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Die
Erfindung betrifft einen Mitteldrucksensor, insbesondere einen Relativdrucksensor,
der einen Sensorchip umfasst.
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Die
DE 102 28 000 A1 offenbart
eine Vorrichtung zur Hochdruckmessung mit einem in einem Gehäuse angeordneten
Druckaufnehmer, der auf einer ersten Seite Sensorelemente und eine
Sensormembran aufweist und der auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden
zweiten Seite mit einer Ausnehmung versehen ist, die sich von der
zweiten Seite aus bis zu der Sensormembran erstreckt. Der Druckaufnehmer
ist als Halbleiter-Druckaufnehmer
ausgebildet und mit einem die Ausnehmung umgebenden Randbereich
der zweiten Seite direkt auf ein mit einem ersten Druckkanalabschnitt
versehenes Trägerteil
mittels einer Lotschicht derart aufgelötet, dass der erste Druckkanalabschnitt
und die Ausnehmung miteinander in Verbindung stehen.
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In
der
DE 41 33 061 A1 ist
ein Drucksensor offenbart, bei dem ein Messelement durch eine poröse Platte
von einem Medium getrennt ist. Das Messelement besteht aus einem
Siliziumrahmen und einer Membran. Der Drucksensor weist ein Gehäuse auf, auf
dem ein Borosilikatglaselement durch Kleben aufgebracht ist. Das
Messelement ist auf dem Borosilikatglaselement angeordnet und durch
anodisches Bonden mit diesem verbunden. Durch je einen Druckdurchlass
des Gehäuses
und des Borosilikatglaselements wird eine Unterseite der Membran
mit einem anderen Druck belastet als eine Oberseite der Membran.
Ein Nachweis einer Membranverformung infolge des Druckunterschieds
auf beiden Seiten der Membran erfolgt durch aufgebrachte piezoresistive Dehnungsmessstreifen.
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In
der
US 6 643 976 B2 ist
eine Drucksensorvorrichtung offenbart, die eine Membran aufweist,
auf die von einer ersten Seite ein Arbeitsmedium einwirkt und auf
der auf einer zweiten Seite ein Sensorchip angeordnet ist. Der Sensorchip
ist durch die Membran von dem Arbeitsmedium getrennt. Der Sensorchip
weist eine Messbrücke
mit vier Sensorelementen auf.
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In
der
DE 197 14 703
A1 ist ein Drucksensor offenbart, der eine metallische
Membran umfasst, die an einem steifen Rahmen eingespannt ist. Durch eine
Druckzuführung
wird eine Unterseite der Membran mit einem zu messenden Druck beaufschlagt.
Auf einer Oberseite der Membran und des Rahmens ist zum Nachweis
einer Auslenkung der Membran ein Siliziumbrückenelement mit piezoresistiven
Widerstandselementen angeordnet. Auf dem Rahmen ist ferner eine
Hybridschaltung angeordnet, die mit dem Siliziumbrückenelement
durch einen Bonddraht elektrisch verbunden ist. Der Rahmen weist
ferner ein Gewinde auf, durch das der Rahmen fest montiert werden
kann.
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In
der
EP 0 793 082 A1 ist
ein linearer Hochdruckmesswandler offenbart, der einen Körper mit
einer Membran aufweist, an dem ein Siliziumsubstrat angeordnet ist.
Das Siliziumsubstrat weist einen dünnen Bereich mit Dehnungsmesselementen
auf. Zum Verringern von thermischen Spannungen ist eine Glasbasis
zwischen dem Siliziumsubstrat und dem Körper vorgesehen, die eine vorgegebene
Dicke aufweist.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist, einen Mitteldrucksensor zu schaffen,
der einfach und zuverlässig ist.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale der unabhängigen
Patentansprüche.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die
Erfindung zeichnet sich aus durch einen Mitteldrucksensor, der einen
Körper
und einen Sensorchip umfasst. Der Körper ist einstückig ausgebildet.
