed from the conductor path for this purpose. In this way, goals relating to electromagnetic compatibility (EMC) in particular can be better achieved and costly connectors can be saved.
  • EMC electromagnetic compatibility
  • the housing 1, which is in particular made of metal, is also provided with the sensor carrier part 4 via nanowires 50 to connect with the formation of nanowire connections 16.
  • the housing 1, which is in particular made of metal is also provided with the sensor carrier part 4 via nanowires 50 to connect with the formation of nanowire connections 16.
  • a flanged edge made of sheet metal or the sensor carrier part 4 is provided with nanowires 50 all around.
  • At least one electronic component 10 carries a heat sink 26, this being connected via nanowires 50 to form a nanowire connection 17 and thus thermal heat dissipation to, for example, a computing chip or ASIC (Application-Specific Integrated Circuit ) allows.
  • this can also take place via a woven flexible connector 31 made of metal, which can also be configured as a film and forms a nanowire connection 30 to the housing 1 by means of nanowires 50.
  • nanowire connections 18 mechanically and electrically and thus firmly orientate them in the sensor 100.
  • nanowire connections 35 can be created, for example, from endless material and also with multiple poles, if these are combined with insulating material or alternately penetrated, the angle connectors then being provided with nanowires 50 in sections.
  • a plug 6 is led out of the housing 1 of the sensor 100.
  • Contacts 7 of the plug 6 can also be connected to a plug or a plug inside
  • Base plate 8 be connected, which via a cable 9B with the
  • the cable 9B can be single-core or multi-core.
  • FIG. 3 shows a sectional illustration of a possible exemplary embodiment of a sensor 100 designed as a pipe sensor for detecting pressure and / or fill level and / or flow rate and / or density and / or mass and / or temperature.
  • the sensor 100 has two opposite process openings 5A, 5B which are connected to a sensor carrier part 4 designed as a pipe section.
  • a flange-shaped geometry 25 is designed for a pressure-tight connection to a process, for example by means of two semicircular clamps.
  • a pressure-tight connection is understood to mean, in particular, a connection which, for example, has a leak rate of less than 1 * 10 3 mbar * l / s.
  • the sensor 100 has a thin first deflection-sensitive
  • Section 3 A which is capacitively detected by a further sensor component 2 designed as a circumferential surface area 2 for bending under pressure.
  • Protective film sections 44 are here formed by means of nanowires 50
  • a printed circuit board connector 9A designed as a flexible foil conductor provides the connection to an electronic board designed as an evaluation board
  • Component 10 which is also connected to the sensor carrier part 4 via a nanowire connection 15 formed by means of nanowires 50.
  • the sensor carrier part 4 is enclosed in sections by a tubular housing 1, the housing 1 and the sensor carrier part 4 being tightly and rigidly connected to one another via a nanowire connection 16 formed by means of nanowires 50. Enclosed spaces between the housing 1 and the
  • Sensor carrier part 4 can be evacuated.
  • FIGS. 4A and 4B show a sectional illustration of components of a possible exemplary embodiment of a sensor 100 for detecting pressure and / or fill level and / or flow rate and / or density and / or mass and / or temperature from different perspectives.
  • the sensor 100 comprises a hat sensor, that is to say in particular a cup-shaped sensor component 3, which is made, for example, of ceramic or stainless steel and which is provided with strain gauges 34 for detecting a deflection and / or curvature generated under a process pressure supplied from below via a process access 5 .
  • the sensor component 3 comprises in particular a first thin deflection-sensitive section 3 A, which is resistively monitored via the resistors designed as strain gauges 34.
  • the sensor component 3 comprises a reinforcement section 3C, which extends in the edge region in a circular manner under the deflection-sensitive section 3A.
  • a coupling section 3B which is formed thereon, also extends circumferentially
  • the contacting surfaces 33 are arranged, for example, in segments around the deflection-sensitive section 3A and are designed for contacting with a further sensor component 20 designed as a printed circuit board.
  • the further sensor component 20 comprises corresponding ones
  • nanowires 50 for forming nanowire connections 38, 39 are located on the sensor component 3 or the further sensor component 20 embodied as a printed circuit board, or on both on the contacting surfaces 33, 36.
  • Sensor component 20 connected to electrically connect electronic components 10 on the other side of the further sensor component 20 designed as a circuit board.
  • complex contacting of a sensor which usually occurs via possibly faulty bonding processes, can be adapted.
  • aluminum or gold bonding wires can be saved and the connection of the sensor component 3 and electronics can be achieved in a particularly compact manner in a very small space.
  • the contacting surface 33 of the sensor component 3 is designed, for example, as a semicircle segment and provided with nanowires 50, which with nanowires 50 of the further designed as a circuit board
  • Sensor component 20 are pressed to form the nanowire connection 39.
  • the further sensor component 20 designed as a printed circuit board is positioned relative to the sensor component 3 and then the pressing is carried out.
  • the further sensor component 20 which is designed as a printed circuit board, is thinned out at at least one point by an opening, so that a more flexible
  • Circuit board section 21 results. On this circuit board section 21 are
  • a printed circuit board connector 9A designed as a flexible film conductor provides the connection to a further circuit board or a plug connection for outputting the measurement signals.
  • Circuit board connector 9A is implemented, for example, via a press connector 37 which, for example, comprises nanowires 50 on both sides for forming nanowire connections 47 on different pads, which are connected to one another on both sides via vias.
  • the formed as a foil conductor can be any material that can be used as a foil conductor.
  • Circuit board connector 9A or contacting surfaces 32 of the same with the further sensor component 20 designed as a circuit board, a plug component, the sensor component 3 and its contacting surfaces 33, a housing section or partial surfaces of the sensor carrier part 4 are electrically permanently connected without soldering processes or complex plug connections being required.
  • a signal contact area can also be adapted by enlarging to form a connection area for higher currents.
