DE10014992C2 - Sensoranordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung, insbesondere für einen Hochdrucksensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Beispielsweise ist aus der DE 196 03 674 A1 ein Drucksensor bekannt, bei dem die Signalerfassung mittels einer Druckmesszelle aus Edelstahl erfolgt, bei der auf der dem Messmedium abgewandten Seite auf einer Messmembran eine Widerstandsmessbrücke, z. B. in Dünnschichttechnik, angeordnet ist. Bewegungen der Messmembran aufgrund von Druckänderungen des Messmediums führen hierbei zu Stauchungen oder Streckungen der Widerstandsbahnen und damit zu Widerstandsänderungen in den jeweiligen Widerständen. Die Ausnutzung dieser Widerstandsänderung und die Signalverstärkung erfolgt mit einer elektronischen Auswerteschaltung, die auf einer Leiterplatte angeordnet ist.

Die Kontaktierung von der Druckmesszelle zur Auswerteschaltung erfolgt hier über eine aufgelötete flexible Leiterbahnfolie oder ggf. auch über einen zusätzlichen Zwischenträger, ein sog. Spacer. Dieser Spacer wird dabei mittels Bondverbindungen mit der Druckmesszelle kontaktiert und die auf dem Spacer platzierte Auswerteschaltung wird verlötet. Die Kontaktierung der Auswerteschaltung an den weiterhin an der Sensoranordnung angebrachten Gerätestecker erfolgt dann entweder durch angelötete flexible Leitungen oder direkt über die Steckerpins, welche im Obergang zum Gehäuse der Sensoranordnung durch Weichgummi abgedichtet werden.

In der DE 39 37 573 A1 wird ein Druckaufnehmer beschrieben, der eine vom Messmedium auslenkbare Messmembran aufweist. Direkt auf der Messmembran ist eine Sensorschaltung angebracht.

Eine Auswerteschaltung ist mit elektrisch leitenden Stützelementen direkt auf der Messmembran angebracht und über diese Stützelemente mit der Sensorschaltung elektrisch verbunden.

Zwar ist die Auswerteschaltung an der Messmembran unter Herstellung elektrischer Verbindungen zwischen der Schaltung und der Sensorschaltung befestigbar, die Verbindung wird aber auch hier mittels Löten hergestellt.

Auch bei dem in der DE 40 09 377 A1 beschriebenen Drucksensor ist die Sensorschaltung direkt auf einer keramischen Messmembran angebracht. Diese Messmembran dient zugleich als Träger für eine Auswertschaltung, die als Hybridschaltung ausgebildet ist. Die Kontaktierung erfolgt hier aber mittels Bondverbindungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sensoranordnung zu schaffen, deren kostengünstiger, konstruktiv einfacher Sensoraufbau bei einer hohen Schüttel- und Temperaturbelastungen zur Hochdruckmessung in aggressiven Medien, wie z. B. Öl, Diesel, Benzin, oder Bremsflüssigkeit in Kraftfahrzeug, geeignet ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Sensoreinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst, Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei dieser Sensoreinrichtung ist die Auswerteschaltung als Hybridschaltung mit der Sensorschaltung, d. h. mit der Messbrücke an der Messmembran, unter Herstellung elektrischer Verbindungen zwischen der Auswerteschaltung und der Sensorschaltung und einer Masseverbindung zum Gehäuse der Sensoranordnung, direkt befestigbar.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform werden die Kontaktierungen der Anschlüsse der Hybridschaltung mit den Steckerstiften des Gerätesteckers in der Sensoranordnung mittels Druckkontakten hergestellt. Die Druckkontakte können dabei auf einfache Weise entweder s-förmige Blattfedern oder Schraubendruckfedern sein, wobei die Schraubenfedern entweder auf der Hybridschaltung oder am Gerätestecker in einer Hülse als Halterung geführt sind.

Die elektronische Auswerteschaltung wird in an sich bekannter Hybridtechnik, z. B. als ASIC, gefertigt und kann direkt mit einer die Messmembran tragenden Messzelle über eine Klebung verbunden werden. Die notwendige elektrische Verbindung zur Gehäusemasse der Sensoranordnung wird dabei in vorteilhafter Weise ohne weitere Bauteile erreicht. Aufwendige Löt- oder Bondprozesse können hierbei entfallen, da die elektrischen Verbindungen gleichzeitig mit der Befestigung der Hybridschaltung vorgenommen werden. Auch die beim Stand der Technik erforderlichen flexiblen Folien oder ein Zwischenträger, sog. Spacer, als Verbindungselemente sind hier nicht erforderlich, wodurch erhebliche Kosten erspart werden können.

