DE102008053072A1

DE102008053072A1 - Sensor für ein Rotorblatt

Info

Publication number: DE102008053072A1
Application number: DE102008053072A
Authority: DE
Inventors: Christian Gradolph; Alois Dr. Friedberger; Gerhard Dr. Müller; Jürgen Prof. Dr. Wilde
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2008-10-24
Filing date: 2008-10-24
Publication date: 2010-05-06
Anticipated expiration: 2028-10-25
Also published as: DE102008053072B4

Abstract

Ein Sensor für ein Rotorblatt, insbesondere eines Luftfahrzeuges, wird beansprucht, wobei der Sensor (12) einen Kapselträger (34) und eine Sensorkapsel (10) aufweist, der Kapselträger (34) in eine Tragfläche oder ein Rotorblatt des Luftfahrzeugs integriert und zur Aufnahme der Sensorkapsel (10) ausgestaltet ist, die Sensorkapsel (10) lösbar in dem Kapselträger (34) befestigt ist und in ihrem Innenraum einen Sensorträger sowie ein daran angebrachtes Messelement (18) zur Messung eines Umgebungsparameters umfasst, wobei die Sensorkapsel (10) durch Magnetkraft am Kapselträger (34) gehalten ist, wobei der Sensorträger als Magnet (30) ausgebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor für Rotorblatt, insbesondere eines Luftfahrzeuges (vor allem eines Flugzeuges oder Hubschraubers), wobei der Sensor einen Kapselträger und eine Sensorkapsel aufweist, der Kapselträger in die Tragfläche integriert und zur Aufnahme der Sensorkapsel ausgestattet ist, die Sensorkapsel lösbar in dem Kapselträger befestigt ist und in ihrem Innenraum einen Sensorträger sowie ein daran angebrachtes Messelement zur Messung eines Umgebungsparameters umfasst, wobei die Sensorkapsel durch Magnetkraft im Kapselträger gehalten ist.
Ein derartiger Sensor ist aus der DE 10 2005 052 929 A1 bekannt. Dieser vorbekannte Sensor weist eine Sensorkapsel auf, die über Magneten in einem Kapselträger in einer Tragfläche gehalten und damit einfach und schnell austauschbar ist. Der Nachteil dieses bekannten Sensorsystems bestehend aus der Sensorkapsel und dem Kapselträger ist eine beträchtliche Größe, wobei die zylindrische Sensorkapsel etwa einen Durchmesser von 6 mm und eine Höhe von 3,5 mm hat und der Kapselträger als Aufnahme entsprechend größer ausfällt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Sensor zu miniaturisieren und baulich zu vereinfachen und somit eine einfachere Systemintegration zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in den unabhängigen Ansprüchen genannten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die in Anspruch 1 beschriebene Lösung, wonach der Sensorträger als Magnet ausgebildet ist, ergibt eine konstruktive Vereinfachung gegenüber der vorbekannten Anordnung. Gleichzeitig kann die wirksame Magnetfläche vergrößert und damit die Haltekraft erhöht werden.
Eine bevorzugte Weiterbildung dieser Ausbildungsform sieht vor, dass der magnetisch ausgebildete Sensorträger Durchbrüche aufweist, über welche Kontaktdrähte für das Messelement geführt sind. Dabei sind an der kapselträgerseitigen Fläche des Sensorträgers elektrisch leitende Kontaktflächen angeordnet, die einerseits mit den Kontaktdrähten in Verbindung stehen und andererseits im montierten Zustand mit entsprechenden Kontaktflächen des Kapselträgers verbunden sind.
Eine zweite Ausführungsform der Erfindung betrifft einen Kapselträger, bei dem das Messelement auf einem Wafer bzw. Chip als Tragstruktur angeordnet ist, wie in der DE 10 2005 052 292 beschrieben. Im Gegensatz zu dieser vorbekannten Anordnung ist bei dieser Ausbildung der Erfindung der Magnet in den Wafer bzw. Chip integriert, wodurch sich neben einer Vereinbarung der Fertigung auch eine Reduzierung der Bauhöhe der Sensorkapsel ergibt. Vorzugsweise wird der Magnet mittels eines Wafer-Level-Packaging-Verfahrens(WLP) in den Wafer integriert.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausführungsform ist der Magnet mittels eines spannungsentkoppelnden Klebers mit dem Wafer verbunden.
