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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft eine Drucksensoranordnung mit einem Sensorelement
und einem hermetischen Gehäuse
für das
Sensorelement. Das Gehäuse
dieser Drucksensoranordnung umfasst ein erstes Gehäuseteil
mit einem Gehäuseboden
und mindestens ein weiteres Gehäuseteil.
Das Sensorelement ist auf dem Gehäuseboden montiert und die Druckzuführung erfolgt über eine Öffnung im
Gehäuseboden.
Das mindestens eine weitere Gehäuseteil ist über dem
Sensorelement angeordnet und mit dem ersten Gehäuseteil verbunden. Des Weiteren
umfasst die Drucksensoranordnung Anschlusspins zur elektrischen
Kontaktierung des Sensorelements.
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Derartige
Sensoranordnungen dienen der Druckerfassung in flüssigen und
gasförmigen
Medien, wobei sie häufig
aggressiven Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind.
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Eine
Drucksensoranordnung der eingangs genannten Art ist aus der Praxis
bekannt. Das Sensorelement ist hier in einem hermetischen Stahlgehäuse angeordnet,
das aus einem relativ dickwandigen Sockel und einer relativ dünnwandigen
Kappe besteht. Sockel und Kappe sind miteinander verschweißt. Im Sockel
ist eine Öffnung
ausgebildet, über
der das Sensorelement montiert ist. Diese Öffnung bildet zusammen mit
einem sich auf der Gehäuseaußenseite
anschließenden
Rohrstutzen den hydraulischen Anschluss der Sensoranordnung. Die elektrischen
Anschlüsse
sind in Form von Anschlusspins realisiert, die ebenfalls durch den
Gehäusesockel
geführt sind
und über
Bonddrähte
mit dem Sensorelement verbunden sind. Dementsprechend befindet sich
der elektrische Anschluss der bekannten Drucksensoranordnung auf
derselben Gehäuseseite wie
der hydraulische Anschluss.
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Bei
diesem Konzept müssen
besondere Vorkehrungen getroffen werden, um zu verhindern, dass die
elektrischen Anschlüsse
mit dem Messmedium in Kontakt kommen und dadurch chemisch angegriffen werden.
In der Praxis wird dazu der hydraulische Anschluss mit einem Röhrchen oder ähnlichem
verlängert,
was konstruktiv relativ aufwendig ist und zusätzliche Bauteile erfordert.
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Offenbarung der Erfindung
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Mit
der vorliegenden Erfindung wird eine Drucksensoranordnung der eingangsgenannten
Art vorgeschlagen, die sich durch einen besonders unkomplizierten
Einbau insbesondere auch unter aggressiven Umgebungsbedingungen
auszeichnet.
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Erfindungsgemäß sind die
Anschlusspins dazu durch das weitere Gehäuseteil der Drucksensoranordnung
geführt,
während
die Druckbeaufschlagung über
eine Öffnung
im Gehäuseboden
erfolgt.
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Durch
diese Anordnung der Anschlusspins wird erreicht, dass der hydraulische
Anschluss und der elektrische Anschluss der Drucksensoranordnung
an unterschiedlichen Gehäuseseiten
ausgebildet sind. Demnach ist die erfindungsgemäße Drucksensoranordnung mit
einer hydraulischen Anschlussseite und mit einer von dieser getrennten
elektrischen Anschlussseite ausgestattet. Weitere Konstruktionselemente
zur räumlichen
Trennung des hydraulischen und der elektrischen Anschlüsse, wie
z. B. ein Druckanschlussröhrchen,
sind demnach nicht erforderlich.
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Zum
Aufbau einer Drucksensoranordnung der eingangs genannten Art wird
zunächst
das Sensorelement auf dem Gehäuseboden,
und zwar über der
Druckanschlussöffnung,
montiert. Danach werden die übrigen
Gehäuseteile
wie eine Kappe über dem
Sensorelement angeordnet und mit dem ersten Gehäuseteil verbunden, um das Gehäuse hermetisch
abzuschließen.
Sind die Anschlusspins erfindungsgemäß durch die Kappe des Gehäuses geführt, so
sind besondere Maßnahmen
erforderlich, um eine elektrische Verbindung zwischen dem Sensorelement
und den Anschlusspins herzustellen.
