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Die
Erfindung betrifft einen Drucksensor zur Messung einer Kraft und/oder
eines Druckes mit einem Sensorelement auf Basis eines piezoresistiven Messeffektes.
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Stand der Technik
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Es
sind Sensoren bekannt, die zur Messung von Drücken in flüssigen
oder gasförmigen Medien dehnungsbasierte mikromechanische
Sensorelemente auf Silizium- oder Metallmembranen verwenden. Aus
EP 1 775 259 A1 ist
beispielsweise ein Drucksensor bekannt, der Signalgeber in Form
geometrisch ausdehnbarer Bauteile aufweist, die in eine Membran
integriert sind. Die Membran ist flexibel, verformbar und über
einer Aussparung in einem Trägermaterial angeordnet. Zum
Schutz vor mechanischen Beschädigungen ist die Membran
in dem Gehäuse des Drucksensors integriert. Über Öffnungen und
Kanäle in dem Gehäuse steht das Medium in direktem
Kontakt mit der Membran. Bei einer Druckveränderung im
Medium kommt es zu einer Auslenkung und damit zu einer Dehnung der
Membran, wobei die geometrisch ausdehnbaren Bauteile die Dehnung der
Membran erfassen und ein korrespondierendes elektrisches Signal
generieren. Somit wird die Druckveränderung indirekt über
die Verformung der Membran messtechnisch erfasst.
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Nachteilig
bei einer derartigen Ausgestaltung des Drucksensors ist der hohe
konstruktive Aufwand und die hohe Anzahl der benötigten
Bauteile.
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung einen Drucksensor mit vereinfachtem
Aufbau bereitzustellen, der ein Messen von Kräften und
Drücken ermöglicht.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch
die Merkmale des Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung
sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Der
erfindungsgemäße Drucksensor zur Messung einer
Kraft und/oder eines Druckes umfasst ein Sensorelement auf Basis
eines piezoresistiven Messeffektes. Erfindungsgemäß ist
das Sensorelement vollständig in ein Material eingebettet.
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Das
Material kann der Übertragung von Kräften und/oder
Drücken auf das Sensorelement dienen. Dies hat den Vorteil,
dass eine auf die Mess-Stelle wirkende Kraft oder Druck direkt und
annähernd verlustfrei, insbesondere durch hydraulische und/oder
mechanische Energieübertragung, auf das Sensorelement wirkt.
Gegenüber einer indirekten Druckmessung, beispielsweise über
die Verformung einer Membran, wird dadurch die Genauigkeit des Messergebnisses
erhöht. Darüber hinaus kann die Anzahl der für
den Drucksensor benötigten Bauteile deutlich reduziert
werden. Dies ermöglicht einen stark vereinfachten Aufbau
und eine Miniaturisierung des Drucksensors. Das Material, in das
das Sensorelement eingebettet ist, kann beispielsweise elastisch
sein. Zusätzlich oder alternativ kann das Material insbesondere
im Wesentlichen inkompressibel sein. Das Sensorelement kann zum
Beispiel in einem Öl, einem gelartigen Werkstoff, einer
Gummimasse, einem Gießharz, oder einer keramischen Substanz angeordnet
sein.
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Besonders
vorteilhaft bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung
des Drucksensors ist, dass das Sensorelement von dem Material umschlossen ist
und so vor äußeren Einflüssen und Beschädigungen,
beispielsweise durch aggressive Medien, geschützt ist.
Darüber hinaus kann der erfindungsgemäße
Drucksensor aufgrund seines vereinfachten Aufbaus sehr kostengünstig
und in sehr kleinen Abmessungen hergestellt werden. Dadurch, und
durch die Unempfindlichkeit gegen äußere Einflüsse,
ist der Drucksensor besonders vielseitig einsetzbar.
