DE102012206647B4

DE102012206647B4 - Messgerät für die Prozessmesstechnik mit einer zylinderförmigen Sensorspitze und Verfahren zur Herstellung desselben

Info

Publication number: DE102012206647B4
Application number: DE102012206647.0A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Liehr; Stephan Reichart; Walter Reichart
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2012-04-23
Filing date: 2012-04-23
Publication date: 2017-08-03
Anticipated expiration: 2032-04-24
Also published as: DE102012206647A1

Abstract

Messgerät für die Prozessmesstechnik mit einer zylinderförmigen Sensorspitze (10), wobei die Sensorspitze (10) ein Gehäuse (11) und einen sich innerhalb des Gehäuses befindlichen Leiterfilm (2) umfasst und auf dem Leiterfilm (2) zur Generierung eines Sensorsignals temperaturempfindliche elektronische Bauelemente (3, 4, 5) angeordnet sind, wobei das Gehäuse (11) an der Stirnseite (12) seines distalen Endes eine stufenartige Vertiefung (20) aufweist, in der Weise, dass sich die Vertiefung (20) nicht über den gesamten inneren Durchmesser des Gehäuses (11), sondern nur in einem Teilbereich erstreckt, so dass sich eine Stufe ergibt, und der Leiterfilm (2) unmittelbar über die Vertiefung (20) und die Stufe geführt ist und sich U-förmig der Innenkontur der Sensorspitze (10) anpasst, wobei die Vertiefung (20) an der Innenseite des Gehäuses (11) angeordnet ist und zur Aufnahme eines Lots (21) dient, über das der Leiterfilm (2) galvanisch mit dem Gehäuse (11) verbunden ist, und das Lot (21) sich im Wesentlichen gleichmäßig, d.h. mit gleicher Dicke, in der Vertiefung (20) verteilt, so dass sich im Bereich der Vertiefung (20) zwischen dem Gehäuse und einem auf dem Leiterfilm (2) angeordneten elektronischen Bauelement (3) ein definierter Abstand einstellt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Messgerät für die Prozessmesstechnik mit einer zylinderförmigen Sensorspitze, wobei die Sensorspitze ein Gehäuse und einen sich innerhalb des Gehäuses befindlichen Leiterfilm umfasst und auf dem Leiterfilm zur Generierung eines Sensorsignals temperaturempfindliche elektronische Bauelemente angeordnet sind. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Messgeräts.
Messgeräte der vorgenannten Art werden in der Automatisierungstechnik dazu eingesetzt, die Eigenschaften eines Fluids, bspw. hinsichtlich Druck, Temperatur, Durchfluss, Füllstand, zu überwachen, wobei eine zylinderförmige Sensorspitze zumeist bei Temperaturmessgeräten und thermischen Durchflussmessgeräten vorhanden ist. Bei derartigen Messgeräten wird in die Sensorspitze ein Leiterfilm eingeführt, auf dem ein temperaturempfindliches elektronisches Bauteil aufgebracht ist, das die Temperatur des die Sensorspitze umgebenden Mediums erfasst. Als Beispiel sei hier ein Pt100-Element genannt. Damit die Temperatur nahezu verlustfrei zu dem temperaturempfindlichen Bauteil übertragen werden kann, wird es auf der Innenseite der Sensorspitze angelötet, so dass eine galvanische Verbindung vorliegt. Ein Messgerät verwandter Art ist bspw. in der DE 196 40 772 A1 offenbart.
Entscheidend für die thermischen und damit messtechnischen Eigenschaften derartiger Messgeräte mit in der Sensorspitze aufgelöteten Bauteilen ist der Lötprozess, bei dem das betreffende Bauteil mit dem Innenboden eines z. B. aus Edelstahl bestehenden Gehäuses verbunden wird. Nichtbeherrschbare Schwankungen beim Lötprozess können zu erheblichen Variationen der Sensoreigenschaften einer Sensorserie führen. Insbesondere bei Durchflussmessgeräten ist neben der Menge auch die Homogenität und geometrische Verteilung des Lotes entscheidend für die qualitativ konstante Produktion der Sensorspitzen und deren messtechnischen Eigenschaften. Dies kann u. a. entscheidend dafür sein, ob die Messgeräte anschließend noch einzeln kalibriert werden müssen oder nicht.