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Dazu
umfasst eine bevorzugte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Drucksensoranordnung
einen Schaltungsträger,
beispielsweise in Form einer Leiterplatte, der zusammen mit dem
Sensorelement im Gehäuse
angeordnet ist. Bei dieser Variante werden die elektrischen Anschlüsse des
Sensorelements auf den Schaltungsträger geführt. Wird der Schaltungsträger zusammen
mit dem Sensorelement auf dem Gehäuseboden montiert, so können die
elektrischen Anschlüsse
einfach mit Hilfe von Bonddrähten
auf den Schaltungsträger
geführt
werden, bevor das Gehäuse
verschlossen wird. Für
die elektrische Verbindung zwischen dem Schaltungsträger und
den Anschlusspins in der Gehäusekappe sind
zusätzliche
Verbindungsmittel vorgesehen.
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Grundsätzlich gibt
es verschiedene Möglichkeiten
für die
Realisierung einer elektrischen Verbindung zwischen den Anschlusspins
und einem solchen Schaltungsträger,
wobei zu beachten ist, dass diese Verbindung erst mit dem Zusammenfügen der Gehäuseteile
entsteht bzw. ihre endgültige
konstruktive Ausgestaltung erfährt.
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In
einer ersten Variante wird eine Flexfolie als Verbindungsmittel
vom Schaltungsträger
an die Anschlusspins geführt.
In diesem Fall wird die elektrische Verbindung zwischen Schaltungsträger und
Anschlusspins hergestellt, d. h. die Flexfolie montiert, bevor die
Gehäuseteile
zusammengefügt
und mechanisch miteinander verbunden werden. Dabei wird dann die
Flexfolie in das Gehäuse
gefaltet.
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Gemäß einer
anderen Variante der Erfindung wird eine Feder als elektrisches
Verbindungsmittel verwendet. Das eine Ende einer solchen Feder greift an
einem Anschlusspin an und steht so auch in elektrischem Kontakt
zum Anschlusspin. Das andere Ende der Feder wird dann beim Zusammenbau
der Gehäuseteile
gegen eine entsprechende Kontaktfläche auf dem Schaltungsträger gepresst,
wobei ein elektrischer Kontakt hergestellt wird. Dazu muss die Feder
in der Regel zumindest einseitig festgelegt werden. Eine Blattfeder
als Verbindungsmittel wird vorteilhafter Weise mit dem Anschlusspin
und/oder mit der Kontaktfläche
verklebt oder verlötet,
wodurch eine besonders niederohmige Verbindung hergestellt wird.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird
eine Spiralfeder als Verbindungsmittel verwendet, die entsprechend
dem Anschlusspin dimensioniert ist. Das eine Ende der Spiralfeder
wird auf den Anschlusspin aufgesteckt, wobei es formschlüssig an
der Außenfläche des
Anschlusspin anliegt. Durch diesen Presssitz wird zum einen die
Spiralfeder fixiert und zum anderen der elektrische Kontakt hergestellt.
Das freie Federende wird beim Zusammenbau der Gehäuseteile
gegen die Kontaktfläche
auf dem Schaltungsträger
gepresst. Dabei wird die Spiralfeder über dem Anschlusspin zusammengedrückt, so
dass der Anschlusspin als Führung
für die
Spiralfeder fungiert.
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Der
Schaltungsträger
kann außer
zur Umkontaktierung auch in vorteilhafter Weise zur Anordnung von
weiteren Schaltungsteilen oder -elementen, insbesondere eines EMV-Kondensators, innerhalb
des Gehäuses
genutzt werden. Außerdem
können
auf dem Schaltungsträger
Kontaktierflächen,
wie z. B. Nadelkontaktflächen,
für einen
Sensorabgleich ausgebildet sein. In diesem Fall kann noch vor dem Zusammenbau
bzw. Verschluss des Gehäuses
ein Sensorabgleich durchgeführt
werden, also auf einer geringeren Wertschöpfungsstufe, wodurch sich die Anzahl
der Anschlusspins reduzieren lässt.
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Die
Verwendung eines metallischen Gehäuses, insbesondere aus Stahl,
für die
erfindungsgemäße Drucksensoranordnung
erweist sich in mehrerlei Hinsicht als vorteilhaft. So ermöglicht die
metallische Oberfläche
des Gehäusebodens
eine Montage des Sensorelements durch Löten oder Schweißen. Die
dabei entstehende hochfeste Verbindung hält auch den Zugbelastungen
gut stand, die bei Druckeinwirkung üblicherweise auftreten. Außerdem kann durch
Löten oder
Schweißen
auch einfach eine zuverlässige,
dichte Verbindung zwischen den einzelnen Gehäuseteilen hergestellt werden.