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Der
erfindungsgemäße Drucksensor kann beispielsweise
in einer Aussparung unterhalb der Oberfläche eines Grundkörpers
angeordnet sein. Die geometrische Form der Aussparung kann dabei
beispielsweise taschenförmig oder muldenförmig
sein. Die Öffnung in der Oberfläche des Grundkörpers kann
zum Beispiel rechteckig oder oval ausgestaltet sein.
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Die
Abmessung der Aussparung kann so gewählt werden, dass das
Sensorelement und das den Sensor umschließende Material
in der Aussparung angeordnet werden können, ohne die funktionsweise des
Sensorelementes, beispielsweise durch Kurzschlüsse, negativ
zu beeinträchtigen. Zur Messung von Drücken, beispielsweise
in flüssigen oder gasförmigen Medien, kann der
Drucksensor auch auf der Oberfläche eines Grundkörpers
angeordnet sein, so dass das Material von dem Medium umströmt
wird.
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Vorzugsweise
weist das erfindungsgemäße Material um das Sensorelement
eine aushärtbare Vergussmasse auf. Die Vergussmasse kann
beispielsweise aus einer aushärtbaren Ein- oder Mehrkomponenten
Vergussmasse bestehen, wie Harz, Kleber oder Gel. Dadurch ist das
Sensorelement bei der Fertigung des Drucksensors gut an der vorgesehenen
Stelle positionierbar und die Eigenschaften, beispielsweise Temperatur-,
Druck-, und/oder Medienbeständigkeit, des Materials sind
präzise auf die Anwendung des Drucksensors anpassbar. Dadurch ist
beispielsweise bei der Messung von Kräften mit festen Medien
die Härte des Materials so einstellbar, dass sie geringer
ist, als zum Beispiel die Härte eines Gegenkörpers,
der mit dem Drucksensor in Kontakt steht. Somit kann eine Beschädigung
des Gegenkörpers beispielsweise durch mechanischen Verschleiß vermieden
werden.
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Besonders
bevorzugt kann das Material aus einem Verbundwerkstoff mit einer
keramischen Matrix bestehen, beispielsweise gesinterte Keramik.
Der keramische Verbundwerkstoff kann auch verstärkt sein,
beispielsweise durch Fasern. Durch die Auswahl eines entsprechenden
keramischen Verbundwerkstoffes kann eine sehr gute elektrische und/oder thermische
Isolation und/oder mechanische Festigkeit des Materials erreicht
werden. Dadurch kann der Drucksensor besonders gut vor äußeren
Beschädigungen geschützt werden und ist insbesondere
bei hohen Temperaturen und Drücken gut einsetzbar.
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Vorzugsweise
kann die auf eine zu messende Kraftquelle gerichtete Oberfläche
des Materials konvex ausgeformt sein. Die Kraftquelle kann beispielsweise
ein zu messendes fluides Medium oder ein zu messender fester Gegenkörper
sein. Dies ermöglicht insbesondere bei dem Kontakt mit
einem festen Gegenkörper eine lokal auflösende
Messung einer kraftbezogenen Größe, insbesondere
der Kontaktkraft. Die Oberfläche des Materials kann darüber hinaus
konkav oder mit der Oberfläche des Grundkörpers
bündig abschließend ausgestaltet sein. Vorteilhaft
ist dabei, dass bei einem Reibkontakt der Oberfläche mit
einem festen Ge genkörper der Drucksensor unterhalb der
mechanischen Berührfläche geschützt angeordnet
ist und im Wesentlichen keinem mechanischen Verschleiß unterliegt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform wird das Sensorelement
bei auftretender äußerer Zug- oder Druckbelastung
seinen elektrischen Widerstand verändern. Die Änderung
des elektrischen Widerstandes beruht auf einem des piezoresistiven
Effekt und erfolgt dabei als Reaktion auf die, durch äußere Belastungen
des Drucksensors verursachten, mechanischen Spannungen, die auf
das Sensorelement wirken. Bei den bevorzugt verwendeten Sensorelementen