  • the contact surfaces 32 are, for example, circular, square or rectangular in design; the nanowires 50 can be one-sided or be attached on both sides.
  • a connection produced in this way proves to be particularly durable and is also insensitive to vibrations and small expansions, such as can occur, for example, due to temperature fluctuations, that is to say relative movements between the components.

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Sensor (100) zur Erfassung von Druck und/oder Füllstand und/oder Durchfluss und/oder Dichte und/oder Masse und/oder Temperatur, wobei ein Sensorbauteil (3) mittels Nanodrähten (50) mit einem weiteren Sensorbauteil (2, 4, 9A, 9C, 20, 20B) gekoppelt wird, und wobei die Sensorbauteile (2, 3, 4, 9A, 9C, 20, 20B) zueinander fixiert, abgedichtet oder elektrisch kontaktiert werden. Beispielsweise ist ein Sensorbauteil (3) direkt mit einer Leiterplatte über Nanodrähte (50) verbunden.

Description

BESCHREIBUNG
TITEL DER ERFINDUNG Sensor zur Erfassung von Druck und/oder Füllstand und/oder Durchfluss und/oder Dichte und/oder Masse und/oder Temperatur
TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Erfassung von Druck und/oder Füllstand und/oder Durchfluss und/oder Dichte und/oder Masse und/oder Temperatur.
STAND DER TECHNIK
Aus dem Stand der Technik sind allgemein Sensoren zur Erfassung von Druck, Füllstand, Durchfluss, Dichte, Masse oder Temperatur bekannt.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Sensor zur Erfassung von Druck und/oder Füllstand und/oder
Durchfluss und/oder Dichte und/oder Masse und/oder Temperatur anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einem Sensor, welcher die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist, und mit einem Sensor, welcher die im Anspruch 7 angegebenen Merkmale aufweist.
Mögliche Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche. ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein erfindungsgemäßer Sensor zur Erfassung von Druck und/oder Füllstand und/oder Durchfluss und/oder Dichte und/oder Masse und/oder Temperatur umfasst ein erstes Sensorbauteil und ein weiteres Sensorbauteil, wobei die beiden Sensorbauteile zueinander verpresst sind. Hierbei ist zumindest eine Seite zumindest eines
Sensorbauteils zumindest im Bereich der Verpressung mit Nanodrähten versehen, wobei die Sensorbauteile anhand der Nanodrähte, auch als Nanowires bezeichnet, zueinander über Kraftschluss und/oder Formschluss fixiert sind und mittels der Nanodrähte im Bereich der Verpressung zumindest eine dichtende und/oder thermisch leitende und/oder elektrisch leitende Verbindung zwischen den
Sensorbauteilen ausgebildet ist.
Somit weist der Sensor einen Aufbau auf, bei dem ein Sensorbauteil oder eine Sensorkomponente mit einem weiteren Sensorbauteil mittels der Nanodrähte verbunden ist. Dabei fixieren die Nanodrähte die beiden Sensorbauteile dauerhaft zueinander. Zusätzlich ist diese Verbindung elektrisch leitfähig und darüber hinaus druckdicht, so dass insbesondere eine druckdichte Verbindung zu einem
Prozessanschluss oder Sensorträgerteil herstellbar ist. Unter einer druckdichten Verbindung wird dabei insbesondere eine Verbindung verstanden, welche beispielsweise eine Leckagerate von weniger als 1*10 3 mbar*l/s aufweist. Ferner ist mittels der Verbindung eine thermische Kopplung zwischen den Sensorbauteilen realisierbar, um Wärme zu transportieren oder nach außen zur Umwelt abzugeben. Eine solche Verbindung mittels Nanodrähten ist besonders einfach und zuverlässig realisierbar.
In einer möglichen Ausgestaltung des Sensors sind die Nanodrähte einseitig oder beidseitig direkt auf das zumindest eine Sensorbauteil aufgebracht oder streifenartig als Zwischenfügei age appliziert. Derart aufgebrachte Nanodrähte ermöglichen eine besonders stabile Verbindung. Bei einer einseitigen Applikation wird beim
Zusammendrücken ein Sinterprozess an der Oberfläche des jeweils anderen Bauteils ausgeführt, wobei die Oberfläche beispielsweise gereinigt und/oder aufgeraut ist.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Sensors ist ein Sensorbauteil eine einem Prozess zugewandte Membran mit einer Dicke von insbesondere 0,03 mm und 0,05 mm. Das weitere Sensorbauteil ist ein Sensorträgerteil, wobei die Membran mittels eines umlaufenden Kopplungsabschnitts dichtend am Sensorträgerteil fixiert ist und einen Kanal zum Sensorbauteil verschließt. Der umlaufende
Kopplungsabschnitt weist eine kreisrunde Form mit einer Streifenbreite von 2 mm bis 8 mm auf und ist mit Nanodrähten versehen. In dieser Ausgestaltung bilden die Sensorbauteile eine Sensorscheibe, welche durch den vollständig umlaufenden Kopplungsabschnitt verstärkt ist. Somit ist die Sensorscheibe mechanisch besonders stabil und gleichzeitig zu einer exakten und sensiblen Erfassung ausgebildet.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Sensors ist ein Sensorbauteil eine Leiterplatte oder ein Leiterplattenverbinder oder eine elektronische Komponente, wobei das Sensorbauteil mittels Nanodrähten zu einem Partnerbauteil fixiert ist und das Partnerbauteil das Sensorbauteil thermisch oder elektrisch mit einem anderen Partnerbauteil verbindet. Ein solcher Aufbau ist sehr kompakt, so dass der Sensor besonders kleinbauend ausgebildet werden kann. Die Befestigung und Kontaktierung mittels der Nanodrähte sind dabei sehr zuverlässig, robust und einfach herstellbar.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Sensors ist das Partnerbauteil ein Kühlkörper oder ein Gehäuseabschnitt, welcher mit einer vergrößerten Oberfläche im Vergleich zum Sensorbauteil eine Wärmeabfuhr zu einem Sensorinneren oder zu einer Sensorumwelt herstellt. Alternativ oder zusätzlich sind bzw. ist eine