Problematisch ist also zum einen das Löten selbst, da der Durchmesser der Sensorspitze zumeist in der Größenordnung 5–10 mm liegt und somit ein Löten auf konventionelle Art nicht möglich ist. Zum anderen muss eine gleichbleibende Lotverteilung und eine gleichmäßig dicke Lotschicht sichergestellt werden, um die Streuung der Eigenschaften des Messgeräts möglichst klein zu halten und den Kalibrieraufwand der gefertigten Messgeräte zu verringern.
Hierzu macht die DE 10 2006 048 448 A1 den Vorschlag, auf das Bauelement eine vorgebbare Menge Lot aufzubringen und das Bauelement an die Innenseite der Sensorspitze derartig anzunähern, dass sich das Lot zwischen dem Bauelement und der Innenseite der Sensorspitze befindet, und das Lot anschließend aufzuschmelzen. Nachteilig hierbei ist jedoch der vergleichsweise hohe Aufwand, insbesondere hinsichtlich der vorgegebenen Überkopflötung und dass ein Verschiebemechanismus vorhanden sein muss, um die definierte Annäherung des Bauelements zu realisieren.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein auf einem Leiterfilm befindliches temperaturempfindliches elektronisches Bauteil auf der Innenseite einer Sensorspitze mit einer gleichbleibenden Lotverteilung und einer gleichmäßig dicken Lotschicht reproduzierbar aufzulöten und dabei den fertigungstechnischen Aufwand zu verringern.
Die aufgezeigte Aufgabe wird zunächst erfindungsgemäß gelöst durch ein Messgerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den darauf rückbezogenen Ansprüchen angegeben.
Der Kern der Erfindung besteht in der stufenartigen Vertiefung, die an der Innenseite des Sensorspitzengehäuses, genauer gesagt an dessen Stirnseite eingebracht ist. Der Leiterfilm passt sich U-förmig der Innenkontur der Sensorspitze an, wobei das temperaturempfindliche Bauteil im Bereich der Stirnseite der Sensorspitze auf dem Leiterfilm angeordnet ist. Über die Vertiefung hat das Lot einen definierten Bereich, in dem es sich verteilen kann, ohne dass dieser Verteilungsvorgang durch den Leiterfilm oder ein Werkzeug zum Einführen des Leiterfilms beeinflusst wird bzw. werden kann.
Die Vertiefung kann durch eine Reduzierung der Wandstärke des Sensorspitzengehäuses, bspw. durch einen Dreh- oder Fräsprozess, oder alternativ durch einen Umformprozess, wie bspw. Tiefziehen oder Prägen, oder durch das Einlegen eines ringförmigen Körpers in das Gehäuse hergestellt werden und liegt im Bereich von 100–500 µm, bevorzugt 100–300 µm, besonders bevorzugt bei 150 µm.
