DE102005052929B4

DE102005052929B4 - Sensor für ein Luftfahrzeug, insbesondere ein Flugzeug oder Hubschrauber

Info

Publication number: DE102005052929B4
Application number: DE102005052929A
Authority: DE
Inventors: Alois Dr. 85625 Friedberger; Christain Dipl.-Phys. 82008 Gradolph; Thomas 84416 Ziemann; Valentin Dr.rer.nat. 81827 Klöppel
Original assignee: Eurocopter Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Helicopters Deutschland GmbH
Priority date: 2005-11-03
Filing date: 2005-11-03
Publication date: 2011-07-21
Anticipated expiration: 2025-11-04
Also published as: DE102005052929A1; US7726200B2; FR2892813A1; US20070186672A1; FR2892813B1

Abstract

Sensor für ein Luftfahrzeug, insbesondere ein Flugzeug oder Hubschrauber, wobei der Sensor in die Tragfläche des Luftfahrzeugs integriert ist, wobei der Sensor einen Kapselträger und eine Sensorkapsel aufweist; wobei der Kapselträger (20) in die Tragfläche integriert und zur Aufnahme einer Sensorkapsel (10) ausgestaltet ist; wobei die Sensorkapsel (10) lösbar in dem Kapselträger (20) befestigt ist und in ihrem Innenraum ein Messelement (13) zur Messung eines Umgebungsparameters angeordnet ist, wobei Kontaktelemente (17a, 17b) zur elektrischen Verbindung der Sensorkapsel (10) mit dem Kapselträger (20) vorgesehen sind dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorkapsel (10) durch eine Magnetkraft im Kapselträger (20) gehalten wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor für ein Luftfahrzeug, insbesondere Flugzeug oder Hubschrauber gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
In Tragflächen von Flugzeugen und in Rotorblättern von Hubschraubern werden zunehmend Sensoren zur Messung von Umgebungsparametern, wie z. B. Druck, Temperatur, Strömung, usw. integriert. Derartige Sensoren sind im Betrieb besonders rauen Umgebungsbedingungen ausgesetzt. Beispielsweise können die Sensoren durch auftreffende Partikel oder Verschmutzen, wie z. B. durch Staub und Insekten, beschädigt werden.
Gerade beim Einsatz in Tragflächen bzw. Rotorblättern sind die Sensoren zudem auch extremen Witterungseinflüssen, wie z. B. Frost, wechselnden Temperaturen und wechselndem Luftdruck ausgesetzt.
Bei einer Verschmutzung oder einem Defekt der Sensoren müssen diese gewechselt werden, was mit einem hohen Aufwand und entsprechend hohen Wartungskosten des Flugzeuges oder Hubschraubers verbunden ist.
Die DE 199 23 087 A1 beschreibt die herkömmliche Integration von Messsensoren in einem Flügelprofil. Dabei wird der Messsensor innerhalb der Flügelhaut angeordnet und mittels Kabelsteckverbindungen konnektiert. Ein leichter Ausbau bzw. Austausch im Schadensfall ist hier nicht möglich. Gemäß der Lehre der DE 199 23 087 A1 ist der gesamte Sensor direkt mit dem Flügel verbunden, wodurch beim Ausbau des Sensors die Flügelaußenhaut zumindest geöffnet und die Kabel-Steckverbindung herausgezogen und abgesteckt werden muss.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, die Wartungskosten von sensorbestückten Hubschraubern und Flugzeugen zu reduzieren und einen integrierbaren Sensor zu schaffen, der einfacher und schneller in Stand gesetzt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch den Sensor für ein Luftfahrzeugen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Der erfindungsgemäße integrierbare Sensor für Tragflächen von Flugzeugen und Hubschraubern umfasst eine Sensorkapsel, in deren Innenraum ein Messelement zur Messung eines Umgebungsparameters angeordnet ist, einen Kapselträger, der in eine Tragfläche eines Luftfahrzeuges integrierbar ist und zur Aufnahme und lösbaren Befestigung der Sensorkapsel ausgestaltet ist, und Kontaktelemente zur elektrischen Verbindung der Sensorkapsel mit dem Kapselträger. Erfindungsgemäß wird die Sensorkapsel durch eine Magnetkraft im Kapselträger gehalten. Dadurch ergibt sich eine noch weitere Reduzierung des Aufwandes beim Montieren bzw. beim Austauschen der Sensorkapsel. Dennoch wird die Sensorkapsel durch die Magnetkraft sicher im Kapselträger gehalten, wobei sie hohen Beschleunigungen standhält. Die Magnetkraft wird beispielsweise durch einen Permanentmagneten oder durch einen Elektromagneten z. B. im Kapselträger erzeugt. Dabei hat ein Elektromagnet den besonderen Vorteil, dass er eine noch stärkere Kraft zur Halterung der Sensorkapsel ausübt und zum Auswechseln der Sensorkapsel abgeschaltet werden kann. Ein Permanentmagnet hat dagegen den Vorteil, eines einfacheren Aufbaus des Sensors bzw. eines geringeren konstruktiven Aufwandes.