Bauteilfläche und/oder eine Bauteilkantenfläche des Sensorbauteils mit Nanodrähten zur Wärmeabfuhr zum Sensorinneren oder zur Sensorumwelt versehen, wobei die Bauteilfläche und/oder Bauteilkantenfläche kleiner als 40 mm2, insbesondere kleiner als 20 mm2, ist. Ein solcher Aufbau ist sehr kompakt, so dass der Sensor besonders kleinbauend ausgebildet werden kann. Gleichzeitig ist eine zuverlässige
Wärmeabfuhr sichergestellt. Die Befestigung und thermische Kontaktierung mittels der Nanodrähte sind dabei sehr zuverlässig, robust und einfach herstellbar.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Sensors ist ein Sensorbauteil als Kontaktstift, als Leiterplatte, als Sensorchip, als Sensor oder als Flexverbinder, der als Starr-Flex-Leiterplatte, also als Segment einer Leiterplatte mit einer folienartigen, leitenden mehrpoligen elektrischen Verbindung ausgeführt. Eine Verbindung derartig ausgebildeter Sensorbauteile mittels Nanodrähten ist besonders einfach herstellbar und zeichnet sich durch eine besonders hohe Zuverlässigkeit und
Robustheit aus. Ein weiterer erfmdungsgemäßer Sensor zur Erfassung von Druck und/oder Füllstand und/oder Durchfluss und/oder Dichte und/oder Masse und/oder Temperatur umfasst ein erstes Sensorbauteil zur Erfassung von Druck und/oder Füllstand und/oder Durchfluss und/oder Dichte und/oder Masse und/oder Temperatur und ein weiteres Sensorbauteil, wobei das erste Sensorbauteil einen dehnungsempfindlichen
Abschnitt, Kontaktierungsflächen auf einem Kopplungsabschnitt und
Dehnungsmesswiderstände und/oder Flächen zur kapazitiven Erfassung einer Wölbung des dehnungsempfindlichen Abschnitts umfasst. Das weitere Sensorbauteil weist Kontaktierungsflächen auf, welche mit Leiterbahnen und Komponenten verbunden sind, die zu einer Auswertung der Wölbung des dehnungsempfindlichen Abschnitts ausgebildet sind. Einzelne Kontaktierungsflächen oder Teile der
Kontaktierungsflächen des ersten Sensorbauteils sind mit Teilflächen der
Kontaktierungsflächen des weiteren Sensorbauteils deckungsgleich. Dabei ist zumindest eine Kontaktierungsfläche zumindest abschnittsweise mit Nanodrähten versehen, wobei die Nanodrähte eine fixierende Wirkung und/oder elektrische Verbindung der Sensorbauteile zueinander herstellt.
Somit weist der Sensor einen Aufbau auf, bei dem ein Sensorbauteilteil oder eine Sensorkomponente mit einem weiteren Sensorbauteil mittels der Nanodrähte verbunden ist. Dabei fixieren die Nanodrähte die beiden Sensorbauteile dauerhaft zueinander. Zusätzlich ist diese Verbindung elektrisch leitfähig und darüber hinaus druckdicht, so dass insbesondere eine druckdichte Verbindung zu einem
Prozessanschluss oder Sensorträgerteil herstellbar ist. Unter einer druckdichten Verbindung wird dabei beispielsweise eine Verbindung verstanden, welche beispielsweise eine Leckagerate von weniger als 1*10 3 mbar*l/s aufweist. Eine solche Verbindung mittels Nanodrähten ist besonders einfach und zuverlässig realisierbar.
In einer möglichen Ausgestaltung des Sensors sind die Nanodrähte einseitig oder beidseitig direkt auf zumindest eines der Sensorbauteile aufgebracht oder streifenartig als Zwischenfügei age appliziert. Derart aufgebrachte Nanodrähte ermöglichen eine besonders stabile Verbindung. Bei einer einseitigen Applikation wird beim Zusammendrücken ein Sinterprozess an der Oberfläche des jeweils anderen Bauteils ausgeführt, wobei die Oberfläche beispielsweise gereinigt und/oder aufgeraut ist. In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Sensors ist das erste Sensorbauteil mittels Nanodrähten mit einem Sensorträgerteil verbunden. Eine solche Ausbildung ermöglicht eine einfache, sichere und mediendichte Anordnung des ersten
Sensorbauteils an dem Sensorträgerteil. Unter einer mediendichten Anordnung wird dabei insbesondere eine Anordnung verstanden, welche beispielsweise eine
Leckagerate von weniger als 1*10 3 mbar*l/s aufweist.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Sensors verfügt das weitere
Sensorbauteil über einen Abschnitt, welcher über einen Umfang des ersten
Sensorbauteils hinausgeht und mittels Nanodrähten zu einem Sensorträgerteil elektrisch und mechanisch verbunden ist. Dabei fixieren die Nanodrähte das weitere Sensorbauteil und das Sensorträgerteil dauerhaft zueinander. Zusätzlich ist diese Verbindung elektrisch leitfähig und darüber hinaus druckdicht, so dass das erste Sensorbauteil druckdicht von einem oberhalb vom weiteren Sensorbauteil ausgebildeten Sensorvolumens abgeschlossen ist. Unter einem druckdichten
Abschluss wird dabei insbesondere ein Abschluss verstanden, welcher beispielsweise eine Leckagerate von weniger als 1*10 3 mbar*l/s aufweist.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Sensors sind die Nanodrähte einseitig oder beidseitig aufgebracht und aus Kupfer, Zinn, Silber, Nickel, Gold oder Edelstahl gebildet. Eine solche Ausbildung ermöglicht eine einfache und zuverlässige
Verbindung zwischen den entsprechenden Fügepartnem mittels der Nanodrähte, insbesondere dann, wenn zumindest einer der Fügepartner beispielsweise aus Messing, Edelstahl, einer Legierung, Keramik oder einer Siliziumoxidkeramik gebildet ist.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Mögliche Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
Figur 1 schematisch Nanodrähte, Figur 2 schematisch eine Schnittdarstellung eines Sensors zur Erfassung von Druck, Füllstand, Dichte, Temperatur und/oder Durchfluss,
Figur 3 schematisch eine Schnittdarstellung eines als Rohrsensor
ausgebildeten Sensors zur Erfassung von Druck und/oder Füllstand und/oder Durchfluss und/oder Dichte und/oder Masse und/oder Temperatur und
Figur 4A schematisch eine Schnittdarstellung von Bestandteilen eines Sensors zur Erfassung von Druck und/oder Füllstand und/oder Durchfluss und/oder Dichte und/oder Masse und/oder Temperatur und
Figur 4B schematisch eine perspektivische Ansicht der Schnittdarstellung der
Bestandteile gemäß Figur 4A.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In Figur 1 sind Nanodrähte 50, auch als Nanowires bezeichnet, dargestellt.
