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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung zur Erfassung einer physikalischen Größe mit den Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Sensoreinrichtung zur Erfassung einer physikalischen Größe mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruchs.
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Sensoreinrichtungen zur Erfassung physikalischer Größen, insbesondere zur Bestimmung oder Erfassung einer Luftmasse eines strömenden Mediums, einer Temperatur oder eines Drucks, finden in vielen industriellen Erzeugnissen Anwendung. Insbesondere im Kraftfahrzeugbau werden derartige Sensoreinrichtungen benötigt, um beispielsweise die Motorsteuerung zu optimieren, Klimageräte zu steuern oder die Abgasreinigung zu optimieren.
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Es ist im Stand der Technik bekannt, dass sich für die Herstellung von Sensorelementen in derartigen Sensoreinrichtungen die Verwendung von elektrisch leitfähigen Kunststoffen eignet. So ist in der
DE 199 21 470 A1 beispielsweise ein Fühler zur Lufttemperaturmessung in einem Kraftfahrzeug beschrieben, wobei der Fühler ein Sensorelement aus einem elektrisch leitfähigen Kunststoff umfasst und wobei der elektrische Widerstand des Kunststoffs temperaturabhängig ist. In der
DE 31 42 682 A1 ist ein Elektrowerkzeug beschrieben, wobei das Elektrowerkzeug wenigstens einen Drucksensor aus elektrisch leitendem Kunststoffmaterial enthält, dessen elektrischer Widerstand sich abhängig vom ausgeübten Druck ändert.
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Eine Schwierigkeit beim Einsatz derartiger Sensorelemente aus elektrisch leitfähigem Kunststoff ergibt sich dadurch, dass zur Energieversorgung und/oder zur Signalauslesung das Sensorelement dauerhaft und zuverlässig elektrisch kontaktiert werden muss. Für die Genauigkeit und Zuverlässigkeit des Sensorsignals ist es wichtig, dass der elektrische Übergangswiderstand zwischen dem Sensorelement und den zur Energieversorgung oder Signalauslesung erforderlichen Kontaktelementen möglichst gering und insbesondere möglichst konstant über die Lebensdauer des Sensorelements ist. Üblicherweise sind die Kontaktelemente aus einem metallischen Material hergestellt. So umfasst der Fühler der
DE 199 21 470 A1 beispielsweise zwei elektrische Kontaktstifte, die jeweils über eine Metallschicht mit dem Sensorelement elektrisch verbunden sind. In anderen Ausgestaltungen sind die elektrischen Kontaktelemente als metallische Einlegeteile ausgebildet und werden vom Sensorelement während des Spritzgussverfahrens umspritzt beziehungsweise in das Sensorelement eingespritzt.
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Bei einer derartigen elektrischen Kontaktierung ist es möglich, dass kein ausreichender elektrischer Kontakt zustande kommt, da bei der Herstellung des Sensorelements mittels eines Spritzgussverfahrens das Auftreten einer Spritzhaut an der Oberfläche des Sensorelements üblich ist, wobei diese Spritzhaut häufig andere elektrische und mechanische Eigenschaften aufweist, als das Volumen des spritzgegossenen Bauelements. So kann es beispielsweise vorkommen, dass die zur Erzielung der elektrischen Leitfähigkeit dem Kunststoff beigefügten elektrisch leitfähigen Partikel (z.B. Ruß, Metallpartikel, Kohlefasern, etc.) im Bereich der Spritzhaut kaum vorhanden sind, so dass die Spritzhaut eine geringere Leitfähigkeit aufweist als das Volumen des Sensorelements oder dass die elektrische Leitfähigkeit von Sensorelement zu Sensorelement und über die Lebensdauer der Sensorelemente starken Variationen unterliegt. Durch dieses Phänomen kann die Anwendung eines Sensorelements aus elektrisch leitfähigem Kunststoff in einer Sensoreinrichtung bei an der Oberfläche aufgebrachten oder auch bei umspritzten Kontaktelementen hinsichtlich der Genauigkeit stark eingeschränkt sein. Die über die Lebensdauer auftretenden Temperaturänderungen können bei umspritzten Kontaktelementen aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten der Materialien zu einer Spaltbildung zwischen den Kontaktelementen und dem elektrisch leitfähigem Kunststoff führen. Dies kann einer dauerhaft konstanten Kontaktierung entgegenwirken.