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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Sensoren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums in einem Messraum bekannt. Bei dem fluiden Medium kann es sich beispielsweise um ein Gas und/oder eine Flüssigkeit handeln. Bei der mindestens einen Eigenschaft, welche qualitativ oder quantitativ erfasst werden kann, kann es sich um eine beliebige physikalische und/oder chemische Eigenschaft des fluiden Mediums oder einer Strömung des fluiden Mediums handeln. Insbesondere sind Sensoren bekannt, welche eingerichtet sind, um zumindest eine Temperatur des fluiden Mediums zu erfassen. Die Erfindung wird im Folgenden, ohne Beschränkung weiterer möglicher Ausgestaltungen, im Wesentlichen beschrieben unter Bezugnahme auf so genannte Kombinationssensoren, welche neben einer Temperatur weiterhin einen Druck des fluiden Mediums erfassen können (p-T-Sensoren). Derartige Sensoren sind beispielsweise in Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, Seiten 128–129,
und
, beschrieben. Weiterhin sind derartige kombinierte p-T-Sensoren in
DE 10 2006 043 324 A1 dargestellt.
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Ein wichtiges Einsatzgebiet für den Einsatz von p-T-Sensoren ist die Kraftfahrzeugtechnik. Beispielsweise bedingt der Einsatz alternativer Kraftstoffe, wie beispielsweise Erdgas, CNG (compressed natural gas), Ethanol oder ähnlicher alternativer Kraftstoffe, den Einsatz angepasster Sensoren, um physikalische Größen wie Druck und Temperatur im Kraftstoffsystem zu ermitteln. Beispielsweise ermöglichen so genannte Mitteldrucksensoren eine Messung von Druck und Temperatur in einem mit CNG betriebenen Kraftstoffsystem. Derartige p-T-Sensoren weisen üblicherweise ein Gehäuse in Form eines Gewindestutzens auf, welcher in das Kraftstoffsystem eingeschraubt werden kann, beispielsweise mittels eines mit dem Gewindestutzen verbundenen Sechskants. Auf den Gewindestutzen aufgebracht ist ein Drucksensorelement, welches über eine Druckbohrung mit dem Kraftstoffsystem verbunden ist. Weiterhin ragt aus dem Gewindestutzen ein Temperaturmessfinger in das fluide Medium, in welchem ein Temperaturfühler in Form eines NTC-Widerstands (Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten) aufgenommen ist. Dieser Temperaturfühler ist üblicherweise im Inneren einer Tiefziehhülse in einem Klebstoff eingebettet, derart, dass Zuleitungen des Temperaturfühlers am gehäuseseitigen Ende aus der Tiefziehhülse in das Gewinde und aus diesem in einen Elektronikbereich des p-T-Sensors hineinragen. Die Tiefziehhülse wird üblicherweise im Gewindestutzen eingelötet. Der Gewindestutzen mit eingelöteter Tiefziehhülse und der Sechskant sind verschweißt. Das Drucksensorelement ist dem Gewindestutzen üblicherweise aufgelötet. Weiterhin umfasst der p-T-Sensor üblicherweise eine Leiterplatte sowie einen Stecker zur Kontaktierung des Sensors.
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Beim Aufbau derartiger Sensoren ergibt sich eine Vielzahl technischer Herausforderungen. So werden üblicherweise Zuleitungen des Temperatursensorelements an einen so genannten Leadframe geschweißt, also ein Steckerbauteil. Bei der Herstellung des Sensors wird üblicherweise in einem ersten Schritt Klebstoff mittels einer Dosiernadel in die Tiefziehhülse appliziert. Der Klebstoff erfüllt die Funktion einer mechanischen Fixierung und einer thermischen Ankopplung des Temperaturfühlers an die Tiefziehhülse. In einem nächsten Schritt wird das Temperaturfühlermodul, umfassend das Temperatursensorelement und den Leadframe, in die Tiefziehhülse und den Gewindestutzen gefügt. Beim Einlöten der Tiefziehhülse in den Gewindestutzen können jedoch Toleranzen auftreten, beispielsweise Winkelfehler zwischen einer Soll-Ausrichtung der Tiefziehhülse zum Gehäuse und einer Ist-Ausrichtung. Diese Tatsache kann sich bei den weiteren Fertigungsschritten auf einen Dosierprozess auswirken, da beispielsweise eine Dosiernadelpositionierung an diese Ausrichtung angepasst werden müsste. Weiterhin besteht allgemein beim Positionieren und Einführen einer Dosiernadel in die Tiefziehhülse auf einer Länge von beispielsweise ca. 30 mm die Gefahr, dass die Dosiernadel die Wandung der Tiefziehhülse berührt. Diese Berührung kann beispielsweise bedingt sein durch den oben beschriebenen Winkelfehler sowie gegebenenfalls Positionierungstoleranzen der Dosiernadel. Dies kann dazu führen, dass die Dosiernadel verbiegt und dass eine Prozesssicherheit des Dosierprozesses leidet. Weiterhin kann allgemein sowohl durch Meniskusbildung am Nadelausgang der Dosiernadel als auch durch eine Wandberührung der Dosiernadel die Dosiernadel verschmutzen. Aufgrund geringer geometrischer Abstände der Dosiernadel zum Drucksensorelement besteht weiterhin die Gefahr einer unzulässigen Verschleppung von Klebstoff auf das Drucksensorelement. Diese Effekte sind jedoch in der Praxis während der Herstellung nur schwer nachweisbar, und eine Kontrolle des Dosierergebnisses ist in der Regel nur indirekt, durch die Messung eines Ansprechverhaltens beispielsweise des Temperaturfühlers und/oder des Drucksensorelements, möglich.
