DE102012213572A1

DE102012213572A1 - Kapazitiver Drucksensor

Info

Publication number: DE102012213572A1
Application number: DE201210213572
Authority: DE
Inventors: Joachim Ballmann
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2012-08-01
Filing date: 2012-08-01
Publication date: 2014-02-06

Abstract

Dargestellt und beschrieben ist ein kapazitiver Drucksensor mit einer Druckmesszelle (2) und einer flexiblen Leiterplatte (20), wobei die Druckmesszelle (2) einen Keramikkörper (10) mit in Längsrichtung angeordneten Durchgangsbohrungen (11) aufweist und diese Durchgangsbohrungen (11) eine elektrisch leitfähige Beschichtung (12) aufweisen. Um einen derartigen Drucksensor weiter zu bessern ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Leiterplatte (20) direkt auf der Oberseite des Keramikkörpers (10) aufliegt und dabei die Durchgangsbohrungen (11) überdeckt, so dass zwischen der Leiterplatte (20) und der Beschichtung (12) der Durchgangsbohrung (11) eine unmittelbare elektrische Kontaktierung – ohne Verwendung eines Drahtes – erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Drucksensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Kapazitive Drucksensoren werden in vielen Industriebereichen zur Druckmessung eingesetzt. Sie weisen häufig eine keramische Druckmesszelle, als Messwandler für den Prozessdruck, und einen Auswerteelektronik zur Signalverarbeitung auf.
Typische Messzellen bestehen aus einem keramischen Grundkörper und einer Membran, wobei zwischen dem Grundkörper und der Membran ein Glaslotring angeordnet ist. Der sich dadurch ergebende Hohlraum zwischen Grundkörper und Membran ermöglicht die längsgerichtete Beweglichkeit der Membran infolge eines Druckeinflusses. An der Unterseite der Membran und an der gegenüberliegenden Oberseite des Grundkörpers sind jeweils Elektroden vorgesehen, die zusammen einen Messkondensator bilden. Durch Druckeinwirkung kommt es zu einer Verformung der Membran, was eine Kapazitätsänderung des Messkondensators zur Folge hat. Mit Hilfe einer Auswerteeinheit wird die Kapazitätsänderung erfasst und in einen Druckmesswert umgewandelt. In der Regel dienen diese Drucksensoren zur Überwachung oder Steuerung von Prozessen. Sie sind deshalb häufig mit übergeordneten Steuereinheiten (SPS) verbunden.
Zur Kontaktierung der Elektroden sind in dem Keramikkörper der Druckmesszelle entsprechend der Anzahl der Elektroden auf der der Membran entgegengesetzte Seite Durchgangsbohrungen vorgesehen. Diese Durchgangsbohrungen führen bis zu den Elektroden und weisen über ihre gesamte Länge eine elektrisch leitfähige Beschichtung ihrer Innenwandung auf. In jede Durchgangsbohrung wird ein Draht eingeführt und mithilfe einer Lötverbindung ein elektrischer Kontakt mit der Beschichtung hergestellt, wodurch somit auch die Elektrode elektrisch kontaktiert ist. Über den Draht wird das jeweilige Elektrodensignal an eine eine elektronische Schaltung umfassende Leiterplatte geleitet, die die Messsignale zur weiteren Verarbeitung aufbereitet und ggf. auch gleich auswertet. Je nach Bauart des Sensorgehäuses kann die Leiterplatte als flexible Leiterplatte ausgeführt sein. Flexible Leiterplatten können durch Falten und Biegen platzsparend in dem Gehäuse untergebracht werden.
Aufgabe der Erfindung ist es nun, den kapazitiven Drucksensor weiter zu verbessern.
Die aufgezeigte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den rückbezogenen Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wird die flexible Leiterplatte direkt auf den Keramikkörper der Druckmesszelle aufgelegt und mit den Beschichtungen der Durchgangsbohrungen elektrisch kontaktiert. Auf die Weise wird ohne ein weiteres Bauteil verwenden zu müssen, wie bspw. einem Draht, einem Kontaktstift oder dergleichen, eine elektrische Verbindung zwischen der Messzelle und der flexiblen Leiterplatte hergestellt. Da die Verwendung einer flexiblen Leiterplatte – auch Leiterfilm genannt – an sich vorteilhaft ist, weil durch ein geschicktes Falten und Biegen die Leiterplatte platzsparend in das Gehäuse untergebracht werden kann, kann das Sensorgehäuse und damit der gesamt Sensor kleiner ausgeführt werden als dies mit einer starren Leiterplatte möglich wäre.
Vorteilhafterweise erstreckt sich die Beschichtung aus der Durchgangsbohrung heraus in einem kleinen, kreisrundförmigen Bereich um die Bohrung herum. Dadurch wird ein sogenanntes Lötpad gebildet, das den Lötprozess vereinfachen soll. Durch Wärmezufuhr von außen wird dieses Lötpad aufgeschmolzen und bildet mit der jeweiligen Leiterbahn auf der Leiterplatte die elektrische Verbindung.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die leitfähige Beschichtung der Durchgangsbohrungen einen Anteil aus Silber aufweist. Besonders bevorzugt ist dabei die Verwendung von reinem Silber. Denkbar sind auch Legierungen aus Silber-Palladium oder Silber-Platin.