Dabei kann der Permanentmagnet z. B. im Kapselträger angeordnet sein, während in der Sensorkapsel z. B. ferromagnetisches Metall wie beispielsweise Eisen angeordnet ist. Alternativ dazu ist es auch möglich, den Permanentmagneten in der Kapsel anzuordnen und im Kapselträger ferromagnetisches Metall. Dies hat den Vorteil, dass beim Einlaminieren des Kapselträgers in das CFK-Material des Rotorblattes bzw. der Tragfläche eine Beschädigung des Permanentmagneten aufgrund der Wärmeentwicklung und ggf. eine Überschreibung der Curietemperatur des Permanentmagneten vermieden wird. Alternativ dazu ist es auch möglich, sowohl in der Sensorkapsel als auch im Kapselträger einen Permanentmagneten anzuordnen.
Gemäß der Erfindung wird eine Flugzeugtragfläche bereit gestellt, in der ein erfindungsgemäßer Sensor integriert ist.
Durch die Erfindung kann bei einem Sensordefekt oder bei einer Verschmutzung der defekte Teil des Sensors leicht ausgetauscht werden, ohne dass der gesamte Sensor aus der Tragfläche oder dem Rotorblatt entnommen werden muss. D. h. es können austauschbare Sensorkapseln verwendet werden, die bei einem Defekt einfach ausgewechselt werden. Elektrische Verbindungen, Kabel, usw. müssen nicht demontiert und anschließend neu montiert werden, sondern können an Ort und Stelle verbleiben. Das Entfernen zum Beispiel des Rotorblattes und Integration eines neuen Rotorblattes inklusive der notwendigen Verkabelung ist bei einem defekten Sensor nicht mehr erforderlich. Durch die Integration des Messelements in der Sensorkapsel und die Aufnahme der Sensorkapsel in dem Kapselträger ergibt sich zudem ein besonders zuverlässiger und robuster Sensor mit einer erhöhten Lebensdauer. Die Wartungskosten von Hubschraubern und Flugzeugen werden erheblich reduziert.
Bevorzugt sind die Kontaktelemente elastisch ausgestaltet. Dadurch wird eine besonders zuverlässige elektrische Verbindung zwischen Sensorkapsel und Kapselträger bereitgestellt, die einfach hergestellt und schnell wieder gelöst werden kann. Es besteht keine Gefahr, dass die Kontakte brechen oder durch eindringendes Wasser beschädigt werden, wie es z. B. bei Kontaktstiften oder Pins der Fall wäre.
Vorteilhafterweise ist das Messelement ein Drucksensorelement. Dadurch kann der integrierbare Sensor als Drucksensor ausgestaltet sein. Es ist aber auch möglich, andere Messelemente zu verwenden, beispielsweise Elemente zur Messung der Strömung, der Temperatur, der Feuchtigkeit, der Beschleunigung und anderer physikalischer Parameter.
Vorteilhaft ist der Kapselträger dauerhaft in einem Rotorblatt oder einer Flugzeugtragfläche integriert.
Bevorzugt ist der Innenraum der Sensorkapsel von einer Kapselwand umgeben, deren äußere Form an die Innenseite des Kapselträgers angepasst ist. Dadurch ist einerseits das Messelement im Innenraum der Sensorkapsel geschützt, und andererseits kann die Sensorkapsel vollständig in dem Kapselträger aufgenommen werden und dort sicher gehalten werden.
Bevorzugt ist die Sensorkapsel mit einem Schutzdeckel versehen, der mindestens eine durchgehende Öffnung als Luftdurchlass aufweist. Durch diese Maßnahme ergibt sich ein besonders guter Schutz des Messelements im Innenraum der Sensorkapsel, wobei dennoch die Umgebungsluft zum Messelement im Innenraum gelangen kann.
Vorteilhafterweise verläuft die Oberfläche des Schutzdeckels der Sensorkapsel im integrierten Zustand des Sensors plan mit der Oberfläche der Tragfläche. Dadurch bleibt die Strömung an der Tragfläche weitgehend unbeeinflusst vom Sensor.