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Weitere technische Herausforderungen bei bekannten Herstellungsprozessen ergeben sich durch eine Positionierung des Temperatursensorelements. So weist das Temperatursensorelement üblicherweise einen Messbereich in Form einer so genannten „Pille” auf, deren Positionierung gegenüber dem oben genannten Leadframe jedoch in der Regel variabel ist. Diese Variabilität rührt dadurch, dass die Drähte der Zuleitung des Temperaturfühlers nach dem Schweißprozess, bei welchem der Temperaturfühler an den Leadframe angeschweißt wird, nicht geführt werden. Hierdurch können Positionsschwankungen der Pille auftreten. Durch die schwankende Positionierung der Komponenten Pille und Leadframe sind aufwändige Vermessungen und Positionierprozesse erforderlich, um das Temperaturfühlermodul automatisiert in den Gewindestutzen und die Tiefziehhülse zu fügen. Aufgrund der geringen Platzverhältnisse zwischen dem Drucksensorelement und dem Temperaturfühlermodul besteht beim Fügeprozess zudem die Gefahr, dass das Drucksensorelement beschädigt wird. Insgesamt wäre somit ein Aufbaukonzept wünschenswert, welches die genannten Nachteile vermeidet und welches insbesondere eine hohe Prozesssicherheit gewährleistet und welches auch bei engen Platzverhältnissen in Kombinationssensoren, insbesondere p-T-Sensoren, zuverlässig und automatisiert einsetzbar ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird dementsprechend in einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Sensors zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums in einem Messraum vorgeschlagen. Die mindestens eine Eigenschaft umfasst, wie unten noch näher erläutert wird, insbesondere mindestens eine Temperatur des fluiden Mediums. Daneben kann die mindestens eine Eigenschaft mindestens eine weitere physikalische und/oder chemische Eigenschaft des fluiden Mediums umfassen, einschließlich beispielsweise eines Drucks, einer weiteren Temperatur, einer Strömungseigenschaft oder einer oder mehrerer anderer Eigenschaften. Bei dem Messraum kann es sich grundsätzlich um einen beliebigen Raum handeln, in welchem das fluide Medium, also ein Gas und/oder eine Flüssigkeit, ruhend oder strömend aufgenommen ist. Insbesondere kann es sich bei dem Messraum um einen Teil eines Kraftstoffsystems handeln, insbesondere eines CNG-Kraftstoffsystems. Der Sensor kann somit insbesondere als Temperatursensor zur Erfassung eines Kraftstoffs, insbesondere CNG, eingesetzt werden oder ausgestaltet sein, insbesondere als kombinierter Sensor, vorzugsweise als kombinierter Sensor, welcher sowohl Temperatur als auch Druck des fluiden Mediums erfassen kann, insbesondere des Kraftstoffs. Derartige kombinierte Druck-Temperatur-Sensoren werden im Folgenden auch als p-T-Sensoren bezeichnet.
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Der Sensor umfasst mindestens ein in eine Wand des Messraums einbringbares Gehäuseteil. Insbesondere kann es sich bei diesem Gehäuseteil um einen Gewindestutzen handeln. Das Gehäuseteil kann insbesondere mittels eines oder mehrerer Verbindungselemente in der Wand des Messraums fixierbar sein, beispielsweise mittels mindestens eines Gewindes. Auch andere Fixierungen sind jedoch grundsätzlich alternativ oder zusätzlich möglich. Die Fixierung kann insbesondere druckdicht und/oder mediendicht erfolgen.
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Erfindungsgemäß wird zur Lösung der oben beschriebenen Problematik vorgeschlagen, dass mindestens ein Temperatursensorelement zur Erfassung einer Temperatur des fluiden Mediums, mit mindestens einem Messbereich und mindestens einer Zuleitung, zumindest teilweise in ein Matrixmaterial eingebettet wird. Dabei werden der Messbereich und zumindest ein Teil der Zuleitung von dem Matrixmaterial umschlossen. Dabei wird ein Temperaturfühlermodul gebildet. Dieses Temperaturfühlermodul wird mit dem Gehäuseteil verbunden.