Eine alternative Weiterbildung dieser Ausführungsform geht von einem Messsender aus, wie er ebenfalls in der DE 10 2005 052 929 beschrieben ist. Das dort beschriebene Messelement besteht aus einem oberen Wafer und einem unteren Wafer, die miteinander verbondet sind, wobei die Chips des oberen Wafer in der Mitte besonders dünn ausgestaltet sind und eine biegsame Membran bilden, an der Piezo-Elemente zur Erzeugung elektrischer Signale aus der Verbiegung der Membran angebracht sind. Die Chips des unteren Wafers weisen zur Membran hin eine Ausnehmung auf, die gegenüber der Umgebung hermetisch verschlossen ist und so eine abgedichtete Referenzkavität bildet. Von dieser vorbekannten Ausbildungsform ausgehend ist der untere Wafer im Mittelbereich durch den Magneten ersetzt, wobei der Wafer den Magneten ringförmig umschließt.
Der Magnet weist zur Membran hin eine Vertiefung auf, welche gegenüber der Umgebung abgedichtet ist und in Verbindung mit der Membran wiederum eine Referenzkavität bildet.
Eine dritte Ausführungsform der Erfindung ist ähnlich den vorbeschriebenen mit dem Unterschied, dass der untere Wafer vollständig durch den Magneten ersetzt ist.
Eine bevorzugte Weiterbildung sieht vor, dass der Magnet ein kunststoffgebundener Magnet ist, bei dem Magnetwerkstoffe pulverisiert und mit geeigneten Kunststoffen vermischt und zu einem fertigen Magneten verarbeitet wird.
Eine alternative Weiterbildung sieht vor, dass der Magnet aus einer magnetischen Schicht besteht, die insbesondere mittels Sputtern oder Siebdruck erzeugt ist.
Noch eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass ein Schutzdeckel, der Bestandteil der Sensorkapsel ist und das Messelement gegenüber mechanischen Einwirkungen aus der Umgebung schützt, direkt oder mit Hilfe eines spannungsentkoppelnden Klebers auf dem Sensorchip des Messelementes angeordnet ist. Hierdurch wird sowohl die Bauhöhe als auch der Fertigungsaufwand weiter verringert.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung betrifft ein Sensorsystem bestehend aus einem in eine Tragfläche oder ein Rotorblatt eines Luftfahrzeugs integrierten Kapselträger sowie eine Anzahl an Sensorkapseln mit einzelnen der oben beschriebenen Merkmalen zur Messung unterschiedlicher Umgebungsparameter und/oder der gleichen Umgebungsparameter mit unterschiedlichen Messprinzipien wobei die Sensorkapseln identisch ausgebildete Magnet- und Kontaktschnittstellen umfassen, so dass diese alternativ mit den Kapselträgern koppelbar sind, also auf einfache Weise ausgetauscht werden können. Man kann auf diese Weise verschiedene Sensorkapseln mit unterschiedlichen Auflösungen oder Charakteristika jeweils im gleichen Kapselträger verwenden, je nachdem welche Anforderungen an die Messungen gestellt werden. Beispielsweise in Windkanalun tersuchungen ist dieses System anwendbar, wo mal eine hohe statische Auflösung, ein gutes Frequenzverhalten oder möglichst hohe Druckbereiche bei hoher Anströmgeschwindigkeit bei dem gleichen Messobjekt zu untersuchen sind.
Die Erfindung wird bevorzugt bei dem Rotorblatt eines Luftfahrzeuges, insbeondere eines Flugzeuges oder Hubschraubers verwendet. Alternativ kann auch für weitere Anwendungen verwendet werden, insbesondere in Rotorblättern von Windkraftturbinen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen in bevorzugten Ausführungsformen weiter erläutert. Dabei zeigt:
1: eine schematische Querschnittsansicht einer ersten bevorzugten Ausführungsform eines Sensors;
2: eine schematische Querschnittsansicht einer zweiten bevorzugten Ausführungsform eines Sensors;
3: eine schematische Querschnittsansicht einer dritten bevorzugten Ausführungsform eines Sensors;
4: eine schematische Querschnittsansicht einer vierten bevorzugten Ausführungsform eines Sensors;
5: eine schematische Ansicht eines Sensorsystems.
1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Sensorkapsel 10 als Teil eines integrierbaren Sensors 12 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Die Sensorkapsel 10 ist bei dieser Ausführungsform als Drucksensorkapsel bzw. Drucksensor ausgestaltet. Sie umfaßt einen Schutzdeckel 14, die einen Innenraum 16 umschließt, in dem ein Messelement 18, in dieser Ausführungsform ein Druckmesselement, angeordnet ist. Der Schutzdeckel 14 weist eine Anzahl Öffnungen oder Durchbrüche 20 auf, über die der Innenraum 18 mit der Umgebung in Verbindung steht, so dass eine Druckmessung erfolgen kann. Die Öffnungen bilden also einen Luftzugang