Vorteilhafterweise verläuft die durchgehende Öffnung im Schutzdeckel zumindest teilweise schräg oder quer zur Oberfläche des Schutzdeckels. Durch diese Strukturierung des Schutzdeckels wird ein direkter Aufprall von Partikel auf das Messelement im Innenraum der Sensorkapsel aufgrund der Geometrie der durchgehenden Öffnungen verhindert.
Insbesondere kann das Messelement mindestens zwei miteinander verbondete Wafer umfassen, die derart geformt sind, dass sie eine durch eine Membran abgedichtete Kavität bilden. Dadurch wird ein besonders zuverlässiger Drucksensor geschaffen, der auf kostengünstige Weise herstellbar ist und genaue Messergebnisse liefert. Er hat zudem eine sehr lange Lebensdauer.
Bevorzugt weist der Kapselträger planare elektrische Kontakte zur Kontaktierung der elastischen Kontaktelemente der Sensorkapsel auf. Durch diese planare Oberfläche des Kapselträgers ergibt sich eine sehr sichere und zuverlässige elektrische Verbindung zwischen Kapselträger und Sensorkapsel, die leicht lösbar ist und gegen Beschädigungen wie z. B. Knicken, Brechen oder durch Eindringen von Wasser geschützt ist.
Vorteilhafterweise hat der Kapselträger eine Wand, deren Innenseite an die äußere Form der Sensorkapsel angepasst ist. Dadurch kann z. B. eine formschlüssige Integration der Sensorkapsel in den Kapselträger erfolgen. Zusätzlich ist die Sensorkapsel gegenüber starken Radialkräften, wie sie beispielsweise beim rotierenden Rotorblatt auftreten, durch die Führung im Kapselträger gesichert.
Bevorzugt stehen der Kapselträger und die Sensorkapsel mittels einer Einkerbung und einem entsprechenden Vorsprung in gegenseitigem Eingriff, um ein gegenseitiges Verdrehen zu verhindern. Durch diese Maßnahme kann die Sensorkapsel definiert in den Kapselträger eingebracht werden, sodass die Kontaktelemente der Sensorkapsel jeweils genau auf den planaren Kontakten des Kapselträgers aufliegen. Ein gegenseitiges Verdrehen von Sensorkapsel und Kapselträger wird durch die Einkerbung und den entsprechenden Vorsprung verhindert.
Vorteilhafterweise umfasst das Messelement eine Kavität, die durch eine biegbare Membrane hermetisch verschlossen ist, wobei die der Membran gegenüberliegende Innenseite der Kavität an die Kontur der Membran im durchgebogenen Zustand angepasst ist. Durch diese Maßnahme wird die Membran besser vor Beschädigungen geschützt, da die Membran selbst bei inhomogener exzentrischer Belastung flächig auf der konturierten Innenseite der Kavität anliegt. Durch die Begrenzung der Durchbiegung der Membran ergibt sich zudem ein Überlastungsschutz bei zu hohem Druck, wodurch ein Reißen der Membran verhindert wird.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Rotorblatt für Hubschrauber bereitgestellt, in dem ein erfindungsgemäßer Sensor integriert ist.
Nachfolgend wir die Erfindung beispielhaft anhand der Figuren beschrieben, in denen
1 eine Sensorkapsel als Teil des erfindungsgemäßen Sensors gemäß einer bevorzugten Ausführungsform zeigt;
2 ein Beispiel für einen Kapselträger zur Aufnahme der in 1 gezeigten Sensorkapsel zeigt;
3 den erfindungsgemäßen integrierbaren Sensor gemäß der bevorzugten Ausführungsform in einer Schnittansicht schematisch zeigt;
4 schematisch einen Schnitt durch einen Schutzdeckel gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform zeigt; und
5a und b ein Drucksensorelement als Messelement des Sensors gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in geradem und gebogenem Zustand der Membran zeigen.