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Unter einem Temperatursensorelement ist grundsätzlich ein beliebiges Sensorelement zu verstehen, welches eingerichtet ist, um eine Temperatur qualitativ oder vorzugsweise quantitativ zu erfassen. Insbesondere kann das Temperatursensorelement ein elektrisches Temperatursensorelement umfassen und besonders bevorzugt einen Temperaturmesswiderstand. Insbesondere kann das Temperatursensorelement einen temperatursensitiven Widerstand mit mindestens einem Material mit negativem Temperaturkoeffizienten umfassen, also einen so genannten NTC-Widerstand. Insbesondere kann das Temperatursensorelement ganz oder teilweise als SMD-Bauelement ausgestaltet sein oder ein derartiges SMD-Bauelement umfassen. Unter einem Messbereich ist grundsätzlich ein beliebiger räumlicher Bereich des Temperatursensorelements zu verstehen, welcher sensitiv auf die Temperatur des fluiden Mediums reagiert. Insbesondere kann dieser Messbereich den temperatursensitiven Widerstand umfassen, vorzugsweise den NTC-Widerstand. Beispielsweise kann dieser Messbereich, wie bei vielen NTC-Widerständen üblich, eine so genannte Pille oder Perle umfassen, in welcher der NTC-Widerstand aufgenommen ist. Hierbei kann es sich beispielsweise um ein thermisch leitfähiges Kunststoffmaterial handeln, welches den NTC-Widerstand umschließt.
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Bei dem Matrixmaterial kann es sich vorzugsweise um ein Material mit elektrisch isolierenden, jedoch thermisch leitfähigen Eigenschaften handeln. Insbesondere kann das Matrixmaterial mindestens ein Kunststoffmaterial, vorzugsweise genau ein Kunststoffmaterial, umfassen. Beispielsweise kann das Matrixmaterial, wie unten noch näher ausgeführt wird, einen thermisch leitfähigen Kunststoff umfassen, welcher beispielsweise intrinsisch thermisch leitfähige Eigenschaften aufweist und/oder welcher durch entsprechende Füllstoffe thermisch leitfähig ausgestaltet ist.
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Unter einem Temperaturfühlermodal ist ein eigenständig handhabbares Modul des Sensors zu verstehen, welches insbesondere als solches vorgefertigt werden kann, bevor dieses mit dem Gehäuseteil verbunden wird. Dieses Temperaturfühlermodul kann das Temperatursensorelement sowie das dieses Temperatursensorelement zumindest teilweise umschließende Matrixmaterial derart umfassen, dass das Matrixmaterial unmittelbar mit dem fluiden Medium in Kontakt gerät, so dass das Matrixmaterial beispielsweise das Temperaturfühlermodul nach außen abschließt. Insbesondere kann zwischen einer äußeren Oberfläche des Temperaturfühlermoduls und dem Temperatursensorelement lediglich das Matrixmaterial angeordnet sein, so dass das Matrixmaterial die Außenoberfläche des Temperaturfühlermoduls bildet. Insbesondere kann auf eine äußere Hülse des Temperaturfühlermoduls verzichtet werden.
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Das Temperaturfühlermodul kann also, wie oben bereits ausgeführt, insbesondere derart mit dem Gehäuseteil verbunden sein, dass das Temperaturfühlermodul in das fluide Medium hineinragt. Beispielsweise kann das Temperaturfühlermodul aus dem Gehäuseteil in das fluide Medium vorstehen. Alternativ oder zusätzlich kann das Gehäuseteil jedoch auch einen Hohlraum bilden, in welchen das Temperaturfühlermodul hineinragt. Das Temperaturfühlermodul kann insbesondere mit seinem in das fluide Medium hineinragenden Teil einen Messfinger bilden, insbesondere einen Messfinger mit zylindrischer Gestalt, wobei vorzugsweise ein abgerundetes Ende vorgesehen sein kann. Das Temperaturfühlermodul kann somit insbesondere einen zylindrischen Messfinger umfassen, beispielsweise einen Messfinger mit rundem und/oder polygonalem Querschnitt. Ragt das Temperaturfühlermodul in das fluide Medium hinein, so kommt beispielsweise eine Außenoberfläche des Temperaturfühlermoduls, insbesondere eine Außenoberfläche des Matrixmaterials, mit dem fluiden Medium in Kontakt.
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Das Verfahren kann insbesondere derart durchgeführt werden, dass vor dem Einbetten in das Matrixmaterial die mindestens eine Zuleitung, welche beispielsweise einen, zwei oder mehr Zuleitungsdrähte umfassen kann, mit mindestens einem Kontaktelement, insbesondere einem Leadframe, verbunden wird. Dieses Kontaktelement kann beispielsweise, im Gegensatz beispielsweise zu der Zuleitung, mechanisch steife Eigenschaften aufweisen und kann somit beispielsweise als Steckerelement ausgestaltet sein. Unter einem Leadframe kann somit insbesondere ein mindestens einen mechanisch steifen Leiter umfassendes Element verstanden werden, beispielsweise ein Element, welches mindestens zwei mechanisch stabile Kontakte umfasst, beispielsweise mindestens zwei metallische Kontakte, die sich unter üblichen, während des Verfahrens oder im Betrieb des Sensors auftretenden Kräften nicht oder nur unwesentlich verformen. Beispielsweise kann der Leadframe mindestens zwei metallische Pins umfassen, welche beispielsweise mit mindestens zwei Zuleitungsdrähten der Zuleitung verbunden werden. Diese Verbindung kann beispielsweise durch ein stoffschlüssiges Verfahren erfolgen, beispielsweise ein Lötverfahren und/oder ein Schweißverfahren. Auch andere Verfahren sind jedoch alternativ oder zusätzlich grundsätzlich möglich. Die Einbettung des Temperatursensorelements in das Matrixmaterial kann insbesondere derart erfolgen, dass eine oder mehrere Verbindungsstellen zwischen der Zuleitung und dem Kontaktelement ebenfalls von dem Matrixmaterial umschlossen sind. Alternativ oder zusätzlich kann auch das Kontaktelement zumindest teilweise in das Matrixmaterial eingebettet werden. Dies sollte derart erfolgen, dass zumindest ein kontaktierbares Ende des Kontaktelements, beispielsweise mindestens zwei Enden von Steckerstiften oder Pins, aus dem Matrixmaterial herausragen und elektrisch kontaktierbar sind.
