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Die Erfindung betrifft einen keramischen Drucksensor mit einem Grundkörper, mindestens einer mit dem Grundkörper unter Bildung einer Messkammer druckdicht verbundenen Messmembran, einem elektromechanischen Wandler, der dazu dient, eine druckabhängige Verformung der Messmembran in ein elektrisches Primärsignal umzuwandeln, und einer auf dem Grundkörper aufgebrachten Vorortelektronik, die anhand des Primärsignals ein Messsignal generiert und einer weiteren Verarbeitung, Auswertung und/oder Anzeige zur Verfügung stellt.
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Drucksensoren im hier verwendeten Sinn umfassen Absolutdrucksensoren, die den absoluten Druck eines Messmediums gegen Vakuum messen, Relativdrucksensoren, die die Differenz zwischen dem Druck in einem Messmedium und dem aktuellen Atmosphärendruck messen, sowie Differenzdrucksensoren, die eine Druckdifferenz zwischen einem ersten und einem zweiten Mediendruck erfassen.
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Sie finden heute weit gefächerte Anwendung in nahezu allen Bereichen der industriellen Messtechnik.
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Derartige Drucksensoren werden regelmäßig in Druckmessgeräten eingesetzt, in denen der Drucksensor in ein entsprechendes Sensorgehäuse eingesetzt wird, dass dann am Einsatzort des Druckmessgeräts montiert wird. Druckmessgeräte weisen üblicher Weise eine Messgerätelektronik auf, über die die Vorortelektronik gespeist wird und die deren Messsignale aufnimmt und einer weiteren Verarbeitung, Auswertung und/oder Anzeige unterzieht.
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Entsprechende Druckmessgeräte werden von der Anmelderin z.B. unter der Bezeichnung Cerabar hergestellt und in Verkehr gebracht.
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Die Drucksensoren weisen bevorzugt keramische Grundkörper und Membranen auf, da Keramik für die Anwendung in der Druckmesstechnik besonders vorteilhafte thermische, chemische und mechanische Eigenschaften aufweist, die unter anderem eine hohe Langzeitstabilität der erzielbaren Messergebnisse und einen innerhalb weiter Temperaturbereiche verhältnismäßig spannungsfreien Einbau des Sensors in entsprechende in der Regel metallische Sensorgehäuse und/oder Prozessanschlüsse erlauben.
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Es sind Drucksensoren dieser Art bekannt, bei denen die Vorortelektronik unmittelbar auf dem Grundkörper aufgebracht, z.B. aufgeklebt, wird, und elektrisch über angelötete oder gebondete Anschlussdrähte an den Wandler und an die Messgerätelektronik angeschlossen wird.
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Dabei besteht jedoch das Problem, dass durch das Aufbringen der Vorortelektronik auf den Grundkörper eine mechanische Kopplung zwischen diesen beiden Elementen besteht. Jede auch noch so geringe Verformung des Grundkörpers wirkt unmittelbar auf die Verbindung zwischen Grundkörper und Vorortelektronik und über diese mechanische Verbindung auch auf die Vorortelektronik ein. Hierdurch wird die mechanische Verbindung zwischen Vorortelektronik und Grundkörper belastet und unter Umständen mit der Zeit beschädigt. Hinzu kommt, dass die Vorortelektronik und natürlich auch deren in der Regel sehr dünnen Anschlussdrähte empfindlich gegenüber mechanischen Belastungen sind, und durch die bestehende mechanische Kopplung ebenfalls Schaden nehmen können. Ein weiteres Problem besteht darin, dass elektrische Signale, die z.B. auf extrem dünnen Leiterzügen eines Siliziumchips der Vorortelektronik übertragen werden, durch diese mechanische Kopplung beeinflusst oder verfälscht werden können. Dies kann beispielsweise zu signifikanten Fehlern in der Signalverarbeitung führen.
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Aus dem Stand der Technik ist die
DE 103 26 975 A1 , die
US 5 561 247 A sowie die
DE 10 2006 039 422 A1 bekannt geworden. Die
DE 103 26 975 A1 offenbart ein Drucksensor umfassend eine Messzelle mit einem Grundkörper und einer Messmembran. Die
US 5 561 247 A offenbart einen Drucksensor, der den Druck mittels elektrostatischer Kapazität misst. Die
DE 10 2006 039 422 A1 offenbart einen Drucksensor zur Messung von Drücken größer 100 bar.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Drucksensor der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem die Vorortelektronik mechanisch vom Grundkörper entkoppelt ist.
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Hierzu besteht die Erfindung in einem Drucksensor mit
- - einem keramischen Grundkörper,
- - einer mit dem Grundkörper unter Bildung einer Messkammer druckdicht verbundenen Messmembran,
- - einem elektromechanischen Wandler,
- -- der dazu dient, eine druckabhängige Verformung der Messmembran in ein elektrisches Primärsignal umzuwandeln, und
- -- der mindestens einen auf eine Außenseite des Grundkörpers geführten elektrischen Anschluss aufweist,
- - einem vom Grundkörper beabstandet angeordneten keramischen Träger auf dem eine Vorortelektronik angeordnet ist,
- - auf der Außenseite des Grundkörpers montierten Verbindungselementen,
- -- auf denen der Träger mechanisch befestigt ist, und
- -- über die eine der Anzahl der Anschlüsse des Wandlers entsprechende Anzahl elektrisch leitfähiger Verbindungen verläuft,
- --- die vom jeweiligen Anschluss über eines der Verbindungselemente zu einem dem jeweiligen Anschluss zugeordneten auf dem Träger befindlichen an die Vorortelektronik angeschlossenen Kontakt führt.