1 zeigt in einer schematischen Ansicht eine Sensorkapsel 10 als Teil des integrierbaren Sensors gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Die Sensorkapsel 10 ist in diesem Beispiel als Drucksensorkapsel bzw. Drucksensor ausgestaltet. Sie umfasst eine Kapselwand 11, die einen Innenraum 12 umschließt, in dem ein Messelement 13, in diesem Beispiel ein Druckmesselement, angeordnet ist. An der Oberseite der Sensorkapsel 10 befindet sich ein Schutzdeckel 14, der zwei durchgehende Öffnungen 2a, 2b, aufweist. Die durchgehenden Öffnungen 2a, 2b bilden einen Luftzugang zum Messelement 13 bzw. eine Verbindung zwischen dem Innenraum 12 und der äußeren Umgebung der Sensorkapsel. Der Schutzdeckel 14 verschließt den Innenraum 12 bzw. trennt das darin gelegene Messelement 13 vom Außenraum. I. d. R. sind eine Vielzahl von durchgehenden Öffnungen 2a, 2b kreisförmig auf dem Schutzdeckel 14 angeordnet. Sie befinden sich im äußeren Bereich, so dass sie nicht direkt vertikal über dem Messelement bzw. über der Membran 13c liegen. Dadurch gelangen durch die Öffnungen 2a, 2b tretende Partikel nicht auf die Membran des Messelements 13.
An der Unterseite der Sensorkapsel befindet sich ein Kapselboden 15, auf dem das Messelement 13 gelagert ist. Der Kapselboden 15 verschließt den Innenraum 12 an der Unterseite der Sensorkapsel. Im Kapselboden 15 sind elektrische Durchführungen 16a, 16b angeordnet, die jeweils eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Innenraum 12 und außen gelegenen Kontaktelementen 17a, 17b bilden. Die Kontaktelemente 17a, 17b sind an der Unterseite des Kapselbodens 15 angeordnet und als elastische Kontaktpads ausgestaltet.
Im Kapselboden 15 ist weiterhin ein Permanentmagnet 18 angeordnet, der zur Ausübung einer magnetischen Kraft zur Befestigung der Sensorkapsel 10 im Kapselträger dient. Der Permanentmagnet 18 ist im Kapselboden 15 integriert, wobei ein Teilstück des Permanentmagneten 18 an der Unterseite des Kapselbodens 15 herausragt.
An der Unterseite der Sensorkapsel 10 ist ein Dichtungselement 19 angeordnet, das kreisförmig bzw. als Ring ausgestaltet ist und unterhalb der zylindrischen Kapselwand 11 befestigt ist. Das Dichtelement 19 dient zur Abdichtung der Unterseite der Sensorkapsel 10 mit den dort befindlichen Kontaktelementen 17a, 17b, wenn die Sensorkapsel 10 im Kapselträger integriert ist. Durch das Dichtelement 19 werden alle Bauelemente, die sich im Bereich unterhalb der Sensorkapsel 10 im integrierten Zustand befinden, vor Feuchtigkeit und sonstigen störenden Umgebungseinflüssen geschützt.
Das Messelement 13, das in diesem Beispiel als Drucksensor bzw. Drucksensorelement ausgestaltet ist, besteht aus einem oberen Wafer 13a und einem unteren Wafer 13b, die miteinander verbonden sind. Der obere Wafer 13a ist in diesem Beispiel aus Silizium gefertigt und umfasst einen zentralen Teilbereich, der besonders dünn ausgestaltet ist und eine biegbare Membran 13c bildet. An der biegbaren Membran 13c sind Piezoelemente bzw. Piezowiderstände angeordnet, die in der Figur nicht dargestellt sind und bei einer Verbiegung der Membran 13c elektrische Signale erzeugen.
Der untere Wafer 13b ist aus Pyrex oder Silizium hergestellt und weist an seiner Oberseite im Zentrum eine Ausnehmung 13d auf, die durch die darüberliegende Membran 13c hermetisch verschlossen ist und eine abgedichtete Kavität bildet. Bei einer Veränderung des von außen auf die Membran 13c wirkenden Druckes wird diese verbogen und ein Messsignal abgegeben.
Zur Weiterleitung der Messsignale, die vom Messelement 13 erzeugt werden, sind Kontaktierungen 3a, 3b bzw. Chipkontaktierungen vorgesehen, beispielsweise in Form von Drahtbonden oder Flip Chips, die eine elektrische Verbindung zwischen den Messelementen 13 und den elektrischen Durchführungen 16a, 16b im Kapselboden 15 bilden.
2 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Kapselträger 20, der ein weiteres Element des erfindungsgemäßen integrierbaren Sensors gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bildet. Der Kapselträger 20 hat an seiner Außenseite eine Trägerwand 21, die zylindrisch geformt ist und einen Innenraum 22 umgibt, der zur Aufnahme der in 1 gezeigten Sensorkapsel 10 dient. Zu diesem Zweck ist die Innenseite der Trägerwand 21 in ihrer Größe und Form an die Außenseite der Kapselwand 11, der in 1 gezeigten Sensorkapsel 10 angepasst. Dabei sind die Abmessungen der Trägerwand 21 so gewählt, dass die Sensorkapsel 10 leicht in den Kapselträger 20 eingefügt bzw. aus dem Kapselträger 20 entfernt werden kann und dennoch ein sicherer Halt der Sensorkapsel 10 gegenüber einem seitlichen Verschieben, z. B. aufgrund von auftretenden Beschleunigungen, gewährleistet ist.