Dabei kann ein definierter Referenzdruck, wie z. B. ein Vakuum, im
Gehäuse
eingeschlossen werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Wie
bereits voranstehend erörtert,
gibt es verschiedene Möglichkeiten,
die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und
weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die dem unabhängigen Patentanspruch nachgeordneten
Patentansprüche
und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele
der Erfindung anhand der Zeichnungen verwiesen.
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1 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Drucksensoranordnung 10,
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2 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Drucksensoranordnung 20,
und
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3 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung einer dritten Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Drucksensoranordnung 30.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die
in 1 dargestellte Drucksensoranordnung 10 umfasst
ein Sensorelement 1 in Form eines Sensorchips 11 mit
einem Glassockel 12. Im Sensorchip 11 ist eine
Membran 13 ausgebildet, die über eine Druckzufuhröffnung 14 im
Glassockel 12 mit Druck beaufschlagt wird. Das Sensorelement 1 ist
in einem hermetisch abgeschlossenen Stahlgehäuse 2 angeordnet,
das im hier dargestellten Ausführungsbeispiel
aus einem Gehäuseboden 15 und
einer Kappe 16 als weiterem Gehäuseteil besteht. Im Gehäuseboden 15 ist
eine Vertiefung 17 als Montagefläche für das Sensorelement 1 ausgeformt.
Im Bodenbereich der Vertiefung 17 befindet sich eine Öffnung 3. Der
Glassockel 12 des Sensorelements 1 ist in dieser Vertiefung 17 angeordnet
und verlötet,
so dass sich die Druckzufuhröffnung 14 über der Öffnung 3 im
Gehäuseboden 15 befindet.
Dementsprechend bildet der Gehäuseboden 15 die hydraulische
Anschlussseite der Drucksensoranordnung 10. Jedoch ist
der Innenraum des Gehäuses 2 aufgrund
der druckfesten Montage des Sensorelements 1 über der Öffnung 3 hermetisch
abgeschlossen.
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Auf
dem Gehäuseboden 15 ist
außerdem eine
Leiterplatte 4 angeordnet, die der Umkontaktierung des
Sensorelements 1 dient. Mit Hilfe von Bonddrähten 18 sind
die elektrischen Anschlüsse
des Sensorelements 1 dazu auf die Leiterplatte 4 geführt. Die
Kappe 16 des Gehäuses 2 ist über dem
Sensorelement 1 und der Leiterplatte 4 angeordnet
und mit dem Gehäuseboden 15 verschweißt.
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Erfindungsgemäß sind die
Anschlusspins 5 zur elektrischen Kontaktierung des Sensorelements 1 durch
die Kappe 16 nach außen
geführt.
Dazu wurden die Anschlusspins 5 druckfest eingeglast. Die elektrische
Verbindung zwischen den Anschlusspins 5 und der Leiterplatte 4 wird
hier mit Hilfe einer Flexfolie 19 hergestellt, die von
der Leiterpatte 4 an die Anschlusspins 5 geführt ist.
Diese Flexfolie 19 wurde vor dem Zusammenbau der beiden
Gehäuseteile 15 und 16 einerseits
mit der Leiterplatte 4 und andererseits mit den Anschlusspins 5 verbunden
und beim Zusammenfügen
der beiden Gehäuseteile 15 und 16 innerhalb
des Gehäuses 2 gefaltet,
was durch 1 veranschaulicht wird.
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Die
in 2 dargestellte Variante einer erfindungsgemäßen Drucksensoranordnung 20 umfasst ebenfalls
ein Sensorelement 1 mit einem Drucksensorchip 11 auf
einem Glassockel 12, das in einem hermetisch abgeschlossenen
Stahlgehäuse 2 angeordnet
ist. Dieses Gehäuse 2 besteht
aus zwei Gehäuseteilen 21 und 22.
Der Bodenbereich 211 des ersten Gehäuseteils 21 ist als
Montagefläche
für das Sensorelement 1 ausgebildet
und weist eine Öffnung 3 zur
Druckbeaufschlagung der Sensormembran 13 auf. Der Glassockel 12 des
Sensorelements 1 ist über
eine Lötverbindung 23 druckfest
mit der Montagefläche 211 verbunden,
so dass die Sensormembran 13 über die Öffnung 3 im ersten
Gehäuseteil 21 und über die
Druckzufuhröffnung 14 des
Glassockels 12 mit Druck beaufschlagt werden kann.