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Gemäß einer Ausgestaltung umfasst die Vorortelektronik einen ASIC, der auf dem Träger in einem Schutzgehäuse angeordnet ist,
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Gemäß einer Weiterbildung ist der Träger beidseitig mit Komponenten der Vorortelektronik bestückt.
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Gemäß einer weiteren Weiterbildung ist ein zwischen dem Träger und dem Grundkörper bestehender Hohlraum mit einem elektrisch isolierenden Wärme leitenden Material ausgefüllt.
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Weiter umfasst die Erfindung einen erfindungsgemäßen Drucksensor, bei dem
- - jedem Anschluss des Wandlers eines der Verbindungselemente zugeordnet ist,
- -- das entweder aus einem elektrisch leitfähigen Material, insb. aus Lot oder aus Metall, besteht, oder das aus einem Isolator, insb. aus Keramik oder aus Kunststoff, besteht, der mit einer leitfähigen Beschichtung versehen ist,
- -- das mittels einer elektrisch leitfähigen mechanischen Verbindung unmittelbar mit dem jeweiligen Anschluss verbunden ist, und
- -- das mittels einer elektrisch leitfähigen mechanischen Verbindung unmittelbar mit dem dem jeweiligen Anschluss zugeordneten auf der dem Grundkörper zugewandten Seite des Trägers angeordneten Kontakt verbunden ist.
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Weiter umfasst die Erfindung einen erfindungsgemäßen Drucksensor, bei dem
- - jedem Anschluss des Wandlers eines der Verbindungselemente zugeordnet ist,
- -- das aus einem Isolator, insb. aus Keramik oder aus Kunststoff, besteht, und
- -- in dessen Innerem eine von einer dem Grundkörper zugewandten Unterseite des Verbindungselements zu einer dem Träger zugewandten Oberseite des Verbindungselements führende elektrische Leitung verläuft,
- --- die mittels einer elektrisch leitfähigen mechanischen Verbindung unmittelbar mit dem jeweiligen Anschluss verbunden ist, und
- --- die mittels einer elektrisch leitfähigen mechanischen Verbindung unmittelbar mit dem dem jeweiligen Anschluss zugeordneten auf der dem Grundkörper zugewandten Seite des Trägers angeordneten Kontakt verbunden ist..
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Des Weiteren umfasst die Erfindung einen erfindungsgemäßen Drucksensor, bei dem mindestens zwei Anschlüssen des Wandlers ein Verbindungselement zugeordnet ist,
- - das aus einem Isolator, insb. aus Keramik oder aus Kunststoff, besteht,
- - auf dem für jeden Anschluss eine Leiterbahn aufgebracht ist,
- -- die jeweils eine auf einer dem Grundkörper zugewandten Unterseite des Verbindungselements angeordnete Kontaktfläche umfasst, die über eine elektrisch leitfähige mechanische Verbindung mit einem der Anschlüsse des Wandlers verbunden ist,
- -- die jeweils eine auf einer dem Träger zugewandten Oberseite des Verbindungselements angeordnete Kontaktfläche umfasst, die über eine elektrisch leitfähige mechanische Verbindung mit dem dem jeweiligen Anschluss zugeordneten an die Vorortelektronik angeschlossenen Kontakt verbunden ist, und
- -- die jeweils ein Leiterbahnsegment umfasst, dass die beiden Kontaktflächen der jeweiligen Leiterbahn miteinander verbindet.
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Gemäß einer weiteren Weiterbildung umfasst die Erfindung einen Drucksensor, bei dem jeder über eines der Verbindungselemente an einen Anschluss des Wandlers angeschlossene Kontakt über eine durch den Träger hindurch führende elektrische Durchführung an einen auf der vom Grundkörper abgewandten Seite des Trägers angeordneten Anschlusskontakt angeschlossen ist.
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Gemäß einer Weiterbildung der letztgenannten Weiterbildung sind die Anschlusskontakte innerhalb des Schutzgehäuses angeordnet, und dort an Anschlüsse des ASIC's angeschlossen.
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Gemäß einer weiteren Weiterbildung weisen die Anschlüsse der Wandler auf der Außenseite des Grundkörpers angeordnete Kontaktflächen auf, und die elektrisch leitfähigen mechanischen Verbindungen umfassen Lötverbindungen oder Klebungen mit einem elektrisch leitfähigen Kleber, über die die Verbindungselemente, über die die jeweiligen elektrisch leitfähigen Verbindungen verlaufen, auf den Anschlüssen des Wandlers aufgelötet bzw. aufgeklebt sind.
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Gemäß einer weiteren Weiterbildung sind auf der vom Grundkörper abgewandten Seite des Trägers elektrische Anschlusselemente, insb. SMD-Stecker, angeordnet, die jeweils über auf den Träger aufgebrachte und/oder durch den Träger hindurch verlaufende Leiterbahnen an die auf dem Träger befindlichen Anschlusskontakte der Vorortelektronik angeschlossen sind.
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Gemäß einer weiteren Weiterbildung sind die Verbindungselemente SMD-Lötfähige Bauteile, die in einem SMD-Lötverfahren auf den Träger, insb. auf die darauf aufgebrachten Kontakte bzw. auf darauf aufgebrachte metallische Auflageflächen, aufgelötet sind.