Die Unterseite des Kapselträgers 20 wird durch einen Trägerboden 23 gebildet, in dem elektrische Durchführungen 24a, 24b vorgesehen sind. Die elektrischen Durchführungen 24a, 24b verbinden planare Kontaktelemente 25a, 25b, die an der Oberseite des Trägerbodens 23 angeordnet sind, elektrisch mit einem Anschlusselement 26 in Form eines Anschlusskabels an der Außenseite des Kapselträgers 20.
Die planaren Kontaktelemente 25a, 25b sind im Trägerboden 23 auf dessen Oberseite integriert, so dass die Oberseite des Trägerbodens 23 und die Oberseiten der planaren Kontaktelemente 25a, 25b in einer Ebene liegen. Die planaren Kontaktelemente 25a, 25b dienen zur elektrischen Kontaktierung der elastischen Kontaktelemente 17a, 17b an der Unterseite der Sensorkapsel 10 (siehe 1), wenn sich die Sensorkapsel 10 im Innenraum 22 des Kapselträgers 20 befindet. Die Ausbildung der Kontakte auf einer planaren Oberfläche stellt sicher, dass der ins Rotorblatt zu integrierende Kapselträger eine hohe Lebensdauer und große Zuverlässigkeit aufweist.
Zur Befestigung der Sensorkapsel 10 im Kapselträger 20 ist ein Permanentmagnet 27 im Zentrum des Trägerbodens 23 integriert. Der Permanentmagnet 27 dient zur Ausübung einer magnetischen Kraft auf den Permanentmagneten 18 der Sensorkapsel 10, wenn sich die Sensorkapsel 10 im Kapselträger 20 befindet.
3 zeigt schematisch eine Schnittansicht des integrierbaren Sensors gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wobei die Sensorkapsel 10 im Kapselträger 20 montiert ist.
Die Elemente der Sensorkapsel 10 und des Kapselträgers 20 sind mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet wie in den 1 und 2, wobei auf die Beschreibung zu den 1 und 2 Bezug genommen wird.
Im montierten Zustand befindet sich die Sensorkapsel 10 vollständig im Kapselträger 20, d. h., die Oberseite der Sensorkapsel 10 liegt in einer Ebene mit der Oberseite der Trägerwand 21 des Kapselträgers 20. Durch die magnetischen Kräfte, die von den Permanentmagneten 18, 27 gegenseitig ausgeübt werden, wird die Sensorkapsel 10 vertikal im Kapselträger 20 fixiert. Seitlich bzw. horizontal erfolgt die Fixierung durch die umgebende Trägerwand 21. Die elastischen Kontaktelemente 17a, 17b der Sensorkapsel 10 sind in vertikaler Richtung leicht zusammengedrückt bzw. komprimiert und liegen vollständig an den planaren ausgestalteten Elementen 25a, 25b des Kapselträgers an. Sie sind umgeben von dem Dichtelement 19, das ebenfalls leicht in vertikaler Richtung komprimiert ist und den Raum zwischen der Sensorkapsel 10 und dem Kapselträger 20 abdichtet. Dadurch wird das Vordringen von Feuchte an die elektrische Kontaktierung verhindert, wenn Feuchte entlang der Fläche zwischen der Innenseite der Trägerwand 21 und der Außenseite der Kapselwand 11 nach unten vordringt.
4 zeigt einen Schnitt durch einen Schutzdeckel 34 gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, der in eine Tragfläche 50 integriert ist und dessen Oberfläche plan mit der Oberfläche 51 der Tragfläche 50 verläuft. Der Schutzdeckel 34 entspricht in seiner Funktion weitgehend dem Schutzdeckel 14 der in 1 gezeigten Sensorkapsel 10. Jedoch weist der Schutzdeckel 34 durchgehend Öffnungen 35a, 35b auf, die derart geometrisch geformt sind, dass ein direkter Aufprall von Partikeln, die sich oberhalb des Schutzdeckels befinden, auf das darunter gelegene Messelement 13 (siehe 1) verhindert wird. D. h., der Schutzdeckel 34 ist derart strukturiert, dass die durchgehenden Öffnungen 35a, 35b nicht auf dem kürzesten Wege durch den Schutzdeckel 34 verlaufen, sondern schräg bzw. treppenförmig oder in Stufen durch den Schutzdeckel 34 hindurch verlaufen. Dadurch wird das Messelement 13 im Innenraum der Sensorkapsel wirksam vor äußeren Einflüssen, insbesondere vor auftreffenden Partikeln, geschützt.