Des Weiteren wird die aufgezeigte Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines eingangs genannten Messgeräts mit den Merkmalen des Anspruchs 6. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den darauf rückbezogenen Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wird zunächst das Lot in Form von Lötzinn auf den Leiterfilm aufgebracht. Dafür ist auf dem Leiterfilm ein so genanntes Lötpad vorgesehen, das eine metallisierte Fläche zur Aufnahme des Lots aufweist und zur Erreichung eines guten Wärmedurchgangs eine galvanische Verbindung zu dem idealerweise auf der dem Lötpad entgegengesetzten Seite des Leiterfilms angeordneten temperaturempfindlichen Bauteils herstellt. Alternativ zu einer galvanischen Verbindung, jedoch nicht erfindungsgemäß, sind zur Erreichung eines guten Wärmedurchgangs auch nicht-galvanische Verbindungen, wie z.B. Wärmeleitpasten o. dgl. denkbar, vgl. dazu das Messgerät in DE 37 13 981 A1 . Anschließend wird der Leiterfilm in das Gehäuse der Sensorspitze mittels eines Einpressdorns eingeführt. Der Verfahrensschritt ist abgeschlossen, wenn der Teil des Leiterfilms, der im Knickbereich der U-Form liegt und das mit Lötzinn versehene Lötpad sowie das temperaturempfindliche Bauteil aufweist, unmittelbar über der stufenartigen Vertiefung geführt ist. Nun wird der Leiterfilm mit der vorzugsweise eine Nickel-Kupfer-Beschichtung aufweisenden Gehäuseinnenwand der Sensorspitze verlötet, in dem auf der Außenseite der Gehäusestirnseite punktuell Wärmeenergie zugeführt wird. Vorzugsweise erfolgt diese punktuelle Wärmezuführung durch einen Laserstrahl.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass die Gehäuseinnenwand zumindest teilweise vor dem Einbringen des Leiterfilms gefluxt wird. Durch das Fluxen soll die Oberflächenspannung des Lots bzw. des Lötzinns reduziert werden, so dass sich dadurch der Lötvorgang verbessern lässt.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Leiterfilm an einer zweiten Stelle mit dem Gehäuse verlötet, die sich in einem Seitenbereich des Gehäuses befindet. Beispielsweise bei thermischen Durchflussmessern ist neben einem ersten Temperaturelement an der Stirnseite der Sensorspitze noch ein zweites Temperaturelement vorgesehen, durch das in Verbindung mit dem Messwert des ersten Temperaturelements die Strömungsgeschwindigkeit des die Sensorspitze umgebenden Mediums ermittelt werden kann. Dieses zweite Temperaturelement wird dabei in gleicher Weise und in demselben Arbeitsgang mit dem Gehäuse der Sensorspitze verbunden, wie es zuvor beschrieben ist. D.h. es wird zunächst Lot in Form von Lötzinn auf ein zweites Lötpad aufgebracht, das sich ebenfalls auf dem Leiterfilm befindet. Somit ist eine galvanische Verbindung mit dem idealerweise auf der dem zweiten Lötpad entgegengesetzten Seite des Leiterfilms angeordneten zweiten temperaturempfindlichen Bauteil realisiert. Der Leiterfilm wird, wie zuvor beschrieben, in das Gehäuse der Sensorspitze mittels eines Einpressdorns eingeführt. Der Einpressdorn drückt den Leiterfilm dabei auch seitlich an die Innenwand des Sensorspitzengehäuses. Wenn der Leiterfilm U-förmig in das Gehäuse der Sensorspitze eingeführt ist und sich das erste temperaturempfindliche Bauteil unmittelbar über der stufenartigen Vertiefung befindet, ist damit auch das zweite temperaturempfindliche Bauteil an der vorgesehenen Stelle angeordnet, weil sich beide Bauteile auf demselben Leiterfilm befinden. Auch die Stelle des Leiterfilms, an der sich das zweite Bauteil befindet, wird mit der Gehäuseinnenwand der Sensorspitze verlötet, in dem auf der Außenseite der Gehäusestirnseite punktuell Wärmeenergie zugeführt wird, vorzugsweise durch einen Laserstrahl. Die Gehäuseinnenwand weist, wie zuvor beschrieben, vorzugsweise eine Nickel-Kupfer-Beschichtung auf.
In einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das zum Betrieb des Messgeräts auf dem Leiterfilm vorgesehene Thermistor-Bauelement während des Lötvorgangs dazu verwendet wird, die an der Lötstelle auftretende Temperatur zu überwachen und zu regeln. Beim Lötvorgang besteht die Gefahr, dass die Temperatur an der Lötstelle einen zulässigen Wert übersteigt, was zu einer Beschädigung der elektronischen Bauteile oder des Leiterfilms führen kann. Da sich in unmittelbarer Umgebung der Lötstelle das für den eigentlichen Messvorgang – bspw. bei Temperatur- oder thermischen Durchflussmessgeräten – benötigte Thermistor-Bauelement befindet, ist nun vorgesehen, dieses Bauelement während des Herstellungsprozesses mitzuverwenden, um die an der Lötstelle auftretenden Temperaturen zu überwachen und damit das Überschreiten einer zulässigen Temperatur zu verhindern.