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Des Weiteren umfasst die Erfindung einen erfindungsgemäßen Drucksensor, bei dem
- - der Träger aus zwei oder mehr Schichten aufgebaut ist,
- - zwischen zwei benachbarten Schichten Leiterbahnen verlaufen,
- - in den einzelnen Schichten Durchkontaktierungen vorgesehen sind, über die die zwischen den Schichten verlaufenden Leiterbahnen miteinander verbunden sind, und
- - Komponenten der Vorortelektronik über die Leiterbahnen, über die Durchkontaktierungen und/oder über auf auf einer dem Grundkörper abgewandten Oberseite des Trägers und/oder auf einer dem Grundkörper zugewandten Unterseite des Trägers aufgebrachte Leiterbahnen miteinander verbunden sind.
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Weiter umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Drucksensors, bei dem
- - der ASIC auf den Träger mechanisch befestigt wird, und
- - dessen Anschlüsse an auf dem Träger befindliche Anschlusskontakte angeschlossen werden,
- - das Schutzgehäuse über das ASIC gestülpt und auf dem Träger befestigt wird,
- - die SMD-Bauteile und die Verbindungselemente auf die Unterseite des Trägers mittels eines leitfähigen Klebers aufgeklebt oder aufgelötet werden, und
- - der Träger auf dem Grundkörper befestigt wird, indem die Verbindungselemente auf den Grundkörper, insb. auf die darauf angeordneten Anschlüsse des Wandlers bzw. auf darauf angeordnete metallische Auflageflächen, aufgelötet oder mittels eines Leitklebers aufgeklebt werden.
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Aufgrund der punktuellen Befestigung des Trägers über die Verbindungselemente ist der Träger mechanisch entkoppelt vom Grundkörper. Der Träger ist damit auch bei großen Temperaturschwankungen, z.B. über einen Temperaturbereich von - 20 °C bis + 150°C, in dem Drucksensoren üblicher Weise einsetzbar sind, spannungsfrei. Hierdurch sind die Vorortelektronik und deren zum Teil sehr empfindlichen elektrischen Anschlüsse und Verbindungen vor mechanischen Belastungen geschützt.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der Träger aufgrund der Verbindungselemente beidseitig mit Komponenten der Vorortelektronik bestückt werden kann. Hierdurch kann die Baugröße des Trägers reduziert werden.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der erfindungsgemäße Drucksensor auf sehr effiziente und kostengünstige Weise gefertigt werden kann, da der Anschluss des Wandlers an die Vorortelektronik unmittelbar über die Verbindungselemente erfolgt.
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Des Weiteren können die Verbindungselemente in einem SMD-Lötverfahren zusammen mit den SMD-lötfähigen Komponenten der Vorortelektronik in einem automatisierbaren Arbeitsgang auf den Träger aufgebracht werden.
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Die Erfindung und deren Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist, näher erläutert. Gleiche Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
- 1 zeigt: einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Drucksensor;
- 2 zeigt: eine dem Grundkörper zugewandte Unterseite des Trägers von 1;
- 3a zeigt: ein Verbindungselement aus einem rohrförmigen Isolator, dessen Innenraum mit einer elektrischen Leitung gefüllt ist;
- 3b zeigt: ein Verbindungselement aus einem rohrförmigen Isolator, dessen innere Mantelfläche mit einer elektrischen Leitung beschichtet ist;
- 3c zeigt: ein Verbindungselement über das zwei elektrisch leitfähige Verbindungen verlaufen; und
- 4 zeigt: eine Draufsicht von die vom Grundkörper abgewandte Oberseite des Trägers von 1.
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1 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Drucksensor mit einem Sensorelement mit einem im wesentlichen zylindrischen Grundkörper 1 und einer mit dem Grundkörper 1 unter Bildung einer Messkammer 3 druckdicht verbundenen kreisscheibenförmigen Messmembran 5. Je nach Zielsetzung des Drucksensors herrscht in der Messkammer 3 ein anderer Gegendruck zu einem auf die Außenseite der Messmembran 5 einwirkenden Druck p. Bei einem Relativdrucksensor ist der Gegendruck der Atmosphärendruck in der Umgebung des Sensors, der über eine hier nicht dargestellte Referenzdruckzufuhr in die Messkammer 3 eingeleitet ist. Bei einem Absolutdrucksensor ist die Messkammer 3 entsprechend evakuiert.
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Der Grundkörper 1 besteht aus Keramik, insb. aus Aluminium Oxid. Ebenso kann die Messmembran 5 aus Keramik bestehen.
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Die Messmembran 5 ist druckempfindlich, d.h. ein auf sie einwirkender Druck p bewirkt eine Auslenkung der Messmembran 5 aus deren Ruhelage. Der Drucksensor weist einen elektromechanischen Wandler auf, der dazu dient eine druckabhängige Verformung der Messmembran 5 in ein elektrisches Primärsignal umzuwandeln. Hierzu eignen sich beispielsweise kapazitive oder resistive Wandler. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel eines kapazitiven Drucksensors umfasst der Wandler eine auf einer der Messmembran 5 zugewandten Seite des Grundkörpers 1 aufgebrachte kreisscheibenförmige Messelektrode 7, eine die Messelektrode 7 konzentrisch umschließende ringscheibenförmige Referenzelektrode 9 und eine auf der Innenseite der Messmembran 5 angeordnete Gegenelektrode 11. Die Messelektrode 7 und die Gegenelektrode 11 bilden einen Kondensator, dessen Kapazität sich in Abhängigkeit von der druck-bedingten Auslenkung der Messmembran 5 ändert. Die Referenzelektrode 9 und die Gegenelektrode 11 bilden einen Referenzkondensator. Die Kapazität des Referenzkondensators ist aufgrund der Position der Referenzelektrode 9 am äußeren Rand des Sensorelements, in dem die Messmembran 5 praktisch keine druckabhängige Auslenkung erfährt konstant.
