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Die Erfindung betrifft ein Sensorsystem und ein Verfahren zum Herstellen eines Sensorsystems, insbesondere eines Wegbausensors zur Druckmessung.
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Stand der Technik
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Wegbausensoren, das heißt, Sensoren, welche nicht direkt in physikalischer Nachbarbarschaft zu den jeweiligen Steuer- und Auswerteeinrichtungen verbaut werden, umfassen üblicherweise mikro-elektromechanische Sensorelemente, welche in Gehäusen von Sensorzellen angeordnet sind. Das Sensorelement kann beispielsweise auf dem Gehäuseboden montiert sein, wobei das Gehäuse hermetisch gegenüber der Außenwelt abgeschlossen ist, und Anschlusspins zur elektrischen Kontaktierung aus dem Gehäuse herausgeführt werden. Für Drucksensorelemente kann weiterhin eine Öffnung zur Zuführung des zu messenden Mediums in das Gehäuse vorhanden sein. Solche Drucksensorzellen können der Druckerfassung in flüssigen und gasförmigen Medien dienen.
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Die verbauten Sensorelemente müssen dabei auf ihre Funktionsfähigkeit hin überprüft und abgeglichen werden, was idealerweise sehr früh im Fertigungsprozess erfolgen sollte, um die Prozesskosten niedrig zu halten und die notwendigen Testschritte einfach und rasch durchführen zu können.
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Die Druckschrift
DE 10 2008 001 509 A1 offenbart eine Drucksensoranordnung mit einem Sensorelement und einem hermetisch abgeschlossenen Gehäuse, welches über eine Druckzuführung und aus dem Gehäuse herausgeführte Anschlusspins zur elektrischen Kontaktierung verfügt.
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Es besteht ein Bedarf an einheitlichen und robusten Sensorzellen, welche in kostengünstiger und flexibler Weise mit verschiedenen Steckersystemen und/oder Medienschnittstellen variabel kombiniert werden können.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem Aspekt ein Sensorsystem, mit einem Sensorelement, einem Gehäuse, in welchem das Sensorelement angeordnet ist, und welches das Sensorelement gegenüber der Außenwelt abschließt, mindestens einem ersten elektrischen Kontaktelement, welches mit dem Sensorelement elektrisch gekoppelt ist, einem Steckverbinder, welcher mindestens ein zweites elektrisches Kontaktelement aufweist, und mindestens einem Federelement, welches zwischen dem mindestens einen zweiten elektrischen Kontaktelement und dem mindestens einen ersten elektrischen Kontaktelement zur elektrischen Kontaktierung gekoppelt ist, so dass das Sensorelement mit dem zweiten elektrischen Kontaktelement des Steckverbinders elektrisch verbunden ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Sensorsystems, insbesondere eines erfindungsgemäßen Sensorsystems, mit den Schritten des Anordnen eines Sensorelements in einem gegenüber der Außenwelt abschließenden Gehäuse, des elektrischen Kontaktierens mindestens eines ersten elektrischen Kontaktelements mit dem Sensorelement, des Überprüfens der Funktionalität des Sensorelements in dem Gehäuse, und nach dem Schritt des Überprüfens, des Anschließens eines Steckverbinders, welcher mindestens ein zweites elektrisches Kontaktelement aufweist, über mindestens ein Federelement, welches zwischen dem mindestens einen zweiten elektrischen Kontaktelement und dem mindestens einen ersten elektrischen Kontaktelement gekoppelt ist, an das Gehäuse, so dass das Sensorelement mit dem zweiten elektrischen Kontaktelement des Steckverbinders elektrisch verbunden ist.
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Vorteile der Erfindung
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Eine Idee der vorliegenden Erfindung ist es, eine bezüglich der Bauform einheitliche Sensorzelle mit einem Sensorelement in einem Gehäuse bereitzustellen, die gleichzeitig robust gegenüber widrigen Außenbedingungen und kompakt in der Bauweise ist. Dabei kann die Sensorzelle bereits vor der elektrischen Kontaktierung mit einem Steckverbinder oder vor dem Anschluss an einen Druckstutzen auf ihre Funktionalität hin überprüft bzw. abgeglichen werden. Das Sensorsystem bietet einen modularen Aufbau, wobei variable Schnittstellen zu einem Medium und/oder für elektrische Anbindungen ermöglicht werden. Dies wird über Federkontakte zu einem Steckverbinder realisiert, welcher flexibel und zuverlässig an das Sensorelement angebunden werden kann. Die Kontaktierung über Federelemente ist ohne zusätzliche Verbindungsschritte wie Schweißen, Löten, Kleben oder Bonden möglich – außerdem ist durch diese Art der Kopplung eine besonders gute mechanische Stressentkopplung zwischen Sensorzelle und Steckverbinder möglich.