5a und 5b zeigen das Messelement 13 der in 1 gezeigten Sensorkapsel 10 in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung. Dabei zeigt 5a das Messelement 13 in einem Zustand, in dem die Membran 13c nicht durchgebogen ist, während 5b das Messelement 13 in einem Zustand zeigt, in dem die Membran 13c maximal durchgebogen ist.
In der hier dargestellten Ausführungsform ist der obere Wafer 13a mit seiner Membran 13c so ausgestaltet, wie bereits unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. Der untere Wafer 13b weist jedoch eine Vertiefung bzw. Ausnehmung 13f auf, die an die Form der Membran 13c im Zustand maximal erlaubter Durchbiegung angepasst ist. D. h., die Oberfläche des unteren Wafers 13b, welche die untere Begrenzung der Kavität 13d darstellt, ist so geformt, dass sie die Kontur der Membran 13c aufweist für den Fall, dass die Membran 13c die maximal erlaubte Durchbiegung hat.
Somit liegt die Membran 13c selbst bei einer inhomogenen exzentrischen Belastung sofort flächig am unteren Wafer 13b an, der einen Anschlag für die durchgebogene Membran 13c bildet, und wird nicht zerstört.
Die normale Druckmessung wird nicht beeinflusst, da die Membran 13c in diesem Fall nicht am Anschlag anliegt. Die Herstellung dieser Geometrie wird ermöglicht, in dem Techniken der Mikromechanik zur Bearbeitung der Wafer angewendet werden, wie sie z. B. bei der Herstellung von Mikrolinsen erfolgen.
Bei der Herstellung werden der obere Wafer 13a und der untere Wafer 13b verbondet. Der obere Wafer 13a bildet den Membranwafer, während der untere Wafer 13b zum Versiegeln und Erzeugen der Kavität mit einem Referenzdruck dient, wie z. B. Vakuum. Die Tiefe der Kavität kann so angepasst werden, dass die Membran 13c bei hoher Durchbiegung unten, d. h. an der Oberseite des unteren Wafers 13b anstößt. Dadurch ergeben sich eine Begrenzung der Durchbiegung der Membran und ein Überlassschutz bei zu hohem Druck, der die Membran 13c vor einem Zerreißen schützt. Bei einer homogenen Belastung der Membran 13c, wie sie z. B. bei Überdruck auftritt, ist die besondere Ausformung der Vertiefung 13f, wie sie in den 5a und 5a gezeigt ist, nicht zwingend notwendig, da die Mitte der Membran in diesem Fall maximal durchbogen ist und an die Begrenzung anstößt. Jedoch würde sich die Membran 13c bei einer zu starken inhomogenen Belastung, wie sie z. B. durch heftigen Partikeleinschlag in der Nähe des Membranrandes erfolgen kann, lokal zu stark durchbiegen und brechen. In diesem Fall wird eine Beschädigung der Membran 13c durch die besondere Ausgestaltung des Messelements, wie in den 5a und 5b gezeigt ist, verhindert.
Im Folgenden werden noch weitere mögliche vorteilhafte Ausgestaltungen gezeigt:
Der Übergangswiderstand bei der elektrischen Kontaktierung der Sensorkapsel 10 mit dem Kapselträger 20 wird in der Regel nicht konstant sein, weshalb eine Vierpunktmessung mit sechs Kontakten wie bei einer Wheatstonschen Brückenschaltung mit vier Messwiderständen erfolgt. Dadurch wird erreicht, dass ein gegebenenfalls variierender Übergangswiderstand im Bereich der elastischen Kontaktelemente 17a, 17b die Messgenauigkeit nicht beeinflusst. Das Dichtelement 19 und die elastischen Kontaktpads 17a, 17b können beispielsweise auch aus einer einzigen ganzflächigen Schicht bestehen, die z. B. durch elastomere Folien mit einer anisotropen, beispielsweise ausschließlich vertikalen elektrischen Leitfähigkeit gebildet ist.
Anstelle einer Fixierung der Sensorkapsel 10 im Kapselträger 20 mittels Magnetkraft kann die Fixierung auch durch eine schraubbare Überwurfmutter geschehen, die auf dem Kapselträger 20 sitzt. Dadurch kann die Sensorkapsel auch besonders hohen Beschleunigungen in radialer und vertikaler Richtung standhalten, beispielsweise bei über 1000 g in radialer Richtung und über 100 g in vertikaler Richtung.