Derartige Nanodrähte 50 sind metallische Drähte, welche auf eine Oberfläche eines Bauteils aufgebracht werden. Dieses Bauteil kann dann mit einem anderen Bauteil verpresst werden, welches ebenfalls mit einer solchen Nanodraht-Oberfläche versehen ist oder auch ohne Nanodrähte 50 mit normaler oder aufgerauter Oberfläche verwendet wird. Bei der zuerst genannten Ausführung verkrallen sich die
Nanodrähte 50 ineinander.
Die Nanodrähte 50 sind metallisch und anhand von elektrochemischen Prozessen hergestellt.
Der im Folgenden verwendete Begriff Nanodraht 50 oder Nanowire kann dabei auch eine Ansammlung von mehreren Drähten oder Fasern bezeichnen.
Bei der Verpressung der Bauteile entsteht ein Kraftschluss und/oder Formschluss, welcher über eine Kombination von verschiedenen Kräften, wie beispielsweise der Van-der-Waals-Kräfte, realisiert ist. Neben diesen Kräften kann durch Einstellung weiterer Parameter eine Optimierung der weiteren Kräfte neben den relativ schwachen nicht-kovalenten
Wechselwirkungen zwischen Atomen oder Molekülen hergestellt werden.
In Summe kann durch die Nanodrähte 50 ein Kraftschluss und/oder Formschluss hergestellt werden, der ein Vielfaches der Van-der-Waals-Kräfte beträgt, da sich die Nanodrähte 50 mit ihren Oberflächen ineinander zusätzlich verkrallen und verpressen.
Eine solche Technik ist grundsätzlich auch der Druckschrift US 2011/0039459 oder US 2016/0143153 entnehmbar.
Figur 2 zeigt eine Schnittdarstellung eines möglichen Ausführungsbeispiels eines Sensors 100 zur Erfassung von Druck und/oder Füllstand und/oder Durchfluss und/oder Dichte und/oder Masse und/oder Temperatur.
Der Sensor 100 umfasst ein Gehäuse 1, ein erstes Sensorbauteil 3, ein weiteres Sensorbauteil 2 und ein als Sensorträgerteil 4 ausgebildetes weiteres Sensorbauteil 4.
Das erste Sensorbauteil 3 ist hierbei insbesondere zu einer Erfassung von Druck ausgebildet, kann jedoch auch eine andere physikalische Größe wie Füllstand, Durchfluss, Dichte, Masse und/oder Temperatur erfassen. Das Sensorbauteil 3 ist dabei beispielsweise aus Keramik oder Edelstahl gebildet.
Das Sensorbauteil 3 weist hierzu einen dünnen durchbiegungsempfindlichen
Abschnitt 3A auf. Bei Beaufschlagung mit Druck wölbt sich dieser Abschnitt 3 A, wobei ein Maximum der Wölbung insbesondere in dessen Mitte liegt. Der durchbiegungsempfindliche Abschnitt 3 A biegt sich dabei insbesondere zu der Seite, welche einem Prozessmedium abgewandt ist.
Diese, dem Prozess abgewandte Seite ist mit einer elektronischen
Auswertungsvorrichtung versehen. Diese Auswertungsvorrichtung umfasst beispielsweise zumindest einen Dehnungsmessstreifen 34 und/oder eine kapazitive Sensorik. Das erste Sensorbauteil 3 ist mittels einer Nanodrahtverbindung 11, welche eine Mehrzahl von Nanodrähten 50 umfasst, dichtend mit dem Sensorträgerteil 4 verbunden.
Die Nanodrähte 50 weisen hierbei beispielsweise eine Dicke von 0,3 pm bis 4,0 pm bei einer Länge von beispielsweise 10 pm bis 800 pm auf. Eine Haltekraft erreicht hierbei beispielsweise 10 MPa bis 30 MPa.
Die Nanodrähte 50 sind einseitig oder beidseitig direkt auf den Kopplungsabschnitt des Sensorbauteils 3 oder einem Kopplungsabschnitt des oberen weiteren
Sensorbauteils 2 aufgebracht. Alternativ kann die Applikation auch streifenartig als Zwischenfügei age und/oder Ringband erfolgen. Auch kann die Applikation der Nanodrähte 50 auf beiden Fügepartnern erfolgen.
Bei einer einseitigen Applikation wird beim Zusammendrücken des Sensorbauteils 3 und des weiteren Sensorbauteils 2 ein Sinterprozess auf der Oberfläche des jeweils anderen Bauteils ausgeführt. Um diesen Sinterprozess zu optimieren, wird die Oberfläche zuvor beispielsweise gereinigt und/oder aufgeraut.