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Gegenüber dem Stand der Technik weist die Sensoreinrichtung zur Erfassung einer physikalischen Größe mit den Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs 1 die Vorteile auf, dass die elektrischen Kontaktelemente auf eine besonders einfache und zuverlässige Weise auf das Sensorelement aufgebracht werden können. Weiterhin wird durch die Erfindung vorteilhaft ein besonders guter und dauerhafter elektrischer Kontakt zwischen dem Sensorelement aus elektrisch leitfähigem Kunststoff oder aus elektrisch leitfähiger Keramik und den aus elektrisch leitfähigem Material bestehenden elektrischen Kontaktelementen hergestellt, wobei der elektrische Kontakt zwischen dem Sensorelement und den elektrischen Kontaktelementen einen besonders geringen Übergangswiderstand aufweist.
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Erfindungsgemäß wird eine Sensoreinrichtung zur Erfassung einer physikalischen Größe, insbesondere zur Bestimmung einer Luftmasse eines strömenden Mediums, einer Temperatur oder eines Drucks, vorgeschlagen, welche folgende Komponenten umfasst:
wenigstens ein Sensorelement, das aus einem elektrisch leitfähigem Kunststoff oder einer elektrisch leitfähigen Keramik besteht, wobei das wenigstens eine Sensorelement einen elektrischen Widerstand aufweist, welcher von der zu erfassenden physikalischen Größe beeinflussbar ist. Außerdem weist die Sensoreinrichtung wenigstens zwei elektrische Kontaktelemente zur Energieversorgung des wenigstens einen Sensorelements und/oder zur Signalerfassung des wenigstens einen Sensorelements auf. Erfindungsgemäß sind die elektrischen Kontaktelemente aus elektrisch leitfähigem Material mittels eines thermischen Spritzverfahrens, insbesondere mittels Plasmaspritzen an einer Oberfläche des wenigstens einen Sensorelements derart hergestellt, dass die elektrischen Kontaktelemente eine flächige Materialauftragung auf der Oberfläche des wenigstens einen Sensorelements bilden, wobei die elektrischen Kontaktelemente an der Oberfläche des wenigstens einen Sensorelements mit dem Kunststoff oder der Keramik des wenigstens einen Sensorelements verzahnt sind, indem das elektrisch leitfähige Material der elektrischen Kontaktelemente an manchen Stellen 10 Mikrometer oder mehr in die Oberfläche des wenigstens einen Sensorelements eingedrungen ist.
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Gegenüber dem Stand der Technik weist das Verfahren zur Herstellung einer Sensoreinrichtung zur Erfassung einer physikalischen Größe gemäß dem unabhängigen Verfahrensanspruch den Vorteil auf, dass beim Aufbringen der elektrischen Kontaktelemente aus einem elektrisch leitfähigem Material mittels eines thermischen Spritzverfahrens eine besonders gute mechanische Haftung an dem Sensorelement erzielt wird und dass gleichzeitig ein besonders geringer elektrischer Übergangswiderstand zwischen den elektrischen Kontaktelementen und dem Sensorelement erzielt wird. Dies wird dadurch erreicht, dass durch das thermische Spritzverfahren das beim Spritzverfahren verwendete elektrisch leitfähige Material zumindest an manchen Stellen 10 Mikrometer oder mehr in die Oberfläche des Sensorelements eindringt und sich mit dem Material des Sensorelements verzahnt beziehungsweise sich im Material oder am Material des Sensorelements verkrallt. Vorteilhaft wird durch das thermische Spritzverfahren darüber hinaus bewirkt, dass die Oberfläche des Sensorelements während des Verfahrens einer nur geringen thermischen Belastung ausgesetzt ist und insbesondere nicht aufschmilzt.