Die Verwendung von Permanentmagneten hat den besonderen Vorteil eines reduzierten Aufwandes beim Montieren bzw. Demontieren, wobei die Sensorkapsel 10 gegenüber den auftretenden Radialkräften zusätzlich zur magnetischen Fixierung durch die Führung im Kapselträger 20 gesichert ist.
Alternativ dazu ist die Fixierung auch durch einen Elektromagneten möglich, der im Kapselträger 20 angebracht ist. Dadurch wird eine noch stärkere Kraft erzeugt, die zudem zum Auswechseln der Sensorkapsel 10 abgeschaltet werden kann. Demgegenüber bildet eine Fixierung mittels Permanentmagneten den Vorteil, dass eine zusätzliche Verkabelung für den Elektromagneten nicht notwendig ist. Außerdem wirkt die Fixierung mittels Permanentmagneten auch bei abgeschalteter Bordelektronik, wobei dann aber auch keine nennenswerten Kräfte auf die Sensorkapsel wirken.
Der Permanentmagnet kann beispielsweise nur im Kapselträger 20 angeordnet sein, während in der Kapsel 10 lediglich ferromagnetisches Metall, wie z. B. Eisen, angeordnet ist. Dadurch ergibt sich ein besonders einfacher Aufbau. Es ist aber auch möglich, einen Permanentmagneten nur in der Sensorkapsel 10 anzuordnen und im Kapselträger 20 lediglich ferromagnetisches Metall wie z. B. Eisen, vorzusehen.
Durch eine Einkerbung am Kapselträger 20 und einen entsprechenden Vorsprung an der Kapsel 10 kann diese definiert in den Kapselträger 20 eingebracht werden, wodurch ein Verdrehen gegenüber der vorgesehenen Positionierung verhindert wird. Dadurch liegen die Kontaktelemente 17a, 17b genau auf den planaren Kontaktelementen 25a, 25b des Kapselträgers 20 auf.
Weiterhin können Einkerbungen an der Sensorkapsel 10 vorgehen sein, die einen Eingriff zum einfachen Herausziehen der Sensorkapsel 10 gegen die magnetische Kraft ermöglichen.
Der Innenraum 12 kann bis ca. halbe Höhe mit Silikon gefüllt werden, damit die Kontaktierungen 3a, 3b bzw. Chipkontaktierungen vor Feuchte bzw. eindringendem Schmutz oder Vibrationen geschützt sind. Außerdem ist dadurch das Volumen des Wassers begrenzt, das sich im Innenraum 12 ansammeln kann. Dies verhindert eine Zerstörung der Membran 13c, wenn das Wasser gefriert, da dazu eine Mindestmenge gefrierenden Wassers – abhängig von der Geometrie des Messelements 13 – nötig ist. Weiterhin kann auf der Membran 13c eine Schutzmembran aus Parylen verwendet werden, die einen besonderen Schutz gegen Feuchte bietet.
Bei der Herstellung des Messelements kann die sog. wafer level packaging-Technik verwendet werden. Diese Technik wird bisher bei der Herstellung von MEMS-Elementen angewendet und bietet eine erhebliche Vereinfachung bzw. Kosteneinsparung. Dabei wird über dem oberen Wafer 13a ein zusätzlicher Wafer gebondet, der die Funktion des Schutzdeckels 14 bzw. 34 (siehe 1 und 4) übernimmt. Alternativ kann diese Funktion von der oben besprochenen Überwurfmutter übernommen werden, die beispielsweise anstelle eines Permanentmagneten zur Befestigung der Sensorkapsel 10 im Kapselträger 20 verwendet wird.
Der untere Wafer 13b kann zusätzlich mit elektrischen Durchführungen nach unten versehen sein. Weiterhin können MEMS-Abdichtungen und elastische MEMS-Kontakte als Teil der Chipkapsel entwickelt werden, was zu einer weiteren Miniaturisierung, Vereinfachung und Kosteneinsparung führt, da eine Herstellung im Batch-Prozess erfolgen kann. Zur Herstellung der Sensorkapsel sind dann keine feinwerktechnischen Verfahren zur Integration der verschiedenen Komponenten (Kapselwand 11, Schutzdeckel 14, Kapselboden 15, Messelement 13, Kontaktierungen 3a, 3b, Kontaktelemente 17a, 17b, Dichtungselement 19, Permanentmagnet 18) mehr nötig. Die Sensorkapsel besteht aus einem einzigen mikromechanischen Chip, der durch Verbinden verschiedener Schichten (z. B. Bonden mehrerer Wafer) entsteht. Die oberste Schicht bildet ein Wafer, der die Funktion des Schutzdeckels 14 bzw. 34 übernimmt. Darunter befinden sich die beiden Schichten zur Wahrnehmung der Sensorfunktion (analog 13a, 13b). Im Gegensatz zur Schicht 13b aus 1 enthält die Schicht elektrische Durchführungen durch die Schicht hindurch. Die unterste Schicht bildet schließlich die elastischen Kontakte und Dichtung, die z. B. durch Aufspinnen und Strukturieren eines entsprechenden Polymers hergestellt werden.