Der Körper
weist ferner eine durchgehende Ausnehmung zum Kommunizieren mit
einem Arbeitsmedium auf. Ein erstes Ende der Ausnehmung ist als eine Einlassstelle
für das
Arbeitsmedium des Mitteldrucksensors ausgebildet. In dem Sensorchip
ist mindestens ein Sensorelement und eine Schaltungsanordnung zum
Auswerten eines Sensorsignals des mindestens einen Sensorelements
ausgebildet. Der Sensorchip ist so an dem Körper angeordnet, dass der Sensorchip
die Ausnehmung an einem der Einlassstelle des Arbeitsmediums entgegengesetzten zweiten
Ende verschließt.
Das mindestens eine Sensorelement und die Schaltungsanordnung sind
an einer der Ausnehmung abgewandten Seite des Sensorchips ausgebildet.
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Der
Vorteil dieses Mitteldrucksensors ist, dass dieser nur wenige Bauelemente
erfordert. Insbesondere ist kein Träger oder Sockel für den Sensorchip
erforderlich. Dadurch ist der Mitteldrucksensor besonders einfach
und preisgünstig
herstellbar. Ferner kann ein solcher Mitteldrucksensor sehr einfach
so ausgebildet werden, dass dieser geeignet ist für einen
Druck des Arbeitsmediums von z.B. bis zu 100 bar, insbesondere für einen
Druckbereich von z.B. 5 bis 50 bar. Das Arbeitsmedium wirkt unmittelbar
auf den Sensorchip ein. Das mindestens eine Sensorelement und die
Schaltungsanordnung sind jedoch so angeordnet, dass diese mit dem
Arbeitsmedium nicht in Kontakt kommen. Der Sensorchip umfasst vorzugsweise
ein Halbleitermaterial, z.B. Silizium, und ist chemisch weitgehend
unempfindlich gegenüber
verschiedenen Arbeitsmedien, z.B. gegenüber Kraftstoff. Dadurch ist
der Mitteldrucksensor ferner zuverlässig und robust. Durch das
Vorsehen der Schaltungsanordnung in dem Sensorchip ist eine besonders
kompakte Ausbildung des Drucksensors und ein besonders zuverlässiger Betrieb
möglich.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung des Mitteldrucksensors ist an
dem Körper
mindestens ein Montageelement ausgebildet, das für eine Montage des Mitteldrucksensors
nutzbar ist. Ein solches Montageelement ist beispielsweise ein Gewinde,
ein Sechskant oder ein Befestigungsflansch. Dadurch sind keine zusätzlichen
Bauelemente an dem Mitteldrucksensor für dessen Montage erforderlich
und die Montage ist so einfach möglich.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Mitteldrucksensors
umfasst der Körper
ein Metall. Dadurch ist der Mitteldrucksensor besonders robust und
eignet sich besonders für
höhere
Drücke von
z.B. bis zu 100 bar, insbesondere für den Druckbereich von z.B.
5 bis 50 bar. Insbesondere eignet sich der Mitteldrucksensor so
für eine
Montage in einem Kraftfahrzeug.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Mitteldrucksensors
ist an dem Sensorchip in einem Bereich der Ausnehmung des Körpers eine Membran
ausgebildet, die abhängig
von dem Druck des Arbeitsmediums in der Ausnehmung verformbar ist.
Dies hat den Vorteil, dass über
die Dicke der Membran sehr einfach die Empfindlichkeit des Drucksensor
oder ein Druckbereich für
den Druck des Arbeitsmediums vorgegeben werden kann. Ferner ist
die Verformung des Sensorchips durch den Druck des Arbeitsmediums
im Wesentlichen auf einen Bereich der Membran eingeschränkt, so
dass das mindestens eine Sensorelement besonders günstig an
dem Bereich der Membran platzierbar ist.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Mitteldrucksensors
ist der Sensorchip durch ein Glaslot oder durch einen Klebstoff
an dem Körper
befestigt. Der Vorteil ist, dass durch das Glaslot oder durch einen
geeigneten Klebstoff eine hohe Dichtheit und eine hohe chemische
Resistenz und Robustheit des Mitteldrucksensors möglich ist.
Dadurch kann ein dauerhaft zuverlässiger Betrieb gewährleistet
werden. Ferner ist der Mitteldrucksensor dadurch besonders einfach
und preisgünstig
herstellbar.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert.