Das insbesondere scheibenartig ausgebildete weitere Sensorbauteil 2 ist in einer möglichen Ausgestaltung als Leiterplatte ausgebildet oder umfasst eine solche und trägt dabei elektronische Komponenten 10 einer Auswerteschaltung 51 und/oder Leiterbahnen. Die Komponenten 10 können hierbei ebenso über Nanodraht- Verbindungen montiert sein.
In einer möglichen Ausgestaltung ist das erste Sensorbauteil 3 über einen flexiblen Leiterplattenverbinder 9A an ein als Leiterplatte ausgebildetes weiteres
Sensorbauteil 20 angekoppelt, wobei Nanodrähte 50 auf die Leiterplatte und/oder den Leiterplattenverbinder 9A aufgebracht sind und eine Nanodrahtverbindung 12 bilden. Das als Leiterplatte ausgebildete weitere Sensorbauteil 20 kann Drähte mit Steckern oder eine flexiblen Leiterplatte (kurz: FPC) umfassen.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung ist ein weiterer Leiterplattenverbinder 9C mit Mikrosteckerverbindungselementen 13 versehen, welche über mehrpolige Nanodrahtfelder ähnlich einem Mikrostecker funktionieren, wobei einzelne Kontakte durch kleine Felder oder Flächenbereiche mit Nanodraht-Bezug ersetzt sind. Das Sensorträgerteil 4 ist mit einer verschlossenen Öffnung eines Prozesszugangs 5 einem Prozess zugewandt und mittels einer Kontur 25 und/oder mittels eines Gewindes 19 zu diesem Prozess dichtbar. Der Prozesszugang 5 ist in einer möglichen Ausgestaltung mit einer Schutzmembran 24, welche insbesondere als so genannte Druckmittlermembran ausgebildet ist, versehen. Optional ist ein Raum 23 hinter dieser Schutzmembran mit einem Fluid, beispielsweise Öl, gefüllt.
Die beispielsweise rund ausgebildete Schutzmembran 24 ist randseitig umlaufend mit Nanodrähten 50 versehen und unter Bildung einer Nanodrahtverbindung 14 dichtend mit dem Sensorträgerteil 4 verpresst.
Die Schutzmembran 24 ist beispielsweise aus Edelstahl oder einem Sondermaterial, wie beispielsweise Zirkonium, einer Nickel-Kupfer-Legierung ungefähr 65 %
Nickel, 33 % Kupfer und 2 % Eisen, auch als Monel bezeichnet, einer
Nickelbasislegierung, beispielsweise einer Nickel-Molybdän-Legierung, einer Nickel-Chrom-Molybdän-Legierung, einer Nickel-Molybdän-Chrom-Legierung oder einer Nickel-Chrom-Eisen-Legierung, oder einem anderen Material gebildet.
Das Sensorträgerteil 4 kann aus Messing oder aus Edelstahl oder jedem anderen geeigneten metallischen Material oder jeder anderen geeigneten metallischen Legierung gebildet sein, um über Nanodrähte 50 mit dem ersten Sensorbauteil 3, welches beispielsweise aus einer Keramik oder einer Siliziumoxidkeramik gebildet ist, verbunden zu werden. Die Nanodrähte 50 können hierbei aus Kupfer, Zinn,
Silber, Nickel, Gold oder Edelstahl gebildet sein.
Bei inneren Verbindungen sind insbesondere auch die als Leiterplatten ausgebildeten weiteren Sensorbauteile 20 über Nanodrähte 50 unter Ausbildung von
Nanodrahtverbindungen 15 mit dem Gehäuse 1 verbunden. Hierdurch werden eine Fixierung sowie eine Erdung der Leiterplatten erzeugt, wenn entsprechende Flächen der Leiterplatten dazu vom Leiterbahnenverlauf ausgebildet sind. Hierdurch können insbesondere Ziele zur elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) besser erreicht werden und aufwändige Verbinder eingespart werden.
Weiterhin ist in einer möglichen Ausgestaltung vorgesehen, auch das insbesondere metallisch ausgebildete Gehäuse 1 mit dem Sensorträgerteil 4 über Nanodrähte 50 unter Ausbildung von Nanodrahtverbindungen 16 zu verbinden. Hierzu ist beispielsweise ein umgebördelter Rand aus Blech oder das Sensorträgerteil 4 umlaufend mit Nanodrähten 50 versehen.
Weiterhin ist in einer möglichen Ausgestaltung vorgesehen, dass zumindest eine elektronische Komponente 10 einen Kühlkörper 26 tragen, wobei dieser über Nanodrähte 50 unter Ausbildung einer Nanodrahtverbindung 17 angebunden ist und somit eine thermische Wärmeabfuhr zu beispielsweise einem Rechen-Chip oder ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) ermöglicht. Alternativ oder zusätzlich kann dies auch über einen gewebten Flexverbinder 31 aus Metall erfolgen, welche auch als Folie ausgebildet sein kann und mittels Nanodrähten 50 eine Nanodrahtverbindung 30 zu dem Gehäuse 1 ausbildet.
Weiterhin kann vorgesehen sein, weitere als Leiterplatten ausgebildete
Sensorbauteile 20B direkt über mittels Nanodrähten 50 ausgebildete
Nanodrahtverbindungen 18 mechanisch und elektrisch zu verbinden und so im Sensor 100 fest zu orientieren.
Auch Winkelverbinder mit aus Nanodrähten 50 gebildeten
Nanodrahtverbindungen 35 können hierzu zum Beispiel aus Endlosmaterial und auch mehrpolig, wenn diese mit Isoliermaterial kombiniert oder abwechselnd durchzogen sind, geschaffen werden, wobei die Winkelverbinder dann abschnittsartig mit Nanodrähten 50 versehen werden.
Aus dem Gehäuse 1 des Sensors 100 ist ein Stecker 6 herausgeführt. Kontakte 7 des Steckers 6 können hierbei im Inneren auch mit einem Stecker oder einer
Basisplatte 8 verbunden sein, welche über ein Kabel 9B mit der
Auswerteschaltung 51 verbunden ist. Das Kabel 9B kann einadrig oder mehradrig ausgebildet sein.