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Besonders vorteilhaft sind die geringen Anforderungen an Steckverbinder und/oder Druckstutzen, welche mit der Sensorzelle gekoppelt werden, da die volle Funktionalität des Sensorsystems bereits in der robusten Sensorzelle realisiert ist.
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Gemäß einer Ausführungsform kann das Federelement eine Spiralfeder und das erste elektrische Kontaktelement einen Anschlusspin umfassen, wobei die Spiralfeder auf den Anschlusspin aufgesteckt ist. Dadurch ist eine variable elektrische Kontaktierung zwischen Steckverbinder und Sensorelement möglich, die gleichzeitig eine mechanische Stressentkopplung bereitstellt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die Spiralfeder einen ersten Abschnitt mit einem ersten Spiraldurchmesser und einen an den ersten Abschnitt angrenzenden zweiten Abschnitt mit einem zweiten Spiraldurchmesser aufweisen, der kleiner als der ersten Spiraldurchmesser ist. Alternativ kann der Anschlusspin einen ersten Abschnitt mit einem ersten Pindurchmesser und einen an den ersten Abschnitt angrenzenden zweiten Abschnitt mit einem zweiten Pindurchmesser, der kleiner als der ersten Pindurchmesser ist, aufweisen. In beiden Fällen ist es vorteilhafterweise möglich, einen mechanischen Anschlag zwischen der elektrischen Durchführung und der elektrischen Kontaktfläche herzustellen, so dass eine zuverlässige elektrische Kontaktierung mit dem Sensorelement in dem Gehäuse ermöglicht wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Federelement einen flexiblen, elektrisch leitfähigen Bügel aufweisen, welcher auf das erste elektrische Kontaktelement aufgesetzt ist. Auch hier ist eine stressentkoppelte, elektrische Kontaktierung zwischen Sensorelement und Steckverbinder in einfacher und robuster Weise möglich.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Federelement eine Spiralfeder mit einer sich verjüngenden Form und das erste elektrische Kontaktelement einen Anschlusspin umfassen, wobei die Spiralfeder auf das zweite elektrische Kontaktelement aufgesteckt ist und mit dem verjüngten Ende auf den Anschlusspin aufgesetzt ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das erste elektrische Kontaktelement durch eine erste Gehäuseöffnung in dem Gehäuse durchgeführt sein. Dadurch kann eine hermetische Versiegelung des Gehäuses gewährleistet sein, ohne dass eine elektrische Kontaktierung des Sensorelements von außen beeinträchtigt wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Sensorsystem eine erste Dichtung umfassen, welche zwischen dem Steckverbinder und dem Gehäuse angeordnet ist. Dies bietet den Vorteil, dass die elektrischen Kontakte vollständig gegenüber der Außenwelt abgeschirmt werden können, beispielsweise gegenüber dem schädlichen Einfluss aggressiver chemischer Substanzen, die die Funktionalität des Sensorsystems beeinträchtigen könnten.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Sensorelement ein Drucksensorelement umfassen, und das Gehäuse eine zweite Gehäuseöffnung aufweisen, über welche das Sensorelement mit der Außenwelt in Verbindung steht. Besonders für Drucksensoren, welche häufig in flüssigen Medien wie Öl oder sonstigen der Funktionalität einer elektrischen Kontaktierung potentiell abträglichen Flüssigkeiten eingesetzt werden, ist die Art des Sensorsystems sehr vorteilhaft.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Sensorsystem einen Druckstutzen, welcher eine Ausnehmung, in welcher das Gehäuse bündig aufgenommen ist, und einen Druckkanal aufweist, welcher mit der zweiten Gehäuseöffnung gekoppelt ist, umfassen, so dass ein Medium durch den Druckkanal an das Sensorelement leitbar ist. Durch den modularen Aufbau des Sensorsystems kann eine flexible und applikationsspezifische Kontaktierung des Sensorsystems mit verschiedenen Druckstutzen ermöglicht werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Sensorsystem dazu eine zweite Dichtung aufweisen, welche zwischen dem Druckstutzen und dem Gehäuse angeordnet ist. Dies bietet den Vorteil, eine hermetisch dichte Verbindung zwischen Gehäuse und Druckstutzen herstellen zu können.
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Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die beschriebenen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung.