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Der Wandler weist mindestens einen auf eine Außenseite des Grundkörpers 1 geführten elektrischen Anschluss 13, 15 auf. Die Außenseite ist hier die von der Messmembran 5 abgewandten Seite des Grundkörpers 1. Je nach Art des verwendeten Wandlers können natürlich auch mehr oder weniger Anschlüsse vorgesehen sein. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Anschlüsse 13, 15 auf den Grundkörper 1 aufgebrachte metallische Kontakte, die jeweils über eine elektrische durch den Grundkörper 1 hindurch geführte Durchführung 17 elektrisch leitend mit der Messelektrode 7 bzw. mit der Referenzelektrode 9 verbunden sind. Die Durchführungen 17 sind beispielsweise in den Grundkörper 1 durchdringende Bohrungen eingesetzte Metallstifte, die die Messelektrode 7 bzw. die Referenzelektrode 9 elektrisch leitend mit dem auf dem Grundkörper 1 angeordneten zugehörigen Anschluss 13, 15 verbinden. Die Anschlüsse 13, 15 bestehen beispielsweise aus scheibenförmigen Metallplättchen, die auf dem Grundkörper 1 aufgebracht oder in eine Ausnehmung in dessen Oberfläche eingesetzt sind.
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Auf der Außenseite des Grundkörpers 1 sind hier säulenförmig dargestellte Verbindungselemente 19, 21, 23 montiert, auf denen ein scheibenförmiger keramischer Träger 25 mechanisch befestigt ist. Vorzugsweise sind die Verbindungselemente 19, 21, 23 als SMD-lötfähige Bauteile ausgebildet, die abhängig von der Funktion des jeweiligen Verbindungselements 19, 21, 23 in einem SMD-Lötverfahren, z.B. in einem Reflowlötvorgang, auf metallische auf die dem Grundkörper 1 zugewandten Seite des Trägers 25 aufgebrachte metallische Kontakte 31a, 31 b oder auf metallische auf die dem Grundkörper 1 zugewandten Seite des Trägers 25 aufgebrachte metallische Auflageflächen 45 aufgelötet sind. Die Lötverbindungen zwischen den Kontakten 31 a, 31 b und den zugeordneten Verbindungselementen 19, 21 bewirken eine elektrisch leitfähige mechanische Verbindung 33. Alternativ kann eine solche Verbindung natürlich durch eine Klebung mit einem elektrisch leitfähigen Kleber bewirkt werden. Die Verbindungselemente 19, 21, 23 bilden Abstandshalter, durch die der Träger 25 parallel zum Grundkörper 1 von diesem beabstandet angeordnet ist. Die Verbindungselemente 19, 21, 23 sind derart räumlich über die Grundfläche des Trägers 25 verteilt angeordnet, dass durch sie eine stabile möglichst spannungsfreie Befestigung des Trägers 25 gegeben ist. 2 zeigt eine Ansicht der dem Grundkörper 1 zugewandten Seite des Trägers 25 in der ein Beispiel für die Anordnung der auf den Kontakten 31 a, 31 b bzw. auf den metallischen Auflageflächen 45 montierten Verbindungselemente 19, 21, 23 dargestellt ist. Es sind vier Verbindungselemente 19, 21, 23 eingezeichnet. Zwei der Verbindungselemente 19, 21 sind nah bei einander auf der Mitte des linken Randes des Trägers 25 auf den Kontakten 31a, 31b angeordnet. Die beiden anderen Verbindungselement 23 sind in den Ecken des rechten Randes des Trägers 25 auf den Auflageflächen 45 angeordnet, so dass sie zusammen mit den beiden benachbarten Verbindungselementen 19, 21 ein 2 durch eine gestrichelte Linie angezeigtes Dreieck aufspannen. Selbstverständlich können die Verbindungselemente auch in anderer Weise unter dem Träger 25 verteilt angeordnet sein. Die dreieckförmige Anordnung bietet jedoch den Vorteil, dass bei dieser Anordnung eine stabile mechanische Befestigung gegeben ist und gegebenenfalls durch Fertigungstoleranzen bestehende geringfügige Höhenunterschiede der Verbindungselemente 19, 21, 23 ausgeglichen werden.
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Da der Träger 25 ausschließlich auf den Verbindungselementen 19, 21, 23 aufliegt und nicht flächig mit einem Untergrund verbunden ist, besteht trotz der mechanischen Befestigung des Trägers 25 auf dem Grundkörper 1 eine mechanische Entkopplung zwischen Grundkörper 1 und Träger 25. Verspannungen und/oder geringfügige Verformungen des Grundkörpers 1, wie sie z.B. durch Temperaturänderungen oder durch den auf den Drucksensor einwirkenden Druck p verursacht werden können, haben damit praktisch keine Rückwirkung auf den Träger 25 und damit verbundene Komponenten.