Nachfolgend wird die Erfindung im Zusammenhang mit Figuren anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein Messgerät der Prozessmesstechnik in Seitenansicht und
2 eine vergrößerte Darstellung der Sensorspitze des Messgeräts aus 1 als Schnittbild.
In den nachfolgenden Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
In 1 ist ein Messgerät 1 der Prozessmesstechnik dargestellt, das im vorliegenden Fall ein thermisches Durchflussmessgerät ist. Denkbar und von der Erfindung mit umfasst ist auch ein Temperaturmessgerät. Das Messgerät 1 weist u.a. eine zylindrische Sensorspitze 10 auf, die mit dem zu messenden Medium in Berührung kommt und die für die eigentliche Messung notwendigen elektronischen Bauteile beinhaltet. Der kreisförmig umrandete Bereich der Sensorspitze 10 ist als Schnittbild in der 2 vergrößert dargestellt.
In 2 ist die Sensorspitze 10 als Schnittbild vergrößert abgebildet. Die Sensorspitze 10 umfasst ein zylindrisches Gehäuse 11, das an seiner Stirnseite 12 eine Vertiefung 20 aufweist. Wie aus 2 ersichtlich, erstreckt sich die Vertiefung 20 nicht über den gesamten inneren Durchmesser des Gehäuses 11 sondern nur in einem Teilbereich, so dass sich eine Stufe ergibt.
Ein flexibler Leiterfilm 2 ist U-förmig an der Innenwand 11a des Gehäuses 11 angeordnet und umfasst die für die thermische Strömungsmessung notwendigen elektronischen Bauteile, u.a. ein erstes Thermistor-Bauelement 3, ein zweites Thermistor-Bauelement 4 und ein Heizelement 5. Die Thermistor-Bauelemente können bspw. als Pt100-Bauelement und das Heizelement als Widerstands-Bauelement ausgeführt sein. Über das erste Thermistor-Bauelement 3 wird eine erste Temperatur gemessen, die unmittelbar durch das Heizelement 5 beeinflusst wird. Das zweite Thermistor-Bauelement 4 fungiert als Referenz und misst eine zweite Temperatur, die zwar auch durch das Heizelement 5 beeinflusst wird, wobei allerdings eine Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit des die Sensorspitze umgebenden und die Temperatur übertragenden Mediums vorhanden ist. Der Unterschied zwischen den gemessenen Temperaturwerten des ersten und des zweiten Thermistor-Bauelement 3, 4 ist dann ein Maß für diese Strömungsgeschwindigkeit. Die Funktionsweise eines thermischen Durchflussmessgeräts ist hinlänglich bekannt, so dass an dieser Stelle nur eine grobe Darstellung erfolgt. Denkbar und von der Erfindung mit umfasst ist auch ein Temperaturmessgerät, das dann nur ein Thermistor-Bauelement 3 aufweist.
Der Leiterfilm 2 ist an der Stirnseite 12 über die Vertiefung 20 geführt. In der Vertiefung 20, d.h. zwischen dem Leiterfilm 2 und der Gehäusewand 11 befindet sich das Lot, über das der Leiterfilm 2 und das Gehäuse miteinander verbunden sind, um die Temperatur des Mediums ohne starke Verluste über das Gehäuse 11 an das Thermistor-Bauelement 3 zu führen. Durch die Vertiefung 20 ergibt sich jetzt eine gleichmäßige und reproduzierbare Lotdicke, so dass die thermische Ankopplung des Thermistor-Bauelements 3 an das Gehäuse reproduzierbar ist und sich damit der Abgleichaufwand verringert. Für einfache Anwendungen, d.h. je nach Genauigkeitsanforderungen kann sogar auf einen Abgleichvorgang verzichtet werden.