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Die beiliegenden Zeichnungen sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Sensorsystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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2 eine schematische Darstellung eines Schnittbilds durch ein Sensorsystem gemäß einer weiteren Ausführungsform;
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3 eine schematische Darstellung eines Detailausschnitts eines Sensorsystems gemäß einer weiteren Ausführungsform;
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4 eine schematische Darstellung eines Detailausschnitts eines Sensorsystems gemäß einer weiteren Ausführungsform;
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5 eine schematische Darstellung eines Detailausschnitts eines Sensorsystems gemäß einer weiteren Ausführungsform;
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6 eine schematische Darstellung eines Detailausschnitts eines Sensorsystems gemäß einer weiteren Ausführungsform; und
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7 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Herstellen eines Sensorsystems gemäß einer weiteren Ausführungsform.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Sensorsystems 100, welches mit Bezug auf 2 im Folgenden genauer erläutert wird. Das Sensorsystem 100 umfasst einen Sensor 1, beispielsweise einen Drucksensor 1. Der Drucksensor 1 kann beispielsweise im Mitteldruckbereich zwischen etwa 10 und 100 bar, aber auch im Niederdruckbereich oder im Hochdruckbereich über 100 bar eingesetzt werden. Der Drucksensor 1 kann beispielsweise ein Kraftstoffdrucksensor, zum Beispiel für Diesel oder Benzin, ein Öldrucksensor, ein CNG-Drucksensor, ein Getriebedrucksensor, ein Klimaanlagenflüssigkeitsdrucksensor, ein Drucksensor für hydraulische Fluide, zum Beispiel in einem Bremskreislauf oder Stoßdämpfern eines Kraftfahrzeugs eingesetzt werden.
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Der Sensor 1 umfasst ein Sensorelement 7, beispielsweise einen Sensorchip mit einer mikro-elektromechanischen Struktur, welches in einem Gehäuse 1a angeordnet ist. Das Gehäuse 1a kann beispielsweise aus Metall, zum Beispiel Stahl, hergestellt werden. Das Sensorelement 7 kann beispielsweise auf einem Glassockel angeordnet sein. In dem Gehäuse 1a können des weiteren Kontaktelemente 1c ausgebildet sein, über welche erste elektrische Kontaktelemente 6b bzw. elektrische Durchführungen 6b mit dem Sensorelement 7 elektrisch gekoppelt sein können. Die ersten elektrischen Kontaktelemente 6b können beispielsweise Anschlusspins sein, welche beispielsweise über Federkontakte 1b mit den Kontaktelemente 1c gekoppelt sind. Die Anschlusspins können dabei zylindrisch, konisch, rechteckig oder in anderer geometrischer Bauart ausgebildet sein.
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Die ersten elektrischen Kontaktelemente 6b können über erste Gehäuseöffnungen 8a in dem Gehäuse 1a nach außen geführt werden. Dort können Anschlusspins 6 des Sensors 1 ausgebildet werden, welche eine elektrische Kontaktierung des Sensorelements 7 im Inneren des hermetisch abgeschlossenen Gehäuses 1a ermöglichen. Die Anzahl der Anschlusspins 6 des Sensors 1 ist in 1 beispielhaft mit drei angegeben, es ist jedoch jede andere Anzahl an Anschlusspins 6 ebenso möglich.
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Wenn das Sensorelement 7 ein Drucksensorelement ist, kann das Sensorelement 7 beispielsweise eine mikro-elektromechanische Struktur aufweisen, die über eine zweite Gehäuseöffnung 8b mit Druck beaufschlagt werden kann. Das Sensorelement 7 kann in einem hermetisch abgeschlossenen Stahlgehäuse 1a angeordnet sein, das im hier dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem Gehäuseboden und einer Kappe als weiterem Gehäuseteil besteht. Im Gehäuseboden ist eine Vertiefung als Montagefläche für das Sensorelement 7 ausgeformt. Der Gehäuseboden kann beispielsweise die hydraulische Anschlussseite des Sensorsystems 100 bilden, so dass über die zweite Gehäuseöffnung 8b ein Zugang für ein Medium zu einer aktiven Oberfläche des Drucksensorelements 7 möglich ist.
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Mit Hilfe von nicht gezeigten Bonddrähten können die elektrischen Anschlüsse des Sensorelements 7 dazu auf die Kontaktelemente 1c geführt werden. Die Kappe des Gehäuses 1a kann über dem Sensorelement 7 und den Kontaktelementen 1c angeordnet und mit dem Gehäuseboden verschweißt werden.