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Im
ersten Gehäuseteil 21 ist
außerdem
eine Montagefläche 212 für eine Leiterplatte 4 ausgebildet.
Die elektrischen Anschlüsse
des Sensorelements 1 sind über Bonddrähte 18 auf die Leiterplatte 4 geführt, wo
sie auch bereits mit weiteren Schaltungselementen verschaltet werden
können.
So fungiert die Leiterplatte 4 im hier dargestellten Ausführungsbeispiel
als Träger
für einen
EMV 24. Des Weiteren ist auf der Leiterplatte 4 eine
Kontaktfläche 25 ausgebildet.
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Das
zweite Gehäuseteil 22 bildet
einen Deckel, der über
dem Sensorelement 1 und der Leiterplatte 4 angeordnet
wird und mit dem ersten Gehäuseteil 21 verschweißt wird.
In diesem Deckel 22 sind Durchgangsöffnungen ausgebildet, in die
die Anschlusspins 5 zur elektrischen Kontaktierung des Sensorelements 1 eingeglast
sind. An dem ins Gehäuseinnere
ragenden Ende eines Anschlusspins 5 ist eine Blattfeder 26 angelötet. Beim
Zusammenbau der beiden Gehäuseteile 21 und 22 wird
diese Blattfeder 26 gegen die Kontaktfläche 25 auf der Leiterplatte 4 gedrückt, was
in 2 dargestellt ist. Dadurch wird eine elektrische
Verbindung zwischen dem Anschlusspin 5 und der Leiterplatte 4 hergestellt, über die
das Sensorelement 1 elektrisch kontaktiert wird.
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2 zeigt
die Drucksensoranordnung 20 in einer Applikation als Getriebedrucksensor
und veranschaulicht. Die Drucksensoranordnung 20 ist hier zwischen
der Grundplatte 41 und der Hydraulikplatte 42 eines
Getriebes eingebaut. Die hydraulische Anschlussseite der Drucksensoranordnung 20 ist mit Hilfe
einer Hochdruckdichtung 43 druckdicht an der Hydraulikplatte 42 montiert,
an der der Messdruck bzw. das Messmedium ansteht. Aufgrund des erfindungsgemäßen Aufbaukonzepts
ist die elektrische Anschlussseite der Drucksensoranordnung 20 der gegenüberliegenden
Grundplatte 41 zugewandt. Dementsprechend sind die Anschlusspins 5 im
eingebauten Zustand nur von der Grundplatte 41 aus zugänglich,
wo sie nicht mit dem Messmedium in Kontakt treten können. Das
erfindungsgemäße Aufbaukonzept
ermöglicht
also eine einfache räumliche Trennung
zwischen hydraulischer und elektrischer Anschlussseite in der Applikation.
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Der
Aufbau der in 3 dargestellten Drucksensoranordnung 30 entspricht
weitgehend dem der Drucksensoranordnung 20 in 2,
bis auf die Kontaktierung der Anschlussstifte 5. Auch im
Fall der Drucksensoranordnung 30 ist auf der im Gehäuse 2 angeordneten
Leiterplatte 4 eine Kontaktfläche 25 ausgebildet.
Die elektrische Verbindung zwischen dem Anschlussstift 5 und
der Leiterplatte 4 wird hier allerdings mit Hilfe einer
Spiralfeder 31 hergestellt, die auf den Anschlussstift 5 aufgeschoben
ist und an ihrem oberen Ende im Presssitz am Anschlussstift 5 festgelegt
ist. Am unteren freien federnden Ende der Spiralfeder 31 ist
ein Kontaktbereich 32 ausgebildet, der beim Zusammenbau
der beiden Gehäuseteile 21 und 22 gegen
die Kontaktfläche 25 auf
der Leiterplatte 4 gepresst wird. Dabei wird eine elektrische
Verbindung zwischen dem Anschlussstift 5 und der Leiterplatte 4 hergestellt, über die
letztlich das Sensorelement 1 kontaktiert wird. Der Anschlusspin 5 dient bei
dieser Variante also auch als Halter und Führung für die Spiralfeder 31,
indem er die Spiralfeder 31 fixiert und die beim Zusammendrücken auftretende Querkraft
aufnimmt, um ein Ausknicken zu vermeiden.