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Das Einbetten des Temperatursensorelements in das Matrixmaterial kann grundsätzlich auf verschiedene Weisen erfolgen. Vorzugsweise wird, wie oben beschrieben, zumindest der Messbereich vollständig oder teilweise von dem Matrixmaterial umschlossen. Ein Teil des Messbereichs, wie beispielsweise ein Teil der Pille oder Perle, kann jedoch grundsätzlich auch aus dem Matrixmaterial herausragen. Für das Einbetten können grundsätzlich beliebige Verfahren verwendet werden, vorzugsweise Kunststoffformgebungsverfahren. Insbesondere kann das Einbetten mit einem Verfahren erfolgen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem Spritzverfahren, beispielsweise einem Spritzgießverfahren, insbesondere einem Niederdruckverguss; einem Gießverfahren, insbesondere einem Moldmassen-Gießverfahren. Derartige Verfahren sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt. Beispielsweise kann das Einbetten derart erfolgen, dass das Temperatursensorelement vollständig oder teilweise, beispielsweise mit zumindest einem Teil des Messbereichs und zumindest einem Teil der Zuleitung sowie gegebenenfalls dem optionalen mindestens einen Kontaktelement, in ein Formnest eines Werkzeugs eines formgebenden Verfahrens eingebracht wird. Anschließend kann das Matrixmaterial in einem verformbaren Zustand hinzugegeben werden, beispielsweise in das Formnest eingespritzt und/oder eingegossen werden. Anschließend kann das Werkzeug geöffnet werden, und das Temperaturfühlermodul kann entnommen werden. Das Matrixmaterial kann innerhalb oder auch zumindest teilweise außerhalb des Werkzeugs aushärten. Hierfür können beispielsweise aushärtbare Matrixmaterialien verwendet werden, welche auf chemische und/oder physikalische Weise aushärten, beispielsweise durch ein Vernetzen und/oder ein einfaches Abkühlen. Dies kann beispielsweise durch Wahl entsprechender Kunststoffe erfolgen.
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So kann das Matrixmaterial, wie oben ausgeführt, insbesondere mindestens ein Kunststoffmaterial aufweisen. Dieses Kunststoffmaterial wird vorzugsweise hinsichtlich der Einsatzbedingungen, wie beispielsweise Temperatur- und/oder Medienbelastung, ausgewählt. Beispielsweise können ein oder mehrere Duroplaste und/oder eine oder mehrere Vergussmassen eingesetzt werden. insbesondere kann das Kunststoffmaterial, wie oben erwähnt, thermisch leitfähige, jedoch vorzugsweise elektrisch isolierende, Eigenschaften aufweisen. Das Kunststoffmaterial kann insbesondere, neben weiteren Randbedingungen wie beispielsweise der chemischer Beständigkeit und/oder der Alterungsbeständigkeit und/oder seinem Ausdehnungskoeffizienten, nach seiner thermischen Leitfähigkeit in Abhängigkeit der durch den Einsatzzweck geforderten Sensordynamik ausgewählt werden. Beispielsweise kann das Matrixmaterial einen gefüllten Kunststoff umfassen, beispielsweise einen gefüllten Kunststoff, welcher zur Erhöhung der thermischen Leitfähigkeit mit Graphit und/oder anderen Materialien gefüllt ist.
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Das Gehäuseteil kann insbesondere mindestens eine Öffnung aufweisen. Beispielsweise kann das Gehäuseteil, wie oben ausgeführt, mindestens einen Gewindestutzen umfassen, welcher in die Wand des Messraums einbringbar und vorzugsweise in dieser fixierbar ist, beispielsweise durch ein Außengewinde. Dieser Gewindestutzen kann in seinem Inneren beispielsweise eine Basisplatte oder eine andere Art von Basiselement umfassen, welches die mindestens eine Öffnung aufweist. Das Temperaturfühlermodul kann mit einem Verbindungsbereich in die Öffnung eingebracht und mit dem Gehäuseteil durch mindestens eine Verbindungstechnik verbunden werden. So kann das Temperaturfühlermodul beispielsweise mindestens einen Verbindungsbereich aufweisen, welcher mit dem Gehäuseteil durch eine kraftschlüssige und/oder formschlüssige und/oder stoffschlüssige Verbindungstechnik verbunden wird. Insbesondere kann diese Verbindungstechnik eine stoffschlüssige Verbindungstechnik umfassen, vorzugsweise eine Verklebung. Auch andere Verbindungstechniken sind jedoch alternativ oder zusätzlich grundsätzlich einsetzbar.