zum Messelement 18 bzw. eine Verbindung zwischen dem Innenraum 16 und der äußeren Umgebung der Sensorkapsel 10. Dadurch wird verhindert, dass das Messelement 18 durch Störeinflüsse wie Partikel oder Verschmutzungen wie z. B. Staub oder Insekten, beschädigt oder hinsichtlich der Messfunktion beeinträchtigt wird. Das als Drucksensor ausgebildete Messelement 18 besteht aus einem oberen Wafer 22 und einem unteren Wafer 24, die miteinander verbondet sind. Der obere Wafer 22 ist vorzugsweise aus Silizium gefertigt und umfasst einen zentralen Teilbereich, der besonders dünn ausgestaltet ist und eine biegsame Membran 26 bildet. An dieser Membran 26 sind nicht dargestellte Piezo-Elemente oder Piezo-Widerstände angeordnet, die bei einer Verbiegung der Membran 26 elektrische Signale erzeugen. Alternative kann die Messung auch anders, insbesondere kapazitiv erfolgen.
Der untere Wafer 24 weist an seiner Oberseite im Zentrum gegenüberliegend der Membran 26 eine Ausnehmung 28 auf, die durch die darüberliegende Membran 26 und eine hermetische Verbindung zwischen dem oberen 22 und unteren Wafer 24 eine abgedichtete Referenzkavität bildet. Bei einer Veränderung des von aussen auf die Membran 26 einwirkenden Druckes wird diese verbogen und ein Messsignal erzeugt.
Das Messelement 18 ist auf einem Permanentmagneten 30 fixiert, der vom Schutzdeckel 14 umschlossen ist.
Die Sensorkapsel 10 ist angepaßt an einen Kapselträger 34, der aus einer Leiterplatte 36 besteht, welche einen Permanentmagneten 38 umfasst. Elektrische Verbindungsleitungen 40 stehen mit elektrischen Kontaktflächen 42 in Verbindung, die mit dazu passenden Kontaktflächen 44 der Sensorkapseln 10 und entsprechenden elektrischen Kontaktelementen (insb. elektrisch leitende elastische Folien) derart zusammenwirken, dass diese Kontaktflächen 42, 44 miteinander leitend in Verbindung stehen, wenn die Sensorkapsel 10 durch Magnetkraft fest auf dem Kapselträger 34 gehalten ist. Die Kontaktflächen 44 stehen über Kontaktdrähte 45, die in angepassten Bohrungen im Magneten 30 geführt sind, und über eine Bonddrahtverbindung 47 mit dem Messelement 18 in Verbindung.
Die Ausführungsform einer Sensorkapsel 10a ist in 2 dargestellt, die in gleicher Weise wie die in 1 dargestellte Sensorkapsel 10 mit einem nicht gezeigten Kapselträger 34 genauso zusammenwirkt wie die Ausführung gemäß 1.
Die Ausführungsform gemäß 2 unterscheidet sich von der vorbeschriebenen Ausführungsform dadurch, dass der Magnet 30 im unteren Wafer 24a befestigt ist, bevorzugterweise durch einen spannungsentkoppelnden Kleber. Ein weiterer Unterschied zur Ausführungsform von 1 ist, dass der Schutzdeckel 14 nicht haubenartig das Messelement 18 umschließt sondern eben ausgebildet ist und auf dem oberen Wafer 22a befestigt ist.
Die Ausführungsform gemäß 3 ist ähnlich derjenigen von 2 mit dem Unterschied, dass der Magnet 30 nur noch ringförmig vom unteren Wafer 24b umschlossen ist und direkt mit dem oberen Wafer 22b fest verbunden ist. Dabei ist in dem Magnet 30 oben eine Vertiefung 42 eingearbeitet, die durch die Membran 26 abgedeckt ist und die Referenzkavität ausbildet. Alternativ zur Fertigung einer Vertiefung 42 ist es auch möglich, den Magneten 30 beabstandet zum oberen Wafer 22a zu plazieren, da auf diese Weise ebenfalls eine Referenzkavität gebildet werden kann.
Die Ausbildung gemäß 4 verzichtet vollständig auf den unteren Wafer (24 in 1, 24a in 2 und 24b in 3), so dass der obere Wafer 22c direkt auf dem Magneten 30 befestigt ist, wiederum unter Ausbildung der Referenzkavität 42.
In 5 ist schematisch ein Sensorsystem dargestellt, das aus zwei Sensorkapseln 10d und 10e besteht, die beispielsweise unterschiedliche Umgebungsparameter messen oder gleiche Umgebungsparameter mit unterschiedlichen Messprinzipien oder Messeigenschaften. Diese Sensorkapseln 10d und 10e weisen übereinstimmende Magnet- und Kontaktschnittstellen 50a, 50b auf, die mit einer korrespondierenden Schnittstelle 52 im Kapselträger 52 kooperiert. Somit ist es möglich, diese Sensorkapseln 10d und 10e gegeneinander einfach auszutauschen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102005052929 A1 [0002]
- DE 102005052292 [0007]
- DE 102005052929 [0009]