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Auf dem keramischen Träger 25 ist eine Vorortelektronik angeordnet. Die Vorortelektronik dient dazu ein elektrisches Primärsignal des Wandlers aufzunehmen, zu verstärken und anhand des Primärsignals ein druckabhängiges Messsignal zu generieren und einer weiteren Verarbeitung, Auswertung und/oder Anzeige zur Verfügung stellen. Neben der Ableitung des Primärsignal und der Verstärkung kann die Vorortelektronik natürlich auch eine Verarbeitung und/oder Aufbereitung des Messsignals ausführen. Die Vorortelektronik kann digitale und/oder analoge Schaltungskomponenten umfassen. Da der Träger 25 durch die Verbindungselemente 19, 21, 23 vom Grundkörper 1 beabstandet ist und die Verbindungselemente 19, 21, 23 nur wenig Platz beanspruchen, kann der Träger 25, wie in 1 dargestellt, beidseitig mit Komponenten der Vorortelektronik bestückt sein. Kernstück der Vorortelektronik ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein anwendungs-spezifischer integrierter Schaltkreis 27 (ASIC), der auf einer vom Grundkörper 1 abgewandten Oberseite des Trägers 25 angeordnet ist. Dieser nachfolgend kurz mit ASIC 27 bezeichnete Schaltkreis ist auf den Träger 25 aufgeklebt oder aufgelötet. Das ASIC 27 ist vorzugsweise in einem Schutzgehäuse 29 angeordnet, das beispielsweise aus Keramik oder aus Metall besteht und auf den Träger 25 aufgelötet ist. Weitere analoge und/oder digitale Komponenten der Vorortelektronik können zu beiden Seiten des Trägers 25 aufgebracht werden. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind exemplarisch drei SMD Bauteile SMD1, SMD2, SMD 3 dargestellt, die auf der dem Grundkörper 1 zugewandten Unterseite des Trägers 25 angeordnet sind. Ebenso können auf der gegenüberliegenden Oberseite des Trägers 25 weitere Bauteile angeordnet sein.
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Je nach Ausgestaltung des Sensors dienen einige oder sogar alle Verbindungselemente neben der mechanischen Befestigung des Trägers 25 auch zugleich zum elektrischen Anschluss der Vorortelektronik an die Anschlüsse 13, 15 des Wandlers. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel haben die Verbindungselemente 19 und 21 dieses Doppelfunktion, während die übrigen Verbindungselemente 23 ausschließlich der mechanischen Befestigung des Trägers 25 dienen.
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Für den elektrischen Anschluss des elektromechanischen Wandlers an die Vorortelektronik ist eine der Anzahl der Anschlüsse 13, 15 des Wandlers entsprechende Anzahl elektrisch leitfähiger Verbindungen vorgesehen, die jeweils vom jeweiligen Anschluss 13, 15 über eines der Verbindungselemente 19, 21 zu dem zugeordneten Kontakt 31a, 31b auf der dem Grundkörper 1 zugewandten Unterseite des Trägers 25 führen. Die Kontakte 31a, 31b sind über auf, in und/oder durch den Träger 25 hindurch verlaufende elektrische Verbindungen elektrisch leitend an die auf dem Träger 25 befindliche Vorortelektronik angeschlossen ist.
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Hierzu kann, wie in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel gezeigt, jedem Anschluss 13, 15 jeweils ein Verbindungselement 19, 21 zugeordnet sein. Das jeweilige Verbindungselement 19, 21 ist vorzugsweise unmittelbar auf dem jeweiligen Anschluss 13, 15 plaziert.
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Die Verbindungselemente 19, 21 bestehen z.B. aus einem elektrisch leitfähigen Material, z.B. aus Lot, insb. in Form eines Lotformteils, oder aus Metall. Alternativ können sie auch aus einem Isolator, z.B. aus Keramik oder aus Kunststoff, bestehen, der vollständig mit einer leitfähigen Beschichtung versehen ist.
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Ebenso ist es möglich jedem Anschluss 13, 15 ein Verbindungselement 19a, 19b aus einem Isolator, insb. aus Keramik oder aus Kunststoff, zuzuordnen, in dessen Innerem eine von einer dem Grundkörper 1 zugewandten Unterseite des Verbindungselements 19a, 19b zu einer dem Träger 25 zugewandten Oberseite des Verbindungselements 19a, 19b führende elektrische Leitung 20a, 20b verläuft. 3a und 3b zeigen zwei Ausführungsbeispiele hierzu. In dem in 3a dargestellten Ausführungsbeispiel wurde die elektrische Leitung 20a dadurch gebildet, dass ein zylindrischer Innenraum eines rohrförmigen Isolators mit einem Metall, z.B. einem Lot oder einem Metallstift, befüllt ist. In dem in 3b dargestellten Ausführungsbeispiel wurde die elektrische Leitung 20b dadurch gebildet, dass eine zylindrische innere Mantelfläche des rohrförmigen Isolators, z.B. mit einem Lot, metallisch beschichtet ist. Zusätzlich kann auf der Oberseite und der Unterseite dieser Verbindungselemente 19a, 19b jeweils eine an die Leitung 20a, 20b angeschlossene elektrische Anschlussfläche 22 vorgesehen werden, die den nachfolgend beschriebenen elektrischen Anschluss und die mechanische Befestigung dieser Verbindungselemente 20a, 20b erleichtert. Die innen liegenden Leitungen 20a, 20b bieten den Vorteil, dass die über diese Leitungen 20a, 20b verlaufenden elektrisch leitfähigen Verbindungen zu den Anschlüssen 13, 15 des Wandlers vor äußeren Einflüssen, insb. vor Feuchtigkeit, geschützt sind.