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Vorteilhafte Ausbildungen und Weiterbildungen der Erfindung werden durch die in den abhängigen Ansprüchen angegebenen Maßnahmen ermöglicht.
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Dadurch, dass die elektrischen Kontaktelemente sich entlang der Oberfläche des wenigstens einen Sensorelements über eine Fläche von wenigstens 1 mm × 1 mm erstrecken, wird vorteilhaft erreicht, dass das Sensorelement besonders zuverlässig mit elektrischer Energie versorgt werden kann. Außerdem steht vorteilhaft eine ausreichend große Kontaktfläche zwischen den elektrischen Kontaktelementen und dem elektrisch leitfähigen Kunststoff oder der elektrisch leitfähigen Keramik des Sensorelements zum Abgreifen der elektrischen Signale des Sensorelements zur Verfügung. Zudem wird dadurch vorteilhaft eine ausreichend große Fläche zur Verfügung gestellt, um die elektrischen Kontaktelemente mit externen elektrischen Leitungen einfach und sicher zu kontaktieren, beispielsweise mittels eines Bonddrahtes oder einem aufgeschweißten Kontakt. Weiterhin wird dadurch vorteilhaft bewirkt, dass durch die große Fläche der elektrische Übergangswiderstand über die Lebensdauer des Sensorelements vorteilhaft konstant und gering ist und dass die Fertigungssicherheit erhöht wird.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Sensoreinrichtung als Luftmassensensor ausgebildet ist, wobei das wenigstens eine Sensorelement in einem Strömungskanal derart angeordnet ist, dass das Sensorelement im Betrieb von der strömenden Luftmasse umströmt wird. Durch diese Weiterbildung wird vorteilhaft die Herstellung eines besonders kostengünstig und einfach herstellbaren Luftmassensensors ermöglicht. Insbesondere ist es dadurch vorteilhaft möglich, dem aus elektrisch leitfähigem Kunststoff oder elektrisch leitfähiger Keramik hergestellten Sensorelement mittels eines Spritzgussverfahrens eine nahezu beliebige dreidimensionale Gestalt zu geben, wodurch sich das Sensorelement besonders einfach auch an beengte räumliche Gegebenheiten anpassen lässt.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das wenigstens eine Sensorelement eine flächige Erstreckung aufweist, wobei das wenigstens eine Sensorelement wenigstens einen Zentralabschnitt mit einer ersten Dicke und zwei weitere, den Zentralabschnitt flankierende Außenabschnitte mit einer zweiten Dicke aufweist, wobei die zweite Dicke größer als die erste Dicke ist. Dadurch wird vorteilhaft erreicht, dass das Sensorelement eine hohe Stabilität und gleichzeitig eine große Messempfindlichkeit aufweist, indem in den flankierenden Außenabschnitten eine stabilitätserhöhende zweite Dicke vorliegt, während die Erfassung der physikalischen Größe im Wesentlichen durch den Zentralabschnitt mit der ersten Dicke erfolgt. Durch die im Vergleich zur zweiten Dicke geringe erste Dicke wird vorteilhaft bewirkt, dass die Erfassung der physikalischen Größe im Wesentlichen im Bereich der ersten Dicke erfolgt und dass sich dadurch die Messgenauigkeit optimieren lässt. Durch diese konstruktive Ausbildung lässt sich das Sensorelement vorteilhaft an verschiedene Anwendungen mit unterschiedlichen geometrischen Voraussetzungen und/oder unterschiedliche Messgenauigkeitsanforderungen besonders einfach anpassen.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist das wenigstens eine Sensorelement als ein den Strömungskanal brückenartig übergreifender Steg ausgebildet, der an zwei voneinander abgewandten Stellen mit der Innenwand des Strömungskanals in Berührung steht. Dadurch wird vorteilhaft in besonders einfacher Weise eine möglichst große Überströmungsfläche realisiert, durch welche sich die Messgenauigkeit beziehungsweise die Messempfindlichkeit vorteilhaft erhöhen lässt. Weiterhin vorteilhaft ist dadurch eine besonders einfache Befestigung des Sensorelements im Strömungskanal gegeben.