Claims

Sensor für ein Rotorblatt, insbesondere eines Luftfahrzeuges, wobei der Sensor (12) einen Kapselträger (34) und eine Sensorkapsel (10) aufweist, wobei der Kapselträger (34) in eine Tragfläche oder ein Rotorblatt des Luftfahrzeugs integriert und zur Aufnahme der Sensorkapsel (10) ausgestaltet ist, wobei die Sensorkapsel (10) lösbar in dem Kapselträger (34) befestigt ist und in ihrem Innenraum einen Sensorträger sowie ein daran angebrachtes Messelement (18) zur Messung eines Umgebungsparameters umfasst, wobei die Sensorkapsel (10) durch Magnetkraft am Kapselträger (34) gehalten ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorträger als Magnet (30) ausgebildet ist.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Sensorträger (30) Bohrungen aufweist, über die Kontaktdrähte (45) für das Messelement geführt sind.
Sensor für ein Rotorblatt, insbesondere eines Luftfahrzeuges, wobei der Sensor 812) einen Kapselträger (34) und eine Sensorkapsel (10a, 10b) aufweist, wobei der Kapselträger (34) in eine Tragfläche oder ein Rotorblatt des Luftfahrzeugs integriert und zur Aufnahme der Sensorkapsel (10a, 10b) ausgestaltet ist, wobei die Sensorkapsel (10a, 10b) lösbar in dem Kapselträger (34) befestigt ist und in ihrem Innenraum ein Messelement (18) zur Messung eines Umgebungsparameters angeordnet ist, das einen Wafer (24a) als Tragstruktur umfasst, wobei die Sensorkapsel (10a, 10b) einen Magneten (30) umfasst, mittels dessen diese am Kapselträger (34) gehalten ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (30) in den Wafer (24a, 24b) integriert ist.
Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (30) mittels eines Wafer-Level-Packaging-Verfahrens (WLP) in den Wafer (24a, 24b) integriert ist.
Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (30) mittels eines spannungsentkoppelnden Klebers mit dem Wafer (24a, 24b) verbunden ist.
Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement (18) ein Druckmesselement ist mit einer Referenzkavität, die zwischen der Tragstruktur und einer Membran (26) gebildet ist, wobei der Wafer (24b) den Magneten ringförmig umschließt und der Magnet (30) zur Membran (26) hin eine Vertiefung (42) aufweist, welche in Verbindung mit der Membran (26) die Referenzkavität bildet.
Sensor für ein Rotorblatt, insbesondere eines Luftfahrzeuges, wobei der Sensor (12) einen Kapselträger (34) und eine Sensorkapsel (10c) aufweist, wobei der Kapselträger (34) in eine Tragfläche oder ein Rotorblatt des Luftfahrzeugs integriert und zur Aufnahme der Sensorkapsel (10c) ausgestaltet ist, wobei die Sensorkapsel (10c) lösbar an dem Kapselträger (34) befestigt ist und in ihrem Innenraum ein Messelement (18) zur Messung eines Umgebungsparameters angeordnet ist, das eine Tragstruktur umfasst, wobei die Sensorkapsel (10c) einen Magneten (30) umfasst, mittels dessen diese am Kapselträger (34) gehalten ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (30) die Tragstruktur bildet.
Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (30) ein kunststoffgebundener Magnet ist.
Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (30) aus einer magnetischen Schicht besteht, die mittels Sputtern oder Siebdruck erzeugt ist.
Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement (18) einen Wafer (22, 22a, 22b, 22c) umfasst und ein Schutzdeckel (14) direkt oder mit einem spannungsentkoppendem Kleber auf diesem Wafer (22, 22a, 22b, 22c) befestigt ist.
Sensorsystem bestehend aus einem in eine Tragfläche oder ein Rotorblatt eines Luftfahrzeugs integrierten Kapselträger (52) sowie einer Anzahl an Sensorkapseln (10d, 10e) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche zur Messung unterschiedlicher Umgebungsparameter und/oder der gleich Umgebungsparameter mit unterschiedlichen Messprinzipien oder Messeigenschaften, umfassend identisch ausgebildete Magnet- und Kontaktschnittstellen (50a, 50b) derart, dass die Sensorkapseln (10d, 10e) alternativ mit dem Kapselträger (52) koppelbar sind.
Verwendung des Sensors nach einem der Ansprüche 1 bis 10 in einem Rotor einer Windkraftturbine.