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Das Sensorsystem 100 kann über einen Steckverbinder 2 verfügen. Der Steckverbinder 2 kann dabei beispielsweise ein Kunststoffgehäuse 2c aufweisen, in dem elektrisch leitfähige Einlegeelemente 2b als elektrische Kontaktzungen angeordnet sein können, beispielsweise aus Metall. Die Einlegeelemente 2b können an ihrem, dem Sensor 1 zugewandten Seite über zweite elektrische Kontaktelemente 2a verfügen, welche über Federelemente 6a mit den Anschlusspins 6 elektrisch gekoppelt werden können. Die zweiten elektrischen Kontaktelemente 2a können dabei beispielsweise elektrische Kontaktflächen oder Kontaktstifte aufweisen.
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Beispielhafte Ausführungsformen für derartige Federkontaktierungen sind in den 3, 4, 5 und 6 schematisch dargestellt. Wie in 3 gezeigt, kann das erste elektrische Kontaktelement bzw. die elektrische Durchführung 6b einen zylindrischen Anschlusspin umfassen. Das Federelement 6a kann beispielsweise eine Spiralfeder sein, welche auf den Anschlusspin aufgesteckt ist. Beispielsweise kann der Anschlusspin 6b einen ersten Abschnitt mit einem ersten Pindurchmesser und einen an den ersten Abschnitt angrenzenden zweiten Abschnitt mit einem zweiten Pindurchmesser, der kleiner als der ersten Pindurchmesser ist, aufweisen. Der Anschlusspin 6b kann gewissermaßen an seinem nach außen weisenden Ende abgestuft sein, so dass ein mechanischer Anschlag für das Federelement 6a entsteht. Durch das Aufschieben des Steckverbinders 2 auf die Anschlusspins 6b werden die Federelemente 6a über die Federwirkung auf das zweite elektrische Kontaktelement 2a gedrückt, wodurch eine zuverlässige und einfache elektrische Kontaktierung ermöglicht wird. Der Steckverbinder 2 kann dabei über eine entsprechende Führung 6c für die Spiralfedern 6a verfügen.
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Die in 4 schematisch gezeigte beispielhafte Ausführungsform unterscheidet sich von der in 3 gezeigten Ausführungsform darin, dass die Spiralfeder 6a einen ersten Abschnitt mit einem ersten Spiraldurchmesser und einen an den ersten Abschnitt angrenzenden zweiten Abschnitt mit einem zweiten Spiraldurchmesser aufweist, der kleiner als der ersten Spiraldurchmesser ist. In 4 ist die elektrische Durchführung 6b ein Anschlusspin konstanten Pindurchmessers. Der erste Abschnitt der Spiralfeder 6a wird dabei über den Anschlusspin 6b geschoben, so dass der zweite Abschnitt der Spiralfeder 6a als mechanischer Anschlag wirkt. Wiederum sind die Spiralfeder 6a und der Anschlusspin 6b in einer Führung 6c in dem Steckverbinder 2 aufgenommen.
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5 zeigt eine schematische Darstellung eines Detailausschnitts des Sensorsystems 100, wobei das Federelement 6a einen flexiblen, elektrisch leitfähigen Bügel aufweisen kann, welcher auf die elektrische Durchführung bzw. das erste elektrische Kontaktelement 6b aufgesetzt ist. Der flexible, elektrisch leitfähige Bügel 6a kann beispielsweise ein Blattfederelement aufweisen, zum Beispiel eine „C“- oder „S“-Feder.
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6 zeigt eine schematische Darstellung eines Detailausschnitts des Sensorsystems 100, wobei das Federelement 6a auf einen Kontaktstift des Steckverbinders 2 aufgesteckt ist. Das Federelement 6a kann dabei eine sich nach unten hin verjüngende Form aufweisen, so dass der untere Abschnitt des Federelements 6a direkt auf einer Kontaktoberfläche des ersten elektrischen Kontaktelements 6b aufsetzt und dadurch das erste elektrische Kontaktelement 6b unter Ausbildung einer elektrischen Kontaktierung kontaktiert.
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Die in den 3 bis 6 gezeigten Ausführungsformen lassen sich je nach Form und Anzahl der Anschlusspins 6 variabel und applikationsspezifisch konfigurieren. Insbesondere ist es möglich, Steckverbinder 2 mit unterschiedlichen Kontaktierungssystemen modular mit dem Sensor 1 elektrisch zu koppeln.
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Wieder bezugnehmend auf 2 kann zwischen dem Steckverbinder 2 und dem Sensor 1 eine erste Dichtung 4 angeordnet sein, wodurch die elektrischen Kontakte der Anschlusspins 6 vollständig gegenüber der Außenwelt abgeschirmt werden können. Die erste Dichtung 4 kann beispielsweise eine 2K-Dichtung (Zwei-Komponenten-Dichtung) oder eine Silikondichtung sein.