In Figur 3 ist eine Schnittdarstellung eines möglichen Ausführungsbeispiels eines als Rohrsensor ausgebildeten Sensors 100 zur Erfassung von Druck und/oder Füllstand und/oder Durchfluss und/oder Dichte und/oder Masse und/oder Temperatur dargestellt. Der Sensor 100 weist hierzu zwei gegenüberliegende Prozessöffnungen 5A, 5B auf, welche mit einem als Rohrabschnitt ausgebildeten Sensorträgerteil 4 verbunden sind.
Eine flanschförmige Geometrie 25 ist für eine druckdichte Anbindung an einen Prozess, beispielsweise mittels zwei halbkreisförmigen Schellen, ausgebildet. Unter einer druckdichten Anbindung wird dabei insbesondere eine Anbindung verstanden, welche beispielsweise eine Leckagerate von weniger als 1*10 3 mbar*l/s aufweist.
Der Sensor 100 weist einen dünnen ersten durchbiegungsempfindlichen
Abschnitt 3 A auf, welcher kapazitiv von einem als umlaufende Mantelfläche 2 ausgebildeten weiteren Sensorbauteil 2 auf Durchbiegung unter Druck detektiert wird. Das weitere Sensorbauteil 2 oder ein im Sensor 100 innenliegender
Schutzfolienabschnitt 44 sind hierbei über mittels Nanodrähten 50 gebildete
Nanodrahtverbindungen 48,49 befestigt.
Ein als flexibler Folienleiter ausgebildeter Leiterplattenverbinder 9A stellt die Verbindung zu einer als Auswerteplatine ausgebildeten elektronischen
Komponente 10 her, welche ebenfalls über eine mittels Nanodrähten 50 gebildete Nanodrahtverbindung 15 mit dem Sensorträgerteil 4 verbunden ist.
Das Sensorträgerteil 4 ist abschnittsweise von einem rohrförmigen Gehäuse 1 umschlossen, wobei das Gehäuse 1 und das Sensorträgerteil 4 über eine mittels Nanodrähten 50 gebildete Nanodrahtverbindung 16 dichtend und starr miteinander verbunden sind. Eingeschlossene Räume zwischen dem Gehäuse 1 und dem
Sensorträgerteil 4 können evakuiert sein.
Die Figuren 4A und 4B zeigen eine Schnittdarstellung von Bestanteilen eines möglichen Ausführungsbeispiels eines Sensors 100 zur Erfassung von Druck und/oder Füllstand und/oder Durchfluss und/oder Dichte und/oder Masse und/oder Temperatur aus verschiedenen Perspektiven.
Der Sensor 100 umfasst ein als Hutsensor, das heißt insbesondere topfförmig ausgebildetes Sensorbauteil 3, welches beispielsweise aus Keramik oder Edelstahl gefertigt ist und welches mit Dehnungsmessstreifen 34 zur Erfassung einer unter einem über einen Prozesszugang 5 von unten zugeführten Prozessdruck erzeugten Durchbiegung und/oder Wölbung versehen ist. Das Sensorbauteil 3 umfasst insbesondere einen ersten dünnen durchbiegungs empfindlichen Abschnitt 3 A, welcher resistiv über die als Dehnungsmessstreifen 34 ausgebildeten Widerstände überwacht wird.
Weiterhin umfasst das Sensorbauteil 3 einen Verstärkungsabschnitt 3C, welcher sich im Randbereich kreisförmig unter dem durchbiegungsempfindlichen Abschnitt 3 A erstreckt.
Um den durchbiegungsempfindlichen Abschnitt 3 A erstreckt sich umlaufend weiterhin ein an diesen angeformter Kopplungsabschnitt 3B, welcher
Kontaktierungsflächen 33 aufweist, welche mit den Dehnungsmessstreifen 34 verbunden sind.
Die Kontaktierungsflächen 33 sind beispielsweise segmentartig um den durch- biegungsempfindlichen Abschnitt 3 A angeordnet und für eine Kontaktierung mit einem als Leiterplatte ausgebildeten weiteren Sensorbauteil 20 ausgebildet. Zu diesem Zweck umfasst das weitere Sensorbauteil 20 korrespondierende
Kontaktierungsflächen 36.
Wahlweise befinden sich auf dem Sensorbauteil 3 oder dem als Leiterplatte ausgebildeten weiteren Sensorbauteil 20 oder auf beiden auf den Kontaktierungs- flächen 33, 36 Nanodrähte 50 zur Ausbildung von Nanodrahtverbindungen 38, 39.
In einer möglichen Ausgestaltung sind mit den Kontaktierungsflächen 36
Durchkontaktierungen 40 des als Leiterplatte ausgebildeten weiteren
Sensorbauteils 20 verbunden, um elektronische Komponenten 10 auf der anderen Seite des als Leiterplatte ausgebildeten weiteren Sensorbauteils 20 elektrisch anzubinden. Auf diese Art und Weise kann eine aufwändige Kontaktierung eines Sensors, welche üblicherweise über möglicherweise fehlerbehaftete Bondprozesse geschieht, adaptiert werden. Weiterhin können Aluminium- oder Goldbonddrähte eingespart werden und die Verbindung des Sensorbauteils 3 und einer Elektronik kann besonders kompakt, auf engstem Raum, erzielt werden.
Wie Figur 4B zu entnehmen ist, ist die Kontaktierungsfläche 33 des Sensorbauteils 3 beispielsweise als Halbkreissegment ausgeführt und mit Nanodrähten 50 versehen, welche mit Nanodrähten 50 des als Leiterplatte ausgebildeten weiteren
Sensorbauteils 20 zu der Nanodrahtverbindung 39 verpresst werden. Hierbei wird das als Leiterplatte ausgebildete weitere Sensorbauteil 20 zum Sensorbauteil 3 positioniert und anschließend die Verpressung durchgeführt.