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Wie oben beschrieben, kann der Sensor insbesondere als kombinierter Sensor ausgestaltet sein, wobei neben der mindestens einen Temperatur weiterhin mindestens eine weitere physikalische und/oder chemische Eigenschaft des fluiden Mediums erfassbar sein kann. Insbesondere kann bei dem Verfahren weiterhin mindestens ein Drucksensorelement zur Erfassung eines Drucks des fluiden Mediums mit dem Gehäuseteil verbunden werden. Beispielsweise kann das Gehäuseteil mindestens eine Druckbohrung aufweisen, welche das fluide Medium mit dem Drucksensorelement verbindet. Bei dem Drucksensorelement kann es sich beispielsweise um ein Drucksensorelement mit mindestens einer Druckmessmembran handeln, beispielsweise um mindestens ein mikromechanisches Drucksensorelement. Für die Ausgestaltung derartiger Drucksensorelemente kann beispielsweise auf die obige Beschreibung des Standes der Technik verwiesen werden, beispielsweise auf Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, Ausgabe 2007, Seiten 128–130. Beispielsweise kann das Drucksensorelement auf einer von dem fluiden Medium weg weisenden Seite der oben genannten Basisplatte des Gehäuseteils auf einen Druckstutzen aufgebracht werden, beispielsweise aufgeschweißt und/oder aufgelötet werden.
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In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Sensor zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums in einem Messraum vorgeschlagen, welcher insbesondere mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens, beispielsweise gemäß einer oder mehreren der oben oder nachfolgend noch beschriebenen Ausgestaltungen, herstellbar sein kann. Dementsprechend kann für mögliche Ausgestaltungen des Sensors auf die Beschreibung des Verfahrens verwiesen werden. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich. Der Sensor weist mindestens ein in eine Wand des Messraums einbringbares Gehäuseteil auf. Der Sensor umfasst mindestens ein Temperatursensorelement zur Erfassung einer Temperatur des fluiden Mediums, welches mit mindestens einem Messbereich und mindestens einer Zuleitung zumindest teilweise in ein Matrixmaterial eingebettet ist. Dadurch ist ein Temperaturfühlermodul ausgebildet, wobei das Temperaturfühlermodul mit dem Gehäuseteil verbunden ist.
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Das oben beschriebene Verfahren und der oben beschriebene Sensor weisen gegenüber bekannten Verfahren und Sensoren eine Reihe von Vorteilen auf. So lässt sich insbesondere ein Konzept realisieren, bei welchem das Temperaturfühlermodul vorkonfektioniert wird. Diese Vorkonfektionierung kann beispielsweise durch ein Umspritzen des Temperatursensorelements erfolgen, beispielsweise durch einen Niederdruckverguss, ein Moldmassen-Verfahren oder ähnliche Verfahren. Dabei kann beispielsweise ein Leadframe und ein daran elektrisch und/oder mechanisch kontaktiertes Temperatursensorelement zumindest teilweise umspritzt werden. Das vorkonfektionierte Temperaturfühlermodul kann anschließend mechanisch mit dem Gehäuseteil, insbesondere dem Gewindestutzen, verbunden werden, beispielsweise in mindestens einem Verbindungsbereich. Beispielsweise kann das Temperaturfühlermodul einen mechanisch für die Verbindung optimierten Verbindungsbereich aufweisen, sowie einen Messfinger, in welchem beispielsweise der Messbereich aufgenommen ist und welcher beispielsweise von dem Verbindungsbereich aus in das fluide Medium hineinragen kann. Das Verfahren kann weitere Schritte umfassen. So kann beispielsweise anschließend eine elektrische Kontaktierung des Temperaturfühlermoduls erfolgen, beispielsweise an einer Mess- und/oder Auswerteelektronik des Sensors. Diese Mess- und/oder Auswerteelektronik kann beispielsweise ein oder mehrere elektrische und/oder elektronische Schaltkreise auf einer von dem fluiden Medium abgewandten Seite des Gehäuseteils umfassen, beispielsweise mindestens eine Leiterplatte und/oder eine andere Art von Schaltungsträger mit einer oder mehreren elektronischen Komponenten. Weiterhin kann, alternativ oder zusätzlich, ein Steckverbinder vorgesehen sein, welcher beispielsweise direkt oder indirekt mit dem Leadframe und/oder der Zuleitung verbunden werden kann.