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Das Sensorsystem 100 kann über dies einen Druckstutzen 3 aufweisen, welcher eine Ausnehmung 3a, in welcher das Gehäuse 1a bündig aufgenommen ist, und einen Druckkanal 3b umfasst, welcher mit der zweiten Gehäuseöffnung 8b gekoppelt ist. Der Druckstutzen 3 kann beispielsweise ein metallischer Druckstutzen oder ein Druckstutzen aus Kunststoff sein. Applikationsabhängig kann zwischen dem Druckstutzen 3 und dem Gehäuse 1a eine zweite Dichtung 5 angeordnet werden. Beispielsweise kann die zweite Dichtung 5 ein Dichtring sein. Es kann jedoch auch möglich sein, den Druckstutzen 3 mit dem Sensor 1 zu verkleben, zu verschweißen oder mit Kunststoff zu umspritzen. Dazu kann beispielsweise die Gehäuseoberfläche des Gehäuses 1a aufgeraut werden, beispielsweise durch Laserstrukturierung im Bereich der zweiten Gehäuseöffnung 8b, um eine robuste Verbindung zwischen Druckstutzen 3 und Gehäuse 1a bereitzustellen.
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Es kann weiterhin möglich sein, einen metallischen Druckstutzen 3 über eine Bördelung 3b an den Seitenwänden des Gehäuses 1a gegenüber dem Sensor 1 abzudichten. Alternativ kann bei der Verwendung eines Druckstutzens 3 aus Kunststoff ein Durchstrahlverschweißen des Druckstutzens 3 mit dem Gehäuse 1a erfolgen. Es ist ebenso möglich, den Druckstutzen 3 durch ein Umspritzen des Sensors 1 mit Kunststoff abzudichten.
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Durch den Druckkanal 3b kann ein Medium an das Sensorelement 7 geleitet werden, beispielsweise ein Gas oder eine Flüssigkeit. Durch den modularen Aufbau des Sensorsystems kann eine flexible und applikationsspezifische Kontaktierung des Sensorsystems mit verschiedenen Druckstutzen ermöglicht werden. Das Sensorelement 7 kann beispielsweise ein Drucksensorelement mit entsprechenden mikroelektromechanischen Strukturen aufweisen, mithilfe derer die Erzeugung eines Messignals möglich ist, welches für den an dem Sensorelement 7 anliegenden Umgebungsdruck des Mediums charakteristisch ist.
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7 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens 10 zum Herstellen eines Sensorsystems, insbesondere eines in Bezug auf die 1 bis 6 erläuterten Sensorsystems 100. In einem ersten Schritt 11 kann ein Anordnen eines Sensorelements 7 in einem gegenüber der Außenwelt abschließenden Gehäuse 1a erfolgen. Danach kann in einem zweiten Schritt 12 ein elektrisches Kontaktieren mindestens eines ersten elektrischen Kontaktelements bzw. einer elektrischen Durchführung 6b mit dem Sensorelement 7 erfolgen. Optional kann ein Durchführen des ersten elektrischen Kontaktelements 6b durch eine Gehäuseöffnung 8a in dem Gehäuse 1a erfolgen.
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Bereits in diesem Fertigungsstadium kann in einem Schritt 13 dann ein Überprüfen der Funktionalität des Sensorelements 7 in dem Gehäuse 1a erfolgen. Das Überprüfen kann beispielsweise einen Sensorabgleich, eine elektronische Testprozedur oder sonstige Prüfschritte umfassen. Dadurch ist eine Sicherstellung der Funktionalität des Sensors 1 bereits zu Beginn der Wertschöpfungskette möglich, was Kosten und Zeit spart. Nach dem Schritt 13 des Überprüfens kann in einem Schritt 14 ein Anschließen eines Steckverbinders 2 erfolgen, welcher mindestens ein zweites elektrisches Kontaktelement 2a, zum Beispiel eine Kontaktfläche oder einen Kontaktstift, aufweist, über mindestens ein Federelement 6a, welches zwischen dem mindestens einen zweiten elektrischen Kontaktelement 2a und dem mindestens einen ersten elektrischen Kontaktelement 6b gekoppelt ist, an das Gehäuse 1a. Dadurch kann das Sensorelement 7 mit dem zweiten elektrischen Kontaktelement 2a des Steckverbinders 2 elektrisch verbunden werden.
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Wenn das Sensorelement 7 beispielsweise ein Drucksensorelement umfasst, kann ein Anschließen eines Druckstutzens 3 erfolgen, so dass ein Sensorsystem 100 wie in 1 bzw. 2 gezeigt gefertigt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008001509 A1 [0004]