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Die Verbindungselemente 19, 21 sind jeweils mittels einer elektrisch leitfähigen mechanischen Verbindung 35 mit dem zugeordneten Anschluss 13, 15 des Wandlers verbunden. Dies geschieht vorzugsweise in einem einzigen Arbeitsgang, in dem die Verbindungselemente 19, 21 auf die auf der Außenseite des Grundkörpers 1 angeordneten Anschlüsse 13, 15 aufgelötet werden. Alternativ können sie auch mittels eines leitfähigen Klebers aufgeklebt werden.
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Die elektrisch leitfähige Verbindung, über die der an die Referenzelektrode 9 angeschlossene Anschluss 13 der Wandlers mit der Vorortelektronik verbunden ist verläuft vom Anschluss 13 über die elektrisch leitfähige mechanische Verbindung 35, hier die Lötung oder die Klebung mit leitfähigem Kleber, über das Verbindungselement 19 und über die elektrisch leitfähige mechanische Verbindung 33 zum Kontakt 31a. Von dort führt sie über eine durch den keramischen Träger 25 hindurch führende elektrische Durchführung 37 zu einem auf die vom Grundkörper 1 abgewandte Seite des Trägers 25 aufgebrachten Anschlusskontakt 39a, der wiederum über einen Bonddraht 41a an einen Anschluss 43a des ASIC's 27 angeschlossen ist.
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Die elektrisch leitfähige Verbindung, über die der an die Messelektrode 7 angeschlossene Anschluss 15 der Wandlers mit der Vorortelektronik verbunden ist verläuft vom Anschluss 15 über die elektrisch leitfähige mechanische Verbindung 35, hier die Lötung oder die Klebung mit leitfähigem Kleber, über das Verbindungselement 21, und über die elektrisch leitfähige mechanische Verbindung 33 zum Kontakt 31b. Von dort führt sie über eine durch den keramischen Träger 25 hindurch führende elektrisch Durchführung 37 zu einem auf die vom Grundkörper 1 abgewandte Seite des Trägers 25 aufgebrachten Anschlusskontakt 39b, der wiederum über einen weiteren Bonddraht 41b an einen weiteren Anschluss 43b des ASIC's 27 angeschlossen ist.
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Die Verbindungselemente 23, die ausschließlich zur mechanischen Befestigung des Trägers 25 eingesetzt sind, sind vorzugsweise identisch zu den übrigen Verbindungselementen 19, 21 ausgebildet und auf die gleiche Weise wie diese mit dem Träger 25 und dem Grundkörper 1 verbunden. Diese Verbindungselemente 23 liegen vor und hinter der in 1 dargestellten Schnittebene und sind in 1 zusammen mit deren Befestigung deshalb nur gestrichelt dargestellt. Für deren Befestigung auf dem Grundkörper 1 ist auf dem Grundkörper 1 an den entsprechenden Orten vorzugsweise eine metallische Auflagefläche 45 aufgebracht, die vorzugsweise identisch zu den Anschlüssen 13, 15 ausgebildet ist. D.h. auch hier werden metallische Plättchen auf den Grundkörper 1 aufgebracht oder in entsprechende Ausnehmungen auf der dem Träger 25 zugewandten Seite des Grundkörpers 1 eingelassen. Ebenso sind an den entsprechenden Orten auf der dem Grundkörper 1 zugewandten Unterseite des Trägers 25 metallische Auflageflächen 45 aufgebracht, die vorzugsweise identisch zu den Kontakten 31a, 31b ausgebildet sind.
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Alternativ zu den für den elektrischen Anschluss des Wandlers verwendeten Verbindungselementen 19, 21 können auch Verbindungselemente 47 eingesetzt werden, die aus einem Isolator, insb. aus Keramik oder aus Kunststoff, bestehen, auf denen eine oder mehrere Leiterbahnen 49 aufgebracht sind. Ein Beispiel hierzu ist in 3c dargestellt. Jede der Leiterbahnen 49 ist in diesem Fall Bestandteil einer separaten elektrisch leitfähigen Verbindung zwischen einem Anschluss 13, 15 des Wandlers und der Vorortelektronik. Jede Leiterbahn 49 umfasst eine auf der dem Träger 25 zugewandten Oberseite des Verbindungselements 47 angeordnete Kontaktfläche 51 und eine auf der dem Grundkörper 1 zugewandten Unterseite des Verbindungselemente 47 angeordnete identisch ausgebildete weitere Kontaktfläche 51. Die beiden Kontaktflächen 51 einer Leiterbahn 49 sind jeweils über ein sich die Bauhöhe des Verbindungselements 47 erstreckendes Leiterbahnsegment 53 miteinander verbunden. Auf diese Weise ist es möglich, zwei oder mehr räumlich benachbarte Anschlüsse 13, 15 des Wandlers über ein Verbindungselement 47 an die Vorortelektronik anzuschließen. Analog zu den zuvor beschriebenen Verbindungselementen 19, 21 wird hier eine elektrisch leitfähige mechanische Verbindung 33, vorzugsweise eine Lötverbindung zwischen den Kontaktflächen 31a, 31b und den Kontaktflächen 51 auf der Oberseite des Verbindungselements 47 und eine elektrisch leitfähige mechanische Verbindung 35 zwischen dem jeweiligen Anschluss 13, 15 und den Kontaktflächen 51 auf der Unterseite des Verbindungselements 47 hergestellt.