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Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens lässt sich insbesondere auf die oben genannte, bei herkömmlichen Temperatursensoren oder p-T-Sensoren verwendete Tiefziehhülse verzichten. Weiterhin lässt sich der genannte Lötprozess der Tiefziehhülse einsparen. Diese Einsparungen führen zu einer erheblichen Kosteneinsparung bei dem vorgeschlagenen Verfahren. Weiterhin wird der Dosierprozess, bei welchem Klebstoff in die Tiefziehhülse appliziert wird, entbehrlich. Damit werden die oben genannten Prozessunsicherheiten vermieden, welche beispielsweise in einer Berührung einer Dosiernadel mit einer Innenwand der Tiefziehhülse und/oder Verschmutzungen der Dosiernadel bestehen können. Hierdurch lässt sich insgesamt die Prozesssicherheit erheblich erhöhen. Weiterhin entfällt in der Regel der Aushärteprozess des Klebstoffs, was ebenfalls eine Kostensenkung bewirken kann.
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Als weiterer erheblicher Vorteil ist zu vermerken, dass das vorkonfektionierte Temperaturfühlermodul in unverbautem Zustand, also vor Verbindung des Temperaturfühlermoduls mit dem Gehäuseteil, elektrisch und/oder mechanisch getestet und/oder geprüft werden kann. So kann das Verfahren insbesondere mindestens einen Prüfschritt des Temperaturfühlermoduls umfassen, welcher vor dem Verbinden des Temperaturfühlermoduls mit dem Gehäuseteil durchgeführt werden kann. Auf diese Weise können beispielsweise fehlerhafte Temperaturfühlermodule vor einem Verbau erkannt und aussortiert werden.
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Als weiterer Vorteil ist zu nennen, dass der Prozess des Fügens des Temperatursensorelements in die Tiefziehhülse entfallen kann. Dieser Prozess kann, wie oben beschrieben, durch das Umspritzen des Temperatursensorelements mit dem Matrixmaterial ersetzt werden. Dieser Prozess ist gegenüber einem Fügen in eine Tiefziehhülse erheblich vereinfacht, was wiederum deutlich zu einer Verbesserung der Prozesssicherheit beitragen kann.
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Das Temperatursensorelement und optional zumindest ein Teil des Leadframes können vollständig von dem Matrixmaterial umschlossen werden, beispielsweise durch Umspritzen. Das Temperaturfühlermodul kann insbesondere mechanisch in dem Gehäuseteil, beispielsweise dem Gewindeteil, fixiert werden. Bei dieser Fixierung, welche, wie oben beschrieben, insbesondere in einer Öffnung des Gehäuseteils erfolgen kann, kann insbesondere eine Dichtheit gegenüber dem fluiden Medium gewährleistet werden. So kann die Verbindung zwischen dem Temperaturfühlermodul und dem Gehäuseteil allgemein mediendicht erfolgen, insbesondere dicht gegenüber dem fluiden Medium. Diese Dichtheit kann beispielsweise auf einfache Weise durch ein stoffschlüssiges Verfahren, insbesondere ein Klebeverfahren, realisiert wenden. Auf diese Weise kann insbesondere eine mechanisch belastbare, druckdichte Anbindung des Temperaturfühlermoduls an das Gehäuseteil realisiert werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, auf welche die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist.
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Es zeigen:
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1 ein Ausführungsbeispiel eines Temperaturfühlermoduls;
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2 ein Ausführungsbeispiel einer Baugruppe eines Sensors zur Erfassung von Druck und Temperatur;
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3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Temperaturfühlermoduls; und
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4A und 4B Ausführungsbeispiele eines Verbindungsvorgangs zwischen einem Temperaturfühlermodul und einem Gehäuseteil.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines Temperaturfühlermoduls 110 dargestellt, welches nach einer Vorkonfektionierung in einer in 2 in einer Schnittdarstellung dargestellten Baugruppe 112 eines p-T-Sensors 114 eingesetzt werden kann.
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Ausgangspunkt für das Herstellungsverfahren ist ein Temperatursensorelement 116, welches, wie in 1 gestrichelt dargestellt, einen Messbereich 118 und Zuleitungen 120, beispielsweise in Form von Zuleitungsdrähten, umfasst. Weiterhin umfasst das Temperaturfühlermodul Kontaktelemente 122 in Form eines so genannten Leadframes 124. Die Zuleitungen 120 können beispielsweise mit diesen Kontaktelementen 122, beispielsweise Kontaktstiften, verschweißt und/oder verlötet werden.
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Das Temperaturfühlermodul 110 wird durch ein Umspritzen (beispielsweise durch einen Niederdruckverguss und/oder ein Moldmassen-Verfahren oder ähnliche Verfahren) in ein Matrixmaterial 126 eingebettet. Dieses Einbetten kann, wie in 1 dargestellt, derart erfolgen, dass auch die Kontaktelemente 122 teilweise von dem Matrixmaterial 126 umgeben werden, so dass deren hintere Enden von dem Matrixmaterial 126 frei bleiben und Kontaktierungsbereiche 128 bilden. Das Einbetten kann weiterhin derart erfolgen, dass der Messbereich 118, beispielsweise eine Pille oder Perle des Temperatursensorelements 116, zumindest teilweise von dem Matrixmaterial 126 umschlossen ist. Das Einbetten kann weiterhin derart erfolgen, dass sich das Matrixmaterial 126 von dem Temperatursensorelement 116, insbesondere dem Messbereich 118, bis hin zu einer Außenoberfläche 130 erstreckt, welche im Betrieb des Temperaturfühlermoduls 110 mit einem fluiden Medium in Berührung kommt. Zwischen der Außenoberfläche 130 und dem Temperatursensorelement 116 erstreckt sich somit homogen das Matrixmaterial 126, ohne dass beispielsweise eine Hülse vorgesehen wäre.