Weitere Vorteile der Anordnung sind die sehr kurzen und symmetrischen elektrischen Verbindungen zwischen der Messbrücke und der Auswerteschaltung. Damit wird eine sehr gute Verträglichkeit gegenüber elektromagnetischer Einstrahlung erreicht. Die somit kompakte Bauform reduziert nicht nur die Anzahl von elektrischen Verbindungselementen sondern damit auch die Anzahl möglicher Ausfallstellen, wodurch die Lebensdauer der Sensoranordnung erhöht wird. Zudem weist die kompakte Bauform weniger schwingungsanfälligere mechanische Teile auf und die Sensoranordnung ist schüttelbeständiger.

Mit den Schraubendruckfedern oder der s-förmigen Blattfedern ist eine einfache, automatisierte Montage des Gerätesteckers möglich.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Druckmesszelle auf einem mehrteiligen Druckstutzen montiert ist, bei dem die Messzelle zunächst auf einem Gewindestutzen befestigt ist, der zur Einleitung des Messmediums auf ein Aggregat aufschraubbar ist. Der Gewindestutzen ist mit einem Grundgehäuse fest verbunden.

Mit dem so geteilten Druckstutzen, bei dem das Grundgehäuse und der Gewindestutzen getrennt hergestellt werden können, wird eine kleinere Bauhöhe der Sensoranordnung erreicht, da die Druckmesszelle zunächst ohne das Grundgehäuse auf den Gewindestutzen radial geschweißt werden kann. Die Herstellung des Druckstutzens ist damit kostengünstiger und an dem Gewindestutzen ist eine deutlich geringere Zerspanarbeit gegenüber der einteiligen Ausführung erforderlich.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Gewindestutzen anschließend mit dem Grundgehäuse gewindeseitig verschweißt wird. Das Grundgehäuse kann dabei auf einfache Weise als ein für die Montage auf einem Aggregat vorteilhaften Sechskantgehäuse ausgeführt sein, wobei entweder ein gefrästes oder ein besonders kostengünstiges Tiefziehteil in Frage kommt. Ein solches Sechskantgehäuse kann aus weniger festem und damit kostengünstigerem Material als der Druckstutzen gefertigt werden. Außerdem ist über die somit entstehende Metallummantelung der Auswerteschaltung ein verbessertes EMV-Verhalten der Sensoranordnung zu erwarten, wobei dies insbesondere bei den kleinen Signalhüben der Druckmesszelle vorteilhaft ist.

Insgesamt ist mit dem geteilten Druckstutzen eine mechanische Spannungseinleitung in die Messzelle und damit eine Signaldrift durch das Anzugsmoment minimiert und durch das separate Grundgehäuse ist ein kürzerer Gerätestecker aus Kunststoff möglich, wodurch sich dessen mechanische Anbindung und damit die Schüttelbeständigkeit der gesamten Anordnung verbessert.

Die Sensoranordnung kann vorzugsweise ein Hochdrucksensor zur Bestimmung des Drucks von Öl, Diesel, Benzin oder Bremsflüssigkeit in einem Kraftfahrzeug sein.

Ausführungsbeispiele einer Sensoranordnung für einen Hochdrucksensor werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Hochdrucksensors mit einer Hybridschaltung an einer Druckmesszelle, die über einen separaten Gewindestutzen an einem Sechskantgehäuse befestigt ist;

Fig. 2 eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels nach der Fig. 1 mit einem Tiefziehteil als Sechskantgehäuse und

Fig. 3 einen Querschnitt durch das Sechskantgehäuse nach der Fig. 2.

In Fig. 1 ist ein Hochdrucksensor 1 dargestellt, dessen Gehäuseteile aus einem Gewindestutzen 2, einem Sechskantgehäuse 3 und einem Gerätestecker 4 bestehen. Mit dem Sechskantgehäuse 3 ist die gesamte Anordnung über den Gewindestutzen 2 auf ein Aggregat oder an eine druckführende Leitung, z. B. ein Rail, schraubbar. In das Sechskantgehäuse 3 ist der Gerätestecker 4 über Dichtungen oder sonstige Verbindungsmethoden fest einfügbar.

Im Gewindestutzen 2 befindet sich ein Einlass 5 für das zu messende druckführende Medium und es ist am Abschluss des Einlasses 5 eine Druckmesszelle 6 mit einer Messmembran angeordnet. Die Druckmesszelle 6 ist am Gewindestutzen 2 radial verschweißt.

An die Druckmesszelle 6 ist hier eine Metallscheibe 7 oder eine Metallhülse elektrisch leitend so angebracht, dass die Scheiben- oder Hülsenstirnfläche mit der Membranfläche, auf der sich eine in an sich bekannter Weise arbeitende Widerstandsmessbrücke befindet, eine Ebene bildet. Auf dieses Gebilde ist die Leiterplatte mit einer Hybridschaltung 8 als Auswerteschaltung angebracht.