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Die
Figur zeigt einen Querschnitt eines Mitteldrucksensors. Ein solcher
Mitteldrucksensor wird beispielsweise in einem Kraftfahrzeug zum
Ermitteln eines Kraftstoffdrucks oder Öldrucks oder in einer Klimaanlage
genutzt.
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Der
Mitteldrucksensor umfasst einen einstückig ausgebildeten Körper 1,
in dem eine durchgehende Ausnehmung 2 ausgebildet ist.
Ein erstes Ende der Ausnehmung 2 ist als eine Einlassstelle 3 des
Mitteldrucksensors ausgebildet, durch die ein Arbeitsmedium in die
Ausnehmung 2 eindringen kann. Das Arbeitsmedium ist vorzugsweise
ein Fluid, d.h. ein Gas oder eine Flüssigkeit, insbesondere Kraftstoff
oder Öl.
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An
dem Körper 1 sind
als Montageelemente ein Gewinde 4 und ein Sechskant 5 ausgebildet,
die eine Montage des Mitteldrucksensors ermöglichen oder vereinfachen.
Es können
auch andere Montageelemente an dem Körper 1 ausgebildet
sein, z.B. ein Befestigungsflansch. Ferner können auch mehr oder weniger
Montageelemente an dem Körper 1 vorgesehen
sein, insbesondere auch kein Montageelement oder nur ein Montageelement.
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Der
Körper 1 umfasst
vorzugsweise ein Metall, z.B. Stahl. Der Körper 1 kann jedoch
ebenfalls einen geeigneten Kunststoff oder eine geeignete Keramik
umfassen.
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An
einem der Einlassstelle 3 entgegengesetzten zweiten Ende
der Ausnehmung 2 ist ein Sensorchip 6 so angeordnet,
dass die Ausnehmung 2 an diesem zweiten Ende der Ausnehmung 2 mitteldruckdicht
verschlossen ist. Dazu ist der Sensorchip 6 durch ein Befestigungsmittel 7 an
dem Körper 1 befestigt,
z.B. durch aufglasen, kleben oder löten. Das Befestigungsmittel 7 ist
beispielsweise ein Glaslot oder ein Klebstoff.
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Abhängig von
einem maximalen Druck, der auf den Sensorchip 6 einwirkt,
und abhängig
von einer chemischen Beschaffenheit des Arbeitsmediums kann der
Sensorchip 6 durch Hartkleben oder auch durch Weichkleben
an dem Körper 1 befestigt
werden.
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Das
Hartkleben hat den Vorteil, dass der Klebstoff mechanisch und chemisch
robust ist und die Mitteldruckdichtheit zuverlässig sichergestellt werden
kann. Ferner kann der Druck des Arbeitsmediums auf den Sensorchip 6 so
besonders zuverlässig
ermittelt werden. Das Weichkleben hat den Vorteil, dass dadurch
mechanische Verspannungen des Sensorchips 6 aufgrund unterschiedlicher
thermischer Ausdehnung des Sensorchips 6 und des Körpers 1 reduzierbar
sind. Besonders vorteilhaft ist das Nutzen des Glaslots als Befestigungsmittel 7,
da das Glaslot mechanisch und chemisch besonders robust ist und
die dauerhafte Mitteldruckdichtheit durch das Glaslot besonders
zuverlässig
gewährleistet
werden kann. Ferner kann der Druck des Arbeitsmediums auf den Sensorchip 6 besonders
zuverlässig
ermittelt werden.
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Der
Sensorchip 6 umfasst mindestens ein Sensorelement 8 und
eine Schaltungsanordnung 9. Der Sensorchip 6 ist
bevorzugt als ein anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis,
kurz: ASIC, ausgebildet und weist beispielsweise eine Dicke von
weniger als einem Millimeter auf. Ferner weist der Sensorchip 6 in
einem Bereich der Ausnehmung 2 bevorzugt eine Membran 10 auf,
die abhängig
von dem auf die Membran 10 einwirkenden Druck des Arbeitsmediums
und Gegendruck auf eine der Ausnehmung 2 abgewandten Seite
der Membran 10 verformbar ist. Das Verformen der Membran 10 ist über das
mindestens eine Sensorelement 8 erfassbar, das vorzugsweise
in einem Bereich der Membran 10 angeordnet ist. Das mindestens
eine Sensorelement 8 ist beispielsweise als ein piezoresistiver
Bereich in dem Sensorchip 6 ausgebildet. Der Mitteldrucksensor
ist bevorzugt als ein Relativdrucksensor ausgebildet, kann jedoch
bei einer geeigneten Vorgabe des Gegendrucks auch als ein Absolutdrucksensor
ausgebildet sein.