Nachfolgend wird die Erfindung im Zusammenhang mit Figuren anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen:
1 einen erfindungsgemäßen Drucksensor, teilweise geschnitten,
2 einen Teil einer kapazitiven Druckmesszelle im Schnitt und
3 die Darstellung der Druckmesszelle aus 2 mit einer flexiblen Leiterplatte.
In den nachfolgenden Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
In 1 ist ein erfindungsgemäßer Drucksensor 1 dargestellt, der im Wesentlichen aus einem Prozessanschluss 5, einem drauf aufgesetzten Gehäuse 6 und einer Anzeige- und Bedieneinheit 7 besteht. Über den Prozessanschluss 5 wird der Drucksensor 1 mittels einer entsprechenden Klemm- und/oder Schraubverbindung an einen Behälter, ein Rohr oder dergleichen angeschlossen, in dem sich das zu messendende Medium befindet. Der Prozessanschluss 5 umfasst auch die Druckmesszelle 2, durch die der anliegende Druck in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Im vorliegenden Fall handelt es sich um eine keramische Druckmesszelle, die nach dem kapazitiven Prinzip arbeitet. Das Prinzip ist hinlänglich bekannt, so dass hierauf an dieser Stelle nicht weiter eingegangen wird.
Auf dem Prozessanschluss 5 ist ein Gehäuse 6 aufgesetzt, das im Wesentlichen zur Aufnahme der für die Signalauswertung notwendigen elektronischen Bauteile vorgesehen ist. Diese Bauteile sind schematisch zu einer Auswerteeinheit 3 zusammengefasst und als gestricheltes Kästchen darstellt. Von der Auswerteeinheit werden die aufbereiteten Signale an den Steckeranschluss 4 zur Übertragung der Signale bspw. zu einer übergeordneten Steuereinheit (SPS) geleitet und an die auf dem Gehäuse 6 aufgesetzte Anzeige- und Bedieneinheit 7. Derartige Drucksensoren sind seit langem bekannt und werden von der Anmelderin u.a. unter der Bezeichnung PN vertrieben.
Erfindungsgemäß ist nun die elektrische Verbindung zwischen der Druckmesszelle 2 und der Auswerteeinheit 3 durch eine flexible Leiterplatte 20 – auch Leiterfilm genannt – realisiert. Dieser Leiterfilm 20 liegt nun direkt auf der Oberseite der Druckmesszelle 2, d.h. auf dem Keramikkörper 10 der Druckmesszelle 2, auf. Wie dies im Einzelnen erfolgt, wird nachstehend im Zusammenhang mit den 2 und 3 erläutert. Auf dem Leiterfilm können sich elektronische Bauteile 21 befinden.
In 2 ist ein Teil des Keramikkörpers 10 der Druckmesszelle 2 zu dargestellt. Der Keramikkörper weist eine Durchgangsbohrung 11 auf, die mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung 12 versehen ist. Diese beschichtete Durchgangsbohrung führt von der Oberseite der Druckmesszelle 2 bis zu den Elektroden im Inneren, über die die druckabhängigen Kapazitätsänderungen abgreifbar sind. Zumeist bestehen derartige, eingangs beschriebene Messzellen aus drei Elektroden, wobei eine Mess- und eine Referenzelektrode die Kapazität gegenüber einer gemeinsamen Gegenelektrode bilden. Im Ergebnis gibt es demnach i.d.R. drei beschichtete Durchgangsbohrungen 11.
Wie in 3 dargestellt ist, wird nun der Leiterfilm 20 direkt auf die Oberseite der Messzelle 2 bzw. deren Keramikkörper 10 aufgelegt. Die Beschichtung 12 der Durchgangsbohrung 11 erstreckt sich vorteilhaft aus der Durchgangsbohrung 11 heraus in einem kleinen, kreisrundförmigen Bereich um die Bohrung 11 herum. Der Leiterfilm 20 überdeckt nun die Durchgangsbohrung 11, so dass zwischen dem Leiterfilm 20 und der Beschichtung 12 der Durchgangsbohrung 11 eine unmittelbare elektrische Kontaktierung – d.h. ohne Verwendung eines Drahtes oder dergleichen – erfolgt. Der Leiterfilm 20 weist dafür an den für die Kontaktierung mit den Durchgangsbohrungen 11 vorgesehenen Stellen eine entsprechende Vorkehrung in Form einer Leiterbahn und ggf. eines Lötpads auf.

Claims

Kapazitiver Drucksensor mit einer Druckmesszelle (2) und einer flexiblen Leiterplatte (20), wobei die Druckmesszelle (2) einen Keramikkörper (10) mit in Längsrichtung angeordneten Durchgangsbohrungen (11) aufweist und diese Durchgangsbohrungen (11) eine elektrisch leitfähige Beschichtung (12) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (20) direkt auf der Oberseite des Keramikkörpers (10) aufliegt und dabei die Durchgangsbohrungen (11) überdeckt, so dass zwischen der Leiterplatte (20) und der Beschichtung (12) der Durchgangsbohrung (11) eine unmittelbare elektrische Kontaktierung – ohne Verwendung eines Drahtes – erfolgt.
Drucksensor nach Anspruch 1, wobei sich die Beschichtung (12) aus der Durchgangsbohrung (11) heraus in einem kleinen, kreisrundförmigen Bereich um die Bohrung (11) herum erstreckt.
Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die leitfähige Beschichtung (12) der Durchgangsbohrungen (11) einen Anteil aus Silber aufweist.