Die Hybridschaltung 8, z. B. ein sogenanntes ASIC, hat auf der, der Druckmesszelle 6 zugewandten Seite, Kontaktflächen 9 und 10, die über Durchkontaktierungen mit der gegenüberliegenden Bauteilseite elektrisch verbunden sind. Die Kontaktflächen 9 sind geometrisch so angeordnet, dass sie beim Zusammenfügen mit den Kontaktflächen der Widerstandsmessbrücke auf der Druckmesszelle 6 eine elektrische Verbindung herstellen. An der ev. umlaufenden Kontaktfläche 10 wird die Kontaktierung für die Gehäusemasse über die Metallscheibe 7 hergestellt.

Mit einem Leitkleber wird bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Hybridschaltung 8 an den Kontaktflächen 9 und 10 auf die Druckmesszelle 6 und die Metallscheibe 7 oder die Hülse geklebt. Damit ist auf einfache Weise sowohl die Kontaktierung der Hybridschaltung 8 zur Gehäusemasse und zur Widerstandsmessbrücke als auch die Befestigung der Hybridschaltung 8 hergestellt.

Die elektrische Verbindung von der Hybridschaltung 8 zu den Steckerstiften 11 im Gerätestecker 4 erfolgt beim Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1 beispielsweise über eine Druckfeder, bzw. eine s-förmige Blattfeder 13. Eine Seite der Blattfeder 13 ist hier direkt mit einem Leitkleber auf die Hybridschaltung 8 geklebt und kontaktiert auf der anderen Seite Steckerkontakte 14 der Steckerstifte 11. Bei der Kontaktierung mit der Druckfeder ist auf der Hybridschaltung 8 eine Hülse 15 als Halterung aufgeklebt.

Aus Fig. 2 und Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel zu entnehmen, bei dem ein Sechskantgehäuse 20 als Tiefziehteil hergestellt ist. Gleiche oder gleichwirkende Bauelemente sind hier mit den gleichen Bezugszeichen wie bei der Fig. 1 versehen. Eine Druckmesszelle 21 ist lediglich geometrisch angepasst an diese Ausführung entsprechend gestaltet und der Gerätestecker 4 ist über einen Klebstoff 22 am Sechskantgehäuse 20 gehalten.

Die Kontaktierung der Hybridschaltung mit den Steckerstiften 11 erfolgt hier mit Kontakten 23 und Schraubendruckfedern 12, die am Gerätestecker 4 in entsprechenden Hülsen 24 gehalten sind.

Claims (8)

1. Sensoranordnung mit einer Druckmesszelle (6), die eine Messmembran aufweist, welche von dem druckbeaufschlagten Messmedium auslenkbar ist, mit einer Sensorschaltung, die direkt auf der Messmembran angebracht ist sowie einer damit verbundenen elektronischen, als Hybridschaltung ausgebildeten Auswerteschaltung (8) und mit einem mit der Sensorschaltung und/oder der Hybridschaltung (8) kontaktierbaren Gehäusestecker (4), wobei die Hybridschaltung (8) mittels einer Klebung an der Messmembran unter Herstellung elektrischer Verbindungen (9, 10) zwischen der Hybridschaltung (8) und der Sensorschaltung und einer Masseverbindung zum Gehäuse (2, 3) der Sensoranordnung (1) direkt befestigt ist, und wobei die Kontaktierung der Anschlüsse der Hybridschaltung (8) mit Steckerstiften (11) des Gehäusesteckers (4) mittels Druckkontakten (12, 13; 23) bewirkt ist.

2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckkontakte s-förmige Blattfedern (13) sind, die entweder auf der Hybridschaltung (8) oder am Gerätestecker (4) in einer Hülse (15) als Halterung geführt sind.

3. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckkontakte Schraubendruckfedern (12; 23) sind, die entweder auf der Hybridschaltung (8) oder am Gerätestecker (4) in einer Hülse (24) als Halterung geführt sind.

4. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass

• - die Druckmesszelle (6) an einem mehrteiligen Druckstutzen gehalten ist, bei dem die Druckmesszelle (6) auf einem Gewindestutzen (2) befestigt ist, der zur Einleitung des Messmediums auf ein Aggregat oder eine Leitung aufschraubbar ist, und dass
• - der Gewindestutzen (6) mit einem Grundgehäuse (3; 20) zur Montage der Sensoranordnung (1) und zur Aufnahme des Gerätesteckers (4) fest verbunden ist.

5. Sensoranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckmesszelle (6) auf dem Gewindestutzen (2) radial verschweißt ist und der Gewindestutzen (2) mit dem Grundgehäuse (3) gewindeseitig verschweißt ist.

6. Sensoranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundgehäuse ein Sechskantgehäuse (3; 20) ist.

7. Sensoranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Sechskantgehäuse (20) ein Tiefziehteil ist.

8. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (1) ein Hochdrucksensor zur Bestimmung des Drucks von Öl, Diesel, Benzin oder Bremsflüssigkeit in einem Kraftfahrzeug ist.