ist der Zusammenhang zwischen den wirkenden mechanischen Spannungen
und der Widerstandsänderung annähernd linear.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Sensorelement
als elektronischer Widerstand, insbesondere als Dickschichtwiderstand,
zur Montage auf Platinen, ein sogenannter Surface-Mounted-Device
(SMD) Widerstand, ausgebildet. Vorteilhaft ist hierbei, dass ein
erfindungsgemäßes Sensorelement insbesondere aufgrund
seiner geringen Abmessungen eine lokal auflösende Messung
einer kraftbezogenen Größe, beispielsweise Kraft,
Gewicht, oder Druck, ermöglicht. Darüber hinaus
zeichnet sich das Sensorelement besonders durch seine Empfindlichkeit
gegenüber Kompression aus, wobei der nutzbare Messbereich
für äußere Drücke von 0,1 Megapascal
(MPa) bis 10 Gigapascal (GPa) reicht, ohne dass hierbei aufwändige
konstruktive Änderungen oder unterschiedliche Sensorelemente
nötig sind. Aufgrund des homogenen Aufbaus des erfindungsgemäßen
Sensorelementes kann dies auch einem sehr hohen Druck standhalten,
ohne beschädigt oder dejustiert zu werden. Besonders vorteilhaft
ist darüber hinaus die geringe Querempfindlichkeit des
Sensorelementes beispielsweise gegenüber Temperatureinflüssen.
Dadurch kann die Gefahr einer Messwertverschiebung infolge von Temperaturschwankungen
reduziert werden.
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist weiterhin eine Druckmessvorrichtung
mit einem Drucksensor, der wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet
sein kann, wobei der Drucksensor von einer Aussparung eines Grundkörpers,
beispielsweise einem Pumpengehäuse, aufgenommen ist. Der
Drucksensor ist so an beliebiger Stelle eines Bauteils in die Oberfläche
integrierbar und ermöglich damit die direkte Messung von
kraftbezogenen Größen in situ. Zusätzlich
ist, bei entsprechender Auswahl des Materials, das Sensorelement
besonders gut gegen äußere Einflüsse
vor Beschädigungen geschützt. Dies ermöglicht
beispielsweise die messtechnische Erfassung von Kräften
an kritischen Stellen beispielsweise in Arbeit- und Kraftmaschinen oder
in der Antriebs-, Montage-, oder Medizintechnik. Besonders vorteilhaft
kann der erfindungsgemäße Drucksensor beispielsweise
in der Pneumatik oder Hydraulik eingesetzt werden, zum Beispiel
in einer Hochdruckpumpe eines Einspritzsystems. Eine beispielsweise
ballige Ausgestaltung der auf eine zu messende Kraftquelle gerichteten
Oberfläche des Materials ermöglicht auf die Messung
einer Kontaktkraft, beispielsweise mit einem festen Gegenkörper.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform der Druckmessvorrichtung
ist das Sensorelement über das Material mit dem Grundkörper
verklebt. Dies kann beispielsweise durch Eingießen und
anschließendes Aushärten einer Vergussmasse erfolgen. Vorteilhaft
ist dabei, dass die vorbereitenden Fertigungsschritte keiner hohen
Präzision bedürfen, da etwaige Ungenauigkeiten
durch die Vergussmasse, beispielsweise Harz, Kleber oder Gel, ausgefüllt
werden. Damit ist eine einfachere Fertigung bei gleichzeitig niedrigeren
Kosten möglich. Die Druckmessvorrichtung kann somit auch
kostengünstig in Bauteile nachgerüstet werden,
da nur ein geringer zusätzlicher Bauraum benötigt
wird, um die Druckmessvorrichtung in den Grundkörper des
Bauteils einzufügen.
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Das
Sensorelement kann auch über das Material mit dem Grundkörper
verklemmt sein. Das Sensorelement ist dabei insbesondere von einem
Material umschlossen, dessen äußere Abmessungen
an eine Aussparung in einem Grundkörper angepasst sind.
Nach dem Einsetzen des Materials mit dem enthaltenen Sensorelement
in die Aussparung wird ein Herausfallen durch die Reibungs- und/oder
Klemmkräfte zwischen dem Material und den damit in Kontakt
befindlichen Flächen des Grundkörpers verhindert.