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Sensorelement mit dem Strömungskanal einstückig ausgebildet, wobei in der Verlängerung des Stegs zur Außenwand des Strömungskanals gesehen an der Außenwand des Strömungskanals Kontaktierungsabschnitte vorgesehen sind, wobei die elektrischen Kontaktelemente auf die Kontaktierungsabschnitte an der Außenwand des Strömungskanals aufgebracht sind. Durch diese Weiterbildung lässt sich die als Luftmassensensor ausgebildete Sensoreinrichtung in besonders einfacher und kostengünstiger Weise herstellen, indem der Strömungskanal und das Sensorelement bevorzugt in einem oder in zwei Verfahrensschritten im selben Fertigungsprozess hergestellt werden. Besonders vorteilhaft ist durch die an der Außenwand des Strömungskanals angebrachten elektrischen Kontaktelemente eine einfache Kontaktierung des Sensorelements möglich, so dass auf die Ausbildung von aufwändig herzustellenden Steckern oder eine aufwändige Kabelführung im Inneren des Strömungskanals verzichtet werden kann.
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Dadurch, dass die Sensoreinrichtung derart als Drucksensor ausgebildet ist, dass der Drucksensor ein Drucksensorgehäuse aufweist, welches eine einen ersten Raum umgebende Wand aufweist, wobei das Sensorelement in die Wand des Drucksensorgehäuses integriert ist, wird vorteilhaft erreicht, dass sich der Drucksensor auf besonders einfache Art und Weise herstellen lässt.
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Dadurch, dass im Verfahren zur Herstellung einer Sensoreinrichtung die wenigstens zwei elektrischen Kontaktelemente aus elektrisch leitfähigem Material mittels Plasmaspritzen aufgebracht werden, werden die mechanische Haftung der elektrischen Kontaktelemente und die Ausbildung der elektrischen Kontakte zwischen den elektrischen Kontaktelementen und dem Sensorelement in besonderem Maße verbessert. Dies kann insbesondere noch dadurch verbessert werden, dass mittels des Plasmaspritzens die Oberfläche des Sensorelements durch das Plasma gereinigt und derart aktiviert wird, dass sich die Haftung des Materials der elektrischen Kontaktelemente an der Oberfläche des Sensorelements in vorteilhafter Weise verbessert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen der Erfindung
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Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung,
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2 eine zeichnerische Darstellung einer Vergrößerung eines realen Querschnitts durch ein Kontaktelement einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung gemäß 1,
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3a einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Sensoreinrichtung als Luftmassensensor gemäß einer ersten Ausführungsform,
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3b einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Sensoreinrichtung als Luftmassensensor gemäß einer zweiten Ausführungsform,
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3c eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung gemäß 3b,
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4 eine Aufsicht auf eine erfindungsgemäße Sensoreinrichtung als Temperatursensor,
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5 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Sensoreinrichtung als Drucksensor.