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Das vorkonfektionierte Temperaturfühlermodul 110 wird anschließend mechanisch mit einem Gehäuseteil 132 des p-T-Sensors 114 verbunden. Dies ist in 2 in einer Schnittdarstellung in einer Schnittebene parallel zu einer Sensorachse 134 dargestellt. Das Gehäuseteil 132 ist in eine in 2 symbolisch gestrichelt dargestellte Wand 136 eines Messraums einbringbar. Dabei kann das Gehäuseteil 132 ins Innere des Messraums hineinragen, kann jedoch grundsätzlich auch auf Höhe der Wand 136 angeordnet sein. Das Gehäuseteil 132 kann ein oder mehrere Verbindungselemente zur Verbindung mit der Wand 136 umfassen, beispielsweise ein oder mehrere Gewinde. Dementsprechend kann das Gehäuseteil 132 beispielsweise als Gewindestutzen 138 oder als Gewindestück ausgestaltet sein oder einen derartigen Gewindestutzen 138 umfassen. Zum Verbinden des Temperaturfühlermoduls 110 kann das Temperaturfühlermodul 110 beispielsweise in eine Öffnung 140 in einer Basisplatte 142 des Gehäuseteils 132 eingebracht werden und beispielsweise mit dieser Basisplatte 142 stoffschlüssig verbunden werden, beispielsweise durch ein Verkleben. Dies wird unten noch näher ausgeführt. Als nächster und beispielsweise letzter Schritt des Verfahrens kann eine elektrische Kontaktierung des Temperaturfühlermoduls 110 erfolgen, beispielsweise indem die Kontaktierungsbereiche 128 elektrisch mit einer Mess- und/oder Auswerteelektronik 144 verbunden werden, welche in 1 nicht näher dargestellt ist. Die Baugruppe 112 kann beispielsweise weiterhin durch einen Sechskant 146 und weitere Gehäuseteile sowie beispielsweise einen Stecker 148 ergänzt werden. Diese optionalen Bauteile sind in 2 gestrichelt dargestellt. Weiterhin kann der p-T-Sensor 114 ein Drucksensorelement 150 umfassen, welches beispielsweise über eine Druckbohrung 152 mit einem Messraum 154 verbunden sein kann. Zu diesem Zweck kann das Drucksensorelement 150 beispielsweise auf einen Druckstutzen 156 der Basisplatte 142 aufgeschweißt oder auf andere Weise aufgebracht sein.
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Der p-T-Sensor 114 ist somit derart ausgestaltet, dass das Temperaturfühlermodul 110 mit dem Messbereich 118 in den Messraum 154 hineinragt und dass gleichzeitig über die Druckbohrung 152 das Drucksensorelement 150 in einer Druckbeaufschlagungsrichtung 158 mit Druck beaufschlagt werden kann. Eine Verbindung 160 zwischen einem Verbindungsbereich 162 des Temperaturfühlermoduls 110 und dem Gehäuseteil 132 kann beispielsweise mechanisch belastbar und druckdicht ausgestaltet werden.
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Das Aufbaukonzept des in 2 schematisch dargestellten p-T-Sensors 114 kann sich beispielsweise in zwei Abschnitte untergliedern, nämlich den Abschnitt des Aufbaus des Temperaturfühlermoduls 110 und den Abschnitt der Montage des Temperaturfühlermoduls 110 in dem Gehäuseteil 132. Diese Abschnitte werden im Folgenden exemplarisch näher erläutert.
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In 3 ist exemplarisch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Temperaturfühlermoduls 110 dargestellt, welches alternativ oder zusätzlich zu dem in 1 dargestellten Temperaturfühlermodul 110 eingesetzt werden kann. Dementsprechend kann für die Beschreibung der einzelnen Elemente auf die Beschreibung der 1 verwiesen werden. Das Temperaturfühlermodul 110 umfasst, wie oben beschrieben, das Temperatursensorelement 116, beispielsweise in Form eines NTC-Widerstands. Weiterhin umfasst dieses die Zuleitungen 120, die Kontaktelemente 122 bzw. den Leadframe 124 sowie das Matrixmaterial 126, vorzugsweise in Form einer Umspritzung. Das Temperatursensorelement 116 wird vorzugsweise mit dem Leadframe 124 elektrisch und vorzugsweise auch mechanisch kontaktiert. Als elektrische Verbindungsverfahren sind hierbei beispielsweise Schweißen, Löten und andere Verfahren genannt, wobei vorzugsweise stoffschlüssige Verfahren zum Einsatz kommen, wobei jedoch grundsätzlich auch andere Verfahren, wie beispielsweise formschlüssige und/oder kraftschlüssige Verbindungsverfahren, einsetzbar sind. Die Umspritzung des Temperatursensorelements 116 und optional des Leadframes 124 kann beispielsweise mit einem Mold- oder Niederdruckvergussverfahren ausgeführt werden. Auch andere Verfahren sind jedoch grundsätzlich alternativ oder zusätzlich einsetzbar.