Zusätzlich ist das als Leiterplatte ausgebildete weitere Sensorbauteil 20 an zumindest einer Stelle durch eine Freimachung ausgedünnt, so dass sich ein flexibler
Leiterplattenabschnitt 21 ergibt. An diesem Leiterplattenabschnitt 21 sind
Nanodrähte 50 angeordnet, welche bei Verbindung mit den Sensorträgerteil 4 eine als Erdungsverbindung ausgebildete Nanodrahtverbindung zum Sensorträgerteil 4 hersteilen. Die Freimachung erlaubt hierbei, insbesondere kleine Höhenunterschiede auszugleichen.
Ein als flexibler Folienleiter ausgebildeter Leiterplattenverbinder 9A stellt die Verbindung zu einer weiterführenden Platine oder einem Steckanschluss zur Ausgabe der Messsignale bereit.
Eine elektrische Ankopplung dieses als Folienleiter ausgebildeten
Leiterplattenverbinders 9A wird beispielsweise über einen Pressverbinder 37 realisiert, welcher beispielsweise beidseitig Nanodrähte 50 zur Ausbildung von Nanodrahtverbindungen 47 auf verschiedenen Pads umfasst, welche beidseitig miteinander über Durchkontaktierungen verbunden sind.
Mittels des Pressverbinders 37 können der als Folienleiter ausgebildete
Leiterplattenverbinder 9A oder Kontaktierungsflächen 32 desselben mit dem als Leiterplatte ausgebildeten weiteren Sensorbauteil 20, einem Steckerbauteil, dem Sensorbauteil 3 und dessen Kontaktierungsflächen 33, einem Gehäuseabschnitt oder Teilflächen des Sensorträgerteils 4 elektrisch dauerhaft verbunden werden, ohne dass Lötprozesse oder aufwändige Steckverbindungen benötigt werden.
Je nach Größe der Kontaktierungsflächen 32 kann auch eine Signalkontaktfläche durch Vergrößerung zu einer Verbindungsfläche für höhere Ströme angepasst werden.
Die Kontaktierungsflächen 32 sind beispielsweise kreisförmig, quadratisch oder rechteckig in der Ausgestaltung möglich, die Nanodrähte 50 können einseitig oder beidseitig angebracht sein. Eine so hergestellte Verbindung erweist sich insbesondere als besonders dauerhaft und ist auch unempfindlich gegenüber Vibrationen und kleinen Dehnungen, wie sie beispielsweise durch Temperaturschwankungen, also Relativbewegungen zwischen den Bauteilen, auftreten können.
Nicht dargestellt, jedoch ebenso möglich, ist eine direkte Verbindung des als flexibler Folienleiter ausgebildeten Leiterplattenverbinders 9A mit einer
Sensoroberfläche des Sensors 3, also anstelle des als Leiterplatte ausgebildeten weiteren Sensorbauteils 20.
Die Erfindung ist nicht auf die vorhergehenden ausführlichen Ausführungsbeispiele beschränkt. Sie kann in dem Umfang der nachfolgenden Ansprüche modifiziert werden. Ebenfalls können einzelne Aspekte aus den abhängigen Ansprüchen miteinander kombiniert werden.
BEZUGSZEICHENLISTE
1 Gehäuse
2 Sensorbauteil
3 Sensorbauteil
3A Abschnitt
3B Kopplungsabschnitt
3C Verstärkungsabschnitt
4 Sensorbauteil, Sensorträgerteil
5 Prozesszugang
5A Prozessöffnung
5B Prozessöffnung
6 Stecker
7 Kontakt
8 Basisplatte
9A Leiterplattenverbinder, Sensorbauteil
9B Kabel
9C Leiterplattenverbinder, Sensorbauteil
10 elektronische Komponente, Sensorbauteil
11 Nanodrahtverbindung
12 Nanodrahtverbindung
13 Mikrosteckerverbindungselement
14 Nanodrahtverbindung
15 Nanodrahtverbindung
16 Nanodrahtverbindung
17 Nanodrahtverbindung
18 Nanodrahtverbindung
19 Gewinde
20 Sensorbauteil
20B Sensorbauteil
21 Leiterplattenabschnitt
23 Raum
24 Schutzmembran
25 Kontur 26 Kühlkörper
30 Nanodrahtverbindung
31 Flexverbinder, Sensorbauteil 32 Kontakti erungsfl äche
33 Kontakti erungsfl äche
34 Dehnungsmesstreifen
35 Nanodrahtverbindung
36 Kontakti erungsfl äche 37 Pressverbinder
38 Nanodrahtverbindung
39 Nanodrahtverbindung
40 Durchkontakti erung 44 Schutzfolienabschnitt
46 Nanodrahtverbindung
47 Nanodrahtverbindung
48 Nanodrahtverbindung
49 Nanodrahtverbindung
50 Nanodraht
51 Auswerteschaltung
100 Sensor

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Sensor (100) zur Erfassung von Druck und/oder Füllstand und/oder
Durchfluss und/oder Dichte und/oder Masse und/oder Temperatur,
aufweisend
ein erstes Sensorbauteil (3) und zumindest ein weiteres
Sensorbauteil (2, 4, 9A, 9C, 20, 20B), wobei
- die beiden Sensorbauteile (2, 3, 4, 9A, 9C, 20, 20B) zueinander verpresst sind,
- zumindest eine Seite zumindest eines Sensorbauteils (2, 3, 4, 9A, 9C, 20, 20B) zumindest im Bereich der Verpressung mit Nanodrähten (50) versehen ist,
- die Sensorbauteile (2, 3, 4, 9A, 9C, 20, 20B) anhand der Nanodrähte (50) zueinander über Kraftschluss und/oder Formschluss fixiert sind und
- mittels der Nanodrähte (50) im Bereich der Verpressung zumindest eine dichtende und/oder thermisch leitende und/oder elektrisch leitende Verbindung zwischen den Sensorbauteilen (2, 3, 4, 9A, 9C, 20, 20B) ausgebildet ist.