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1 zeigt eine Sensoreinrichtung 100 zur Erfassung einer physikalischen Größe, insbesondere zur Bestimmung einer Luftmasse eines strömenden Mediums, einer Temperatur oder eines Drucks. Die Sensoreinrichtung 100 umfasst ein aus elektrisch leitfähigem Kunststoff oder aus elektrisch leitfähiger Keramik bestehendes Sensorelement 200 sowie wenigstens zwei elektrische Kontaktelemente 210, welche auf einer Oberfläche 202 des Sensorelements mittels eines thermischen Spritzverfahrens aufgebracht sind und welche aus einem elektrisch leitfähigen Material bestehen. Das Sensorelement 200 weist bevorzugt eine flächige Erstreckung auf mit einer ersten Seite 204 und einer davon abgewandten zweiten Seite 206. Die elektrischen Kontaktelemente 210 sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel auf der Oberfläche 202 der ersten Seite 204 des Sensorelements 200 angeordnet. Sie können jedoch ebenso gut auf der Oberfläche 202 der zweiten Seite 206 des Sensorelements angeordnet sein oder auch auf einer oder mehreren der Stirnseiten des Sensorelements 200. Auch ist eine Anordnung der elektrischen Kontaktelemente 210 auf dem Sensorelement 200 denkbar, bei welcher ein elektrisches Kontaktelement 210 auf der ersten Seite 204 des Sensorelements 200 und ein anderes elektrisches Kontaktelement 210 auf der zweiten Seite 206 des Sensorelements 200 angeordnet ist. Wie in 1 angedeutet ist, ist das Material der elektrischen Kontaktelemente 210 mindestens an einigen Stellen in die Oberfläche 202 des Sensorelements 200 eingedrungen. Die elektrischen Kontaktelemente können eine Höhe, also eine Ausdehnung senkrecht zur ersten Seite 204, von 1 mm oder auch mehr erreichen. Der Verlauf der elektrischen Kontaktelemente 210 auf der Oberfläche 202 des Sensorelements 200 ist durch das thermische Spritzverfahren weitgehend frei gestaltbar.
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Bevorzugt erstrecken sich die elektrischen Kontaktelemente 210 jeweils über eine Fläche von mehr als 1mm2. Die elektrischen Kontaktelemente 210 werden erfindungsgemäß mittels eines thermischen Spritzverfahrens, insbesondere gemäß der DIN EN 657:2005, besonders bevorzugt mittels eines Plasmaspritzverfahrens auf die Oberfläche 202 des Sensorelements 200 aufgebracht. Die elektrischen Kontaktelemente 210 bestehen bevorzugt aus Kupfer, Zinn oder Aluminium.
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Das Material des elektrisch leitfähigen Kunststoffes des Sensorelements 200 besteht aus einer im Reinzustand elektrisch isolierenden Kunststoffmatrix, welcher elektrisch leitfähige Füllstoffe zur Herstellung eines elektrisch leitfähigen Kunststoffes beigemischt werden. Als Füllstoffe kommen z.B. Metallpulver, Ruß, Kohlefasern, Metallfasern, Lötlegierungen, sogenannte Carbon-Nanotubes oder andere Nanopartikel in Betracht. Der Füllgrad muss ein gewisses Mindestmaß überschreiten, um eine hinreichende Anzahl von elektrisch leitfähigen Pfaden innerhalb des Materialverbundes aus der Kunststoffmatrix und den Füllstoffen auszubilden. Ab dieser sogenannten Perkulationsgrenze ist der elektrische Widerstand nicht mehr unendlich groß und die elektrische Leitfähigkeit nimmt zu. Bevorzugt erreicht ein für das Sensorelement 200 verwendeter derartiger Verbundwerkstoff einen spezifischen elektrischen Durchgangswiderstand von unter 100 Ωcm und enthält zwischen 0,1 bis 70 Vol-% elektrisch leitender Füllstoffe.
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Eine elektrisch leitfähige Keramik zur Verwendung als Sensorelement 200 besteht beispielsweise aus einem Grundmaterial, bevorzugt aus der Gruppe Aluminiumoxid oder Siliciumnitrid und Titannitrid. Diesem Grundmaterial sind elektrisch leitfähige Füllstoffe ähnlich wie bei elektrisch leitfähigem Kunststoff beigemischt, beispielsweise Metallpulver, Metallfasern, Lötlegierungen, Kohlenstoffpartikel oder Ruß, ohne auf diese Füllstoffe beschränkt zu sein. Analog zu den elektrisch leitfähigen Kunststoffen ist der Mischungsanteil der elektrisch leitfähigen Füllstoffe oberhalb der Perkulationsgrenze bevorzugt so zu wählen, dass ein spezifischer elektrischer Durchgangswiderstand von unter 100 Ωcm erreicht wird.