Besonders vorteilhaft ist, dass die Druckmessvorrichtung dadurch
auch an Mess-Stellen eingesetzt werden kann, deren Temperaturen
beispielsweise so hoch sind, dass eine Gefahr für eine
Beschädigung von Klebstoffen oder Vergussmassen bestehen könnte.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Druckmessvorrichtung,
die wie vorstehen beschrieben aus- und weitergebildet sein kann.
In die Aussparung in dem Grundkörper wird teilweise das
Material eingebracht. Beispielsweise kann eine Ein- oder Mehrkomponenten
Vergussmasse eingegossen werden. Das Sensorelement wird in die Aussparung
eingesetzt. Das Sensorelement kann dabei auf das bereits teilweise
eingefüllte Material aufgesetzt oder in dieses hineingedrückt
werden, um beispielsweise ein Verrutschen des Sensorelementes bei
anschließenden Verfahrensschritten zu vermeiden. Zum vollständigen
Abdecken des Sensorelementes wird weiteres Material in die Aussparung eingefüllt.
Dabei kann auch ein anderes Material verwendet werden, als das,
welches im ersten teilweisen Befüllen der Aussparung verwendet
wurde. Das eingesetzte Material kann nach den erwünschten
Materialeigenschaften, beispielsweise gute Temperaturisolierung
oder hohe mechanische Festigkeit, ausgewählt werden.
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Vorzugsweise
wird nach dem teilweise Befüllen der Aussparung und dem
Einsetzen des Sensorelementes die Aussparung des Grundkörpers
vollständig mit dem Material gefüllt. Dadurch
kann das Material mit der Oberfläche des Grundkörpers
bündig abschließen und die Druckmessvorrichtung
vollständig in den Grundkörper integriert sein,
ohne zum Beispiel störende Veränderungen der Oberfläche
des Grundkörpers zu hinterlassen, die beispielsweise die Strömung
von Flüssigkeiten stören könnten. Darüber hinaus
kann die Aussparung so gefüllt werden, dass Material über
die Oberfläche des Grundkörpers hinausragt. Dies
ist besonders vorteilhaft bei der Messung von Kräften,
beispielsweise von unbewegten, festen Körpern, die auf
die Oberfläche des Materials eine Kraft ausüben.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform, insbesondere
für die Verwendung bei geschmierten, tribologischen Kontakten,
kann die Aussparung so gefüllt werden, dass das Material
nur geringfügig (wenige Mikrometer) über die Oberfläche des
Grundkörpers hinausragt. Ferner kann das Material in einer
Einlaufphase durch Festkörper-/Mischreibung einem Verschleiß unterliegen,
bis das Profil seiner Oberfläche an das Kontaktprofil angepasst
ist. Dies ist besonders vorteilhaft bei der Messung von hydrodynamischen
Kräften und/oder Drücken, die beispielsweise in
einem Schmierspalt entstehen können.
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kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend
wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen
anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher
erläutert.
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Es
zeigt:
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1:
eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen
Drucksensors. detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
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Der
in 1 dargestellte Drucksensor 10 weist ein
Sensorelement 12 auf, das in einer Aussparung 22 unterhalb
der Oberfläche 24 eines Grundkörpers 20 angeordnet
ist. Das Sensorelement 12 ist vollständig von
einem Material 14 umschlossen. Das Sensorelement 12,
das eine aktive Schicht 26 umfasst, ist vereinfacht und
ohne elektrische Zuleitungen dargestellt. Die Oberfläche 16 des
Materials 14, die auf eine zu messende Kraftquelle gerichtet
ist, schließt dabei bündig mit der Oberfläche 24 des Grundkörpers 20 ab.
Auf die Oberfläche 16 des Materials 14 wirkt
eine Kraft/Druck 18 einer Kraftquelle, deren Größe
durch das Sensorelement 12 gemessen wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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