2. Sensor (100) nach Anspruch 1, wobei
die Nanodrähte (50) einseitig oder beidseitig direkt auf das zumindest eine
Sensorbauteil (2, 3, 4, 9A, 9C, 20, 20B) aufgebracht sind oder streifenartig als Zwischenfügei age appliziert sind.
3. Sensor (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei
- ein Sensorbauteil (3) eine einem Prozess zugewandte Membran mit einer Dicke von insbesondere 0,03 mm und 0,05 mm ist,
- ein weiteres Sensorbauteil (4) ein Sensorträgerteil (4) ist,
- die Membran mittels eines umlaufenden Kopplungsabschnitts (3B) dichtend am Sensorträgerteil (4) fixiert ist und einen Kanal zum Sensorbauteil (3) verschließt und
- der umlaufende Kopplungsabschnitt (3B) eine kreisrunde Form mit einer
Streifenbreite von 2 mm bis 8 mm aufweist und mit Nanodrähten (50) versehen ist.
4. Sensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
- ein Sensorbauteil (9A, 9C, 20, 20B) eine Leiterplatte oder ein
Leiterplattenverbinder (9A, 9C) oder eine elektronische Komponente (10) ist,
- das Sensorbauteil (9A, 9C, 20, 20B) mittels Nanodrähten (50) zu einem Partnerbauteil fixiert ist und
- das Partnerbauteil das Sensorbauteil (9A, 9C, 20, 20B) thermisch oder elektrisch mit einem anderen Partnerbauteil verbindet.
5. Sensor (100) nach Anspruch 4, wobei
- das Partnerbauteil ein Kühlkörper (26) oder ein Gehäuseabschnitt ist, welcher mit einer vergrößerten Oberfläche im Vergleich zum Sensorbauteil (9A, 9C, 20, 20B) eine Wärmeabfuhr zu einem Sensorinneren oder zu einer Sensorumwelt herstellt, und/oder
- eine Bauteilfläche und/oder eine Bauteilkantenfläche des
Sensorbauteils (9A, 9C, 20, 20B) mit Nanodrähten (50) zur Wärmeabfuhr zum Sensorinneren oder zur Sensorumwelt versehen sind bzw. ist, wobei die
Bauteilfläche und/oder Bauteilkantenfläche kleiner als 40 mm2, insbesondere kleiner als 20 mm2, ist.
6. Sensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
ein Sensorbauteil (2, 3, 4, 9A, 9C, 20, 20B)
- als Kontaktstift,
- als Leiterplatte,
- als Sensorchip,
- als Sensor oder
- als Flexverbinder (31), der als Starr-Flex-Leiterplatte, also als Segment einer Leiterplatte mit einer folienartigen, leitenden mehrpoligen elektrischen Verbindung, ausgeführt ist.
7. Sensor (100) zur Erfassung von Druck und/oder Füllstand und/oder
Durchfluss und/oder Dichte und/oder Masse und/oder Temperatur,
aufweisend
ein erstes Sensorbauteil (3) zur Erfassung von Druck und/oder Füllstand und/oder Durchfluss und/oder Dichte und/oder Masse und/oder Temperatur und zumindest ein weiteres Sensorbauteil (20, 20B), wobei
- das erste Sensorbauteil (3) einen dehnungsempfindlichen Abschnitt (3A),
Kontaktierungsflächen (33) auf einem Kopplungsabschnitt (3B) und
Dehnungsmesswiderstände (34) und/oder Flächen zur kapazitiven Erfassung einer Wölbung des dehnungsempfindlichen Abschnitts (3 A) umfasst,
- das weitere Sensorbauteil (20, 20B) Kontaktierungsflächen (31) aufweist, welche mit Leiterbahnen und Komponenten (10) verbunden sind, die zu einer Auswertung der Wölbung des dehnungsempfindlichen Abschnitts (3 A) ausgebildet sind,
- einzelne Kontaktierungsflächen (33) oder Teile der Kontaktierungsflächen (33) des ersten Sensorbauteils (3) mit Teilflächen der Kontaktierungsflächen (31) des weiteren Sensorbauteils (20, 20B) deckungsgleich sind,
- zumindest eine Kontaktierungsfläche (31, 33) zumindest abschnittsweise mit Nanodrähten (50) versehen ist und
- die Nanodrähte (50) eine fixierende Wirkung und/oder elektrische Verbindung der Sensorbauteile (3, 20, 20B) zueinander herstellt.
8. Sensor (100) nach Anspruch 7, wobei
die Nanodrähte (50) einseitig oder beidseitig direkt auf zumindest eines der
Sensorbauteile (3, 20, 20B) aufgebracht sind oder streifenartig als Zwischenfügelage appliziert sind.
9. Sensor (100) nach Anspruch 7 oder 8, wobei
das erste Sensorbauteil (3) mittels Nanodrähten (50) mit einem Sensorträgerteil (4) verbunden ist.
10. Sensor (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei
das weitere Sensorbauteil (20B) über einen Abschnitt verfügt, welcher über einen Umfang des ersten Sensorbauteils (3) hinausgeht und mittels einer mittels
Nanodrähten (50) gebildeten Nanodrahtverbindung (46) zu einem
Sensorträgerteil (4) elektrisch und mechanisch verbunden ist.
11. Sensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
die Nanodrähte (28) einseitig oder beidseitig aufgebracht und aus Kupfer, Zinn,
Silber, Nickel, Gold oder Edelstahl gebildet sind.
PCT/EP2020/060448 2019-04-17 2020-04-14 Sensor zur erfassung von druck und/oder füllstand und/oder durchfluss und/oder dichte und/oder masse und/oder temperatur WO2020212339A1 (de)

Priority Applications (3)

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