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In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel verlaufen die beiden elektrischen Verbindungen über die die Anschlüsse 13, 15 an die Vorortelektronik angeschlossen sind, in gerader Linie auf dem kürzesten Verbindungsweg vom jeweiligen Anschluss 13, 15 über die Verbindungselemente 19, 21 zu den Kontakten 31a, 31b. Letztere sind über die Durchführungen 37 durch den Träger 25 hindurch mit den Anschlusskontakten 39a, 39b, die in unmittelbarer Nähe des ASIC's 27 unter dem Schutzgehäuse 29 angeordnet sind, verbunden. Durch diese geringe Distanz werden Leitungsverluste gering gehalten. Die Anschlusskontakte 39a, 39b und die empfindlichen Bondverbindungen sind durch das Schutzgehäuse 29 vor Umgebungseinflüssen geschützt.
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Der keramische Träger 25 ist vorzugsweise, genau wie eine Multilayer-Leiterplatte, aus zwei oder mehr aufeinander angeordneten Schichten aufgebaut. Zwischen zwei benachbarten Schichten verlaufen, in 1 nur Ausschnittweise beispielhaft dargestellte, Leiterbahnen 55, und in den einzelnen Schichten sind, hier ebenfalls nur Ausschnittweise beispielhaft dargestellte, Durchkontaktierungen 57 vorgesehen, über die die zwischen den Schichten verlaufenden Leiterbahnen 55 miteinander verbunden sind. Zusätzlich sind auf der Oberseite und/oder der Unterseite des Trägers 25 je nach Bedarf die einzelnen Komponenten verbindende weitere Leiterbahnen 59, 63 vorgesehen. Über die Leiterbahnen 55, 59, 63 in und auf dem Träger 25 und die Durchkontaktierungen 57 sind die einzelnen Komponenten der Vorortelektronik miteinander verschaltet. Der Anschluss dieser Schaltungsteile an den ASIC 27 kann dann beispielsweise erfolgen, indem die entsprechenden Anschlüsse 43c des ASIC's 27 über Bonddrähte 41 mit auf dem Träger 25 aufgebrachten Anschlusskontakten 39c verbunden werden, an die die entsprechenden Leiterbahnen 55 über eine der Durchkontaktierungen 57 angeschlossen sind. Auch hier sind die Anschlusskontakte 39c vorzugsweise innerhalb des Schutzgehäuses 29 angeordnet, das die Anschlusskontakte 39c und die Bondverbindungen vor Umgebungseinflüssen schützt.
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Der Drucksensor weist elektrische Anschlusselemente 61 auf, über die der Drucksensor elektrisch an eine übergeordnete Einheit, wie z.B. eine Messgerätelektronik anschließbar ist. Über diese Anschlusselemente 61 wird der Drucksensor, d.h. die Vorortelektronik und der Wandler, beispielsweise mit Energie versorgt und es werden die von der Vorortelektronik abgeleiteten Messsignale übertragen.
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In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Anschlusselemente 61 auf der vom Grundkörper 1 abgewandten Seite des Trägers 25 aufgebrachte SMD-Stecker oder SMD-Steckerleisten, die über die auf der Oberseite des Trägers 25 verlaufenden in 1 und 4 dargestellte Leiterbahnen 63 an die Vorortelektronik angeschlossen sind. Sie verlaufen von dem Anschlusselement 61 auf der Oberseite des Trägers 25 bis kurz vor das Schutzgehäuse 29 des ASIC's 27. Dort sind sie an ein Durchkontaktierungen 57 angeschlossen, die sie mit einer in der nächsten Schicht des Trägers 25 unter der Wand des Schutzgehäuses 29 hindurch führenden Leiterbahn 55 verbinden. Letztere sind über weitere Durchkontaktierungen 57 an innerhalb des Schutzgehäuses 29 befindliche Anschlusskontakte 39d angeschlossen, der wiederum über Bonddrähte 41d an die zugehörigen Anschlüsse 43d des ASIC's 27 angeschlossen sind.
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Alternativ hierzu können natürlich Durchkontaktierungen im Schutzgehäuse 29 vorgesehen werden, über die die auf dem Träger 25 verlaufenden Leiterbahnen 63 z.B. durch außerhalb und innerhalb des Schutzgehäuses 29 auf diese Durchkontaktierungen geführte Bondverbindungen an den ASIC 27 angeschlossen werden.
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Anstelle von Steckern oder Steckerleisten können natürlich auch andere Formen von Anschlusselementen, wie z.B. flexible Leiterplatten eingesetzt werden, die an die Leiterbahnen 63 angeschlossen werden.
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In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der ASIC 27 mechanisch auf dem Träger 25 befestigt, und der elektrische Anschluss der Anschlüsse 43, hier 43a, 43b, 43c und 43d, des ASIC 27 an die auf dem Träger 25 angeordneten zughörigen Anschlusskontakte 39, hier 39a, 39b, 39c und 39d, erfolgt über Bondverbindungen. Alternativ hierzu kann der ASIC 27 mittels Flip-Chip Technik montiert und elektrisch angeschlossen werden. Dazu wird der ASIC 27 umgedreht, so dass sich die Anschlüsse 43, hier 43a, 43b, 43c und 43d auf dessen dem Träger 25 zugewandten Seite befinden. Der ASIC 27 wird in diesem Fall über Lötverbindungen zwischen dessen Anschlüssen 43, hier 43a, 43b, 43c und 43d und den deckungsgleich auf der dem ASIC 27 zugewandten Seite des Trägers 25 angeordneten zughörigen Anschlusskontakten 39, hier 39a, 39b, 39c und 39d, elektrisch angeschlossen und mechanisch befestigt.