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Die Ausführung des Leadframes 124 zur Anbindung an die Ansteuer- und/oder Auswerteelektronik 144 kann beispielsweise für eine Bondverbindung und/oder eine Schweißverbindung und/oder eine Lötverbindung ausgeführt werden. Die umspritzten Drahtlängen der Zuleitungen 120 des Temperatursensorelements 116 sind vorzugsweise sehr kurz auszuführen, um ein Verschwimmen, also eine Positionsverschiebung, des Messbereichs 118 während des Einbettungsprozesses in das Matrixmaterial 126, beispielsweise des Spritzprozesses, zu verhindern. Beispielsweise können in diesem oder auch in anderen Ausführungsbeispielen die Zuleitungen 120 eine Länge von weniger als 20 mm, vorzugsweise von weniger als 10 mm und besonders bevorzugt von weniger als 5 mm aufweisen. Alternativ oder zusätzlich zur Verwendung von Zuleitungen 120 in Form von Drähten sind auch speziell gestaltete Temperatursensorelemente 116 mit steifen Zuleitungen einsetzbar, beispielsweise SMD-Temperatursensoren. Dementsprechend kann das Temperatursensorelement 116 mit seinen Zuleitungen 120 auch als kompaktes Bauelement, beispielsweise als SMD-Bauelement, ausgestaltet sein.
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Das Temperaturfühlermodul 110 kann beispielsweise in seinem Verbindungsbereich 162 einen Kragen 164 und/oder ein oder mehrere andere Verbindungselemente zum Verbinden mit dem Gehäuseteil 132 umfassen. Beispielsweise kann dieser Kragen 164 in Form eines oder mehrerer umlaufender ringförmiger Vorsprünge und/oder Wulste ausgestaltet sein. Mit Hilfe derartiger Elemente lässt sich beispielsweise die oben beschriebene Druckdichtigkeit herstellen.
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In den 4A und 4B sind zwei verschiedene Möglichkeiten der Montage des Temperaturfühlermoduls 110 in dem Gehäuseteil 132 dargestellt. Bezüglich der Einzelheiten der dargestellten Baugruppen kann auf die Beschreibung der 2 oben verwiesen werden. Bei der Montage wird das vorkonfektionierte Temperaturfühlermodul 110 in die in dem Gehäuseteil 132 für eine Aufnahme des Temperaturfühlermoduls 110 vorgesehene Kontur, beispielsweise hier die Öffnung 140, beispielsweise eine Bohrung oder eine andere Art von Öffnung, gefügt und mit dem Gehäuseteil 132 mechanisch verbunden. In Abhängigkeit von der Konstruktion sind dabei verschiedene Fügerichtungen möglich, die in den 4A und 4B dargestellt sind. So ist in 4A eine Ausführungsvariante gezeigt, bei welcher eine Fügerichtung 166 von dem Messraum 154 her erfolgt, so lange, bis der Kragen 164 des Temperaturfühlermoduls 110 auf der Basisplatte 142 direkt oder unter Zwischenschaltung eines oder mehrerer Verbindungselemente, beispielsweise eines Klebstoffs, aufliegt. In 4B ist hingegen eine entgegengesetzte Fügerichtung 166 dargestellt, in welcher das Temperaturfühlermodul 110, mit den Kontaktierungsbereichen 128 voran, durch die Öffnung 140 geschoben wird, so lange, bis der Kragen 164 auf einer nicht mit dem fluiden Medium in Kontakt kommenden Seite der Basisplatte 142 direkt oder wiederum unter Zwischenschaltung eines oder mehrerer Verbindungselemente aufliegt.
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Nach und/oder während dieses Fügens erfolgt eine Verbindung zwischen dem Temperaturfühlermodul 110 und dem Gehäuseteil 132, beispielsweise dem Gewindestutzen 138. Dabei wird die oben bereits beschriebene Verbindung 160 in dem Verbindungsbereich 162 hergestellt. Beispielsweise kann eine mechanische und optional druckdichte Fixierung des Temperaturfühlermoduls 110 an dem Gehäuseteil 132 durch eine Klebeverbindung realisiert werden.
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Die elektrische Kontaktierung des Temperaturfühlermoduls 110, welche sich an die genannten Verfahrensschritte anschließen kann, kann in Abhängigkeit des Leadframedesigns beispielsweise durch Löten, Schweißen oder Drahtbonden ausgeführt werden. Wird das Temperaturfühlermodul 110 beispielsweise durch Drahtbonden elektrisch kontaktiert, ergeben sich Synergieeffekte, da das Drucksensorelement 150 üblicherweise ebenfalls durch Bonden an die Ansteuer- und/oder Auswerteelektronik 144 angebunden werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006043324 A1 [0001]