Bei der Fertigung wird zunächst das Lot in Form von Lötzinn auf den sich außerhalb des Gehäuses 11 befindlichen Leiterfilms 2 aufgebracht. Dafür ist auf dem Leiterfilm 2 ein so genanntes Lötpad (nicht gezeigt) vorgesehen, das eine metallisierte Fläche zur Aufnahme des Lots aufweist und eine galvanische Verbindung zu dem idealerweise auf der dem Lötpad entgegengesetzten Seite des Leiterfilms 2 angeordneten Thermistor-Bauelement 3 vorhanden ist. Anschließend wird der Leiterfilm 2 in das Gehäuse 11 der Sensorspitze 10 mittels eines Einpressdorns eingeführt. Der Verfahrensschritt ist abgeschlossen, wenn der Teil des Leiterfilms 2, der im Knickbereich der U-Form liegt und das mit Lötzinn versehene Lötpad sowie das Thermistor-Bauelement 3 aufweist, unmittelbar über der Vertiefung 20 geführt ist. Nun wird der Leiterfilm 2 mit der Gehäuseinnenwand 11a der Sensorspitze 10 verlötet, in dem auf der Außenseite der Gehäusestirnseite 12 punktuell Wärmeenergie zugeführt wird. Vorzugsweise erfolgt diese punktuelle Wärmezuführung durch einen Laserstrahl.

Claims

Messgerät für die Prozessmesstechnik mit einer zylinderförmigen Sensorspitze (10), wobei die Sensorspitze (10) ein Gehäuse (11) und einen sich innerhalb des Gehäuses befindlichen Leiterfilm (2) umfasst und auf dem Leiterfilm (2) zur Generierung eines Sensorsignals temperaturempfindliche elektronische Bauelemente (3, 4, 5) angeordnet sind, wobei das Gehäuse (11) an der Stirnseite (12) seines distalen Endes eine stufenartige Vertiefung (20) aufweist, in der Weise, dass sich die Vertiefung (20) nicht über den gesamten inneren Durchmesser des Gehäuses (11), sondern nur in einem Teilbereich erstreckt, so dass sich eine Stufe ergibt, und der Leiterfilm (2) unmittelbar über die Vertiefung (20) und die Stufe geführt ist und sich U-förmig der Innenkontur der Sensorspitze (10) anpasst, wobei die Vertiefung (20) an der Innenseite des Gehäuses (11) angeordnet ist und zur Aufnahme eines Lots (21) dient, über das der Leiterfilm (2) galvanisch mit dem Gehäuse (11) verbunden ist, und das Lot (21) sich im Wesentlichen gleichmäßig, d.h. mit gleicher Dicke, in der Vertiefung (20) verteilt, so dass sich im Bereich der Vertiefung (20) zwischen dem Gehäuse und einem auf dem Leiterfilm (2) angeordneten elektronischen Bauelement (3) ein definierter Abstand einstellt.
Messgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die stufenartige Vertiefung (20) durch eine Reduzierung der Wandstärke des Gehäuses (11) erreicht wird.
Messgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die stufenartige Vertiefung (20) durch einen Umformprozess erreicht wird.
Messgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die stufenartige Vertiefung (20) durch einen auf der Innenseite des Gehäuses (11) aufliegenden ringförmigen Körper erreicht wird.
Messgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung (20) im Bereich von 100–500 µm liegt.
Verfahren zur Herstellung eines Messgeräts (1) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: – Aufbringen des Lots (21) auf den Leiterfilm (2), – Einbringen des Leiterfilms (2) in das Gehäuse (11) mittels eines Einpressdorns, so dass ein Teil des Leiterfilms (2) unmittelbar über die Vertiefung (20) geführt ist, – Verlöten des Leiterfilms (2) mit der Gehäuseinnenwand (11a), in dem auf der Außenseite der Gehäusestirnseite (12) punktuell Wärmeenergie zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Gehäuseinnenwand (11a) zumindest teilweise vor dem Einbringen des Leiterfilms (2) gefluxt wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei der Leiterfilm (2) an einer zweiten Stelle mit dem Gehäuse (11) verlötet wird, die sich in einem Seitenbereich des Gehäuses (11) befindet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei ein zum Betrieb des Messgeräts (1) auf dem Leiterfilm (2) angeordnetes Thermistor-Bauelement (3, 4) während des Lötvorgangs dazu verwendet wird, die an der Lötstelle auftretende Temperatur zu überwachen und zu regeln.