Auf die unterste Schicht kann noch eine permanentmagnetische Schicht, z. B. durch Sputtern, aufgebracht werden. Aufgrund der geringen Schichtdicke ist zwar die magnetische Kraft wesentlich geringer als bei Verwendung konventioneller Permanentmagneten, es ist aber auch eine wesentlich geringere Kraft erforderlich, um die auftretenden Beschleunigungskräfte zu kompensieren, da die Masse dieser MEMS-Kapsel wesentlich geringer ist als die der in 1 beschriebenen Sensorkapsel 10.

Claims

Sensor für ein Luftfahrzeug, insbesondere ein Flugzeug oder Hubschrauber, wobei der Sensor in die Tragfläche des Luftfahrzeugs integriert ist, wobei der Sensor einen Kapselträger und eine Sensorkapsel aufweist; wobei der Kapselträger (20) in die Tragfläche integriert und zur Aufnahme einer Sensorkapsel (10) ausgestaltet ist; wobei die Sensorkapsel (10) lösbar in dem Kapselträger (20) befestigt ist und in ihrem Innenraum ein Messelement (13) zur Messung eines Umgebungsparameters angeordnet ist, wobei Kontaktelemente (17a, 17b) zur elektrischen Verbindung der Sensorkapsel (10) mit dem Kapselträger (20) vorgesehen sind dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorkapsel (10) durch eine Magnetkraft im Kapselträger (20) gehalten wird.
Sensor für ein Luftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktelemente (17a, 17b) elastisch sind.
Sensor für ein Luftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement (13) ein Drucksensorelement ist.
Sensor für ein Luftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kapselträger (20) unlösbar in einem Rotorblatt oder einer Flugzeugtragfläche integriert ist.
Sensor für ein Luftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum (12) der Sensorkapsel (10) von einer Kapselwand (11) umgeben ist, deren äußere Form an eine Innenseite des Kapselträgers (20) angepasst ist oder umgekehrt.
Sensor für ein Luftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorkapsel (10) mit einem Schutzdeckel (14; 34) verschlossen ist, wobei der Schutzdeckel (14; 34) mindestens eine durchgehende Öffnung (2a, 2b; 34a, 34b) als Luftdurchlass aufweist.
Sensor für ein Luftfahrzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Schutzdeckels (14; 34) der Sensorkapsel im integrierten Zustand des Sensors plan mit der Oberfläche (51) der Tragfläche (50) verläuft.
Sensor für ein Luftfahrzeug nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die durchgehende Öffnung (35a, 35b) im Schutzdeckel (34) zumindest teilweise schräg oder quer zur Oberfläche des Schutzdeckels (34) verläuft.
Sensor für ein Luftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement (13) mindestens zwei miteinander verbondete Wafer (13a, 13b) umfasst, die derart geformt sind, dass sie eine durch eine Membran (13c) abgedichtete Kavität (13d; 13f) bilden.
Sensor für ein Luftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kapselträger (20) planare elektrische Kontakte (25a, 25b) zur Kontaktierung der elastischen Kontaktelemente (17a, 17b) der Sensorkapsel (10) aufweist.
Sensor für ein Luftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kapselträger (20) und die Sensorkapsel (10) mittels einer Einkerbung und einem entsprechenden Vorsprung in gegenseitigem Eingriff stehen, um ein gegenseitiges Verdrehen zu verhindern.
Sensor für ein Luftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement (13) eine Kavität (13f) umfasst, die durch eine biegbare Membran (13c) hermetisch verschlossen ist, wobei die der Membran (13c) gegenüberliegende Innenseite der Kavität (13f) an die Kontur der Membran (13c) im durchgebogenen Zustand angepasst ist.
Sensor für ein Luftfahrzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragfläche ein Rotorblatt für einen Hubschrauber ist.
Sensor für ein Luftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragfläche eine Flugzeugtragfläche ist.