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Der zwischen dem Träger 25 und dem Grundkörper 1 bestehende Hohlraum ist vorzugsweise mit einem elektrisch isolierenden Wärme leitenden Material 65, einem so genannten Underfill ausgefüllt ist. Derartige Materialien 65 sind in der Elektronik bekannt, und werden beispielsweise in Form einer Vergussmasse vertrieben. Sie bieten hier den Vorteil, dass sie den keramischen Träger 25 ungefähr auf der gleichen Temperatur halten, die auch im Grundkörper 1 und in der Membran 5 des Drucksensors herrschen. Dies ist insb. dann von Vorteil, wenn das Sensorelement im Verbund mit dem Träger 25 kalibriert wird und/oder eine Temperaturmessung zur Kompensation von von der Temperatur abhängigen Messfehlern über einen in der Vorortelektronik integrierten Temperaturfühler erfolgt.
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Bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Drucksensors wird zunächst der Träger 25 mit allen erforderlichen Kontakten 31a, 31b, Auflageflächen 45, Durchführungen 37, Anschlusskontakten 39, Leiterbahnen 55, 59, 63 und den Durchkontaktierungen 57 gefertigt. Danach wird der ASIC 27 auf den Träger 25 geklebt oder aufgelötet, und es werden die Bondverbindungen zu den später innerhalb des Schutzgehäuses 29 befindlichen Anschlusskontakten 39a, 39b, 39c, 39d hergestellt. Alternativ kann der ASIC 27 natürlich auch unter Verwendung der zuvor beschriebenen Flip-Chip Technik aufgebracht und angeschlossen werden. Anschließend wird das Schutzgehäuse 29 über das ASIC 27 gestülpt und auf dem Träger 25 befestigt. Die Befestigung erfolgt beispielsweise mittels einer entsprechend auf dem Träger 25 aufgebrachten Lotpaste in einem Reflowlötverfahren.
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Nachfolgend werden die übrigen Komponenten der Vortortelektronik, hier die SMD-Bauteile SMD1, SMD2, SMD3, und die Verbindungselemente 19, 21, 23 auf der Unterseite des Trägers 25 durch die Herstellung der entsprechenden elektrisch leitfähigen mechanischen Verbindungen 33 aufgebracht. Dabei werden die SMD-Bauteile SMD1, SMD2, SMD3 und die SMD-lötfähigen Verbindungselemente 19, 21, 23 in einem vorzugsweise automatisierten Bestückungsvorgang auf auf die Kontakte 31a, 31b und die Auflageflächen 45 aufgebrachte Lotpaste aufgesetzt und z.B. in einem Reflowlötvorgang verlötet. Abschließend wird der Träger 25 auf dem Grundkörper 1 befestigt, indem die Verbindungselemente 19, 21 auf die Anschlüsse 13, 15 des Wandlers und die Verbindungselemente 23 auf die metallischen Auflageflächen 45 z.B. in einem Reflowlötverfahren aufgelötet oder mittels eines Leitklebers aufgeklebt werden.
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Die Anschlusselemente 61 können entweder zusammen mit dem ASIC 27, zusammen mit dem Schutzgehäuse 29 oder im Anschluss an die Befestigung des Trägers 25 auf dem Grundkörper 1 aufgeklebt oder aufgelötet werden.
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Damit ist ein äußerst effizientes in weiten Teilen automatisierbares und damit zeit- und kosteneffizientes Herstellungsverfahren gegeben.
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Die Erfindung ist in völlig analoger Weise natürlich auf für Differenzdrucksensoren einsetzbar, die einen keramischen Grundkörper aufweisen, auf dessen Außenseite die Anschlüsse der elektromechanischen Wandler des entsprechenden Differenzdrucksensorelements angeordneten sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Grundkörper
- 3
- Messkammer
- 5
- Messmembran
- 7
- Messelektrode
- 9
- Referenzelektrode
- 11
- Gegenelektrode
- 13
- Anschluss des Wandlers
- 15
- Anschluss des Wandlers
- 17
- Durchführung
- 19, 19a, 19b
- Verbindungselemente
- 20a, 20b
- elektrische Leitungen
- 21
- Verbindungselement
- 22
- Anschlussfläche
- 23
- Verbindungselement
- 25
- Träger
- 27
- ASIC
- 29
- Schutzgehäuse
- 31a, 31b
- Kontakte
- 33
- elektrisch leitfähige mechanische Verbindung
- 35
- elektrisch leitfähige mechanische Verbindung
- 37
- Durchführung
- 39a-39d
- Anschlusskontakte
- 41
- Bonddraht
- 43a-43d
- Anschlüsse
- 45
- metallische Auflagefläche
- 47
- Verbindungselement
- 49
- Leiterbahn
- 51
- Kontaktfläche
- 53
- Leiterbahnsegment
- 55
- Leiterbahn
- 57
- Durchkontaktierung
- 59
- Leiterbahn auf der Ober- und Unterseite des Trägers
- 61
- Anschlusselement
- 63
- Leiterbahn
- 65
- elektrisch isolierendes Wärme leitendes Material