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Das Sensorelement 200 kann beispielsweise spritzgegossen oder extrudiert werden, wenn es aus elektrisch leitfähigem Kunststoff hergestellt ist. Um elektrisch isolierende Bereiche auszubilden bieten sich Mehrkomponenten-Spritzgießverfahren und/oder Kunststoff-Schweißverfahren an. Hierdurch lassen sich fluid- und druckdichte Sensoreinrichtungen fertigen, die neben dem elektrisch leitfähigen Kunststoff auch isolierende Kunststoffe oder andere elektrische Isolationsmaterialien (Isolatoren) und Werkstoffe beziehungsweise elektrische Bauteile beinhalten können. Als Fluide werden im Sinne dieser Anmeldung gasförmige und/oder flüssige Medien beziehungsweise Chemikalien aller Art verstanden. Beispielsweise Luft, Abgase, Wasser, Harnstoff-Wasserlösung, Kraftstoffe, Kältemittel, Öle, Wasserdampf, Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff, Methan, Propan, Butan, etc.
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Der elektrisch leitfähige Kunststoff kann bevorzugt mit Thermoplasten, mit Duroplasten und/oder mit Elastomeren gebildet sein, die neben anderen physikalischen Eigenschaften, wie z.B. Festigkeit, Wasseraufnahme und Gewicht, bevorzugt eine für die Zielanwendung ausreichende Temperaturfestigkeit aufweisen. Zur weiteren Optimierung seiner mechanischen Eigenschaften kann der elektrisch leitfähige Kunststoff des Sensorelements – zusätzlich zu den elektrisch leitfähigen Partikeln – mit einer Faserarmierung, z.B. aus Glasfasern, versehen sein.
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Wird das Sensorelement 200 aus elektrisch leitfähiger Keramik gefertigt, so kommen beispielsweise der Pulverspritzguss, das Pressen oder das HIP-Verfahren bei der Herstellung des Sensorelements 200 zur Anwendung.
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Die Verwendung von (elektrisch leitfähigem) Kunststoff oder elektrisch leitfähiger Keramik zur Ausbildung des Sensorelements 200 erlaubt die Ausgestaltung der Sensorstrukturen in nahezu beliebigen dreidimensionalen Strukturen, beispielsweise durch Spritzgussverfahren. Dadurch ergibt sich eine besonders große Flexibilität bei der Formgebung und es ergeben sich Vorteile bei der Ausnutzung von knapp bemessenem Raum.
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2 zeigt einen zeichnerisch dargestellten Ausschnitt eines fotografierten realen Querschnitts durch ein elektrisches Kontaktelement 210 des Sensorelements 200 aus 1, welches aus elektrisch leitfähigem Kunststoff gefertigt ist. Im unteren Teil der 2 ist der elektrisch leitfähige Kunststoff des Sensorelements 200 zu erkennen. Die gestrichelt dargestellte Linie deutet die Oberfläche 202 des Sensorelements 200 an, wie sie vor der Aufbringung des elektrisch leitfähigen Materials des elektrischen Kontaktelements 210 vorgelegen hat. Das elektrisch leitfähige Material des elektrischen Kontaktelements 210 erstreckt sich in der abgebildeten Figur von der linken Seite aufsteigend zur rechten Seite. Dieser Anstieg ist dem Umstand geschuldet, dass es sich um einen Randbereich des elektrischen Kontaktelements 210 handelt. Am von der Figur aus betrachtet oberen Rand des elektrischen Kontaktelements ist eine körnige Struktur des elektrischen Kontaktelements 210 zu erkennen. Diese körnige Struktur ist auf die Fertigung des elektrischen Kontaktelements durch das thermische Spritzverfahren zurückzuführen. Denn bei dem thermischen Spritzverfahren wird das elektrisch leitfähige Material innerhalb