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Das
mindestens eine Sensorelement 8 ist elektrisch mit der
Schaltungsanordnung 9 gekoppelt. Die Schaltungsanordnung 9 ist
ausgebildet, ein Sensorsignal des mindestens einen Sensorelements 8 aufzubereiten
und/oder auszuwerten. Das Aufbereiten des Sensorsignals umfasst
beispielsweise ein Verstärken,
Linearisieren und/oder Filtern des Sensorsignals oder ein Anpassen
des Sensorsignals an einen vorgegebenen Wertebereich. Das Auswerten des
Sensorsignals umfasst beispielsweise ein Digitalisieren des Sensorsignals.
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Der
Sensorchip 6 bzw. die Schaltungsanordnung 9 ist über mindestens
einen Bonddraht 11 mit einer Leiterplatte 12 elektrisch
gekoppelt, die bevorzugt ebenfalls auf dem Körper 1 angeordnet
ist. Die Leiterplatte 12 basiert beispielsweise auf einer
Keramik, kann jedoch auch auf einem anderen Material basieren. Auf
der Leiterplatte 12 sind z.B. ein oder mehrere elektrische
Bauelemente 13 angeordnet, z.B. Schutzkondensatoren. Ferner
umfasst die Leiterplatte 12 mindestens einen Kontaktierungsbereich für mindestens
einen Steckerkontakt 14. Über den mindestens einen Steckerkontakt 14 ist
der Mitteldrucksensor mit einer nicht dargestellten externen Auswerteeinheit
koppelbar, der ein von dem Mitteldrucksensor erfasster oder ermittelter
Druckwert zuführbar
ist. Ferner ist dem Mitteldrucksensor über den mindestens einen Steckerkontakt 14,
falls erforderlich, eine elektrische Versorgungsspannung oder ein
elektrischer Versorgungsstrom zuführbar. Der Sensorchip 6,
der mindestens eine Bonddraht 11 und die Leiterplatte 12 können durch
ein geeignetes Mittel, z.B. ein Gel, vor gegebenenfalls eindringender Feuchtigkeit
oder anderen Medien geschützt
werden.
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Eine
gegebenenfalls in dem Sensorchip 6 vorherrschende mechanische
Verspannung, die z.B. durch eine unterschiedliche thermische Ausdehnung des
Sensorchips 6 und des Körpers 1 entstehen kann,
wird vorzugsweise bei einem Kalibrieren des Mitteldrucksensors berücksichtigt.
Während
eines nachfolgenden Betriebs des Mitteldrucksensors kann dann der
durch das mindestens eine Sensorelement 8 erfasste Druckwert
entsprechend korrigiert werden, z.B. durch die entsprechend justierte
Schaltungsanordnung 9. Auf diese Weise ist der Druck des
Arbeitsmediums zuverlässig
ermittelbar.
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Der
Sensorchip 6 ist vorzugsweise so an dem Körper 1 angeordnet,
dass Kräfte,
die bei der Montage des Mitteldrucksensors unter Nutzung der gegebenenfalls
vorgesehenen Montageelemente auftreten, z.B. bei einem Eindrehen
des Mitteldrucksensors unter Nutzung des Sechskants 5,
nicht zu mechanischen Verspannungen des Sensorchips 6 führen.
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- 1
- Körper
- 2
- Ausnehmung
- 3
- Einlassstelle
- 4
- Gewinde
- 5
- Sechskant
- 6
- Sensorchip
- 7
- Befestigungsmittel
- 8
- Sensorelement
- 9
- Schaltungsanordnung
- 10
- Membran
- 11
- Bonddraht
- 12
- Leiterplatte
- 13
- elektrisches
Bauelement
- 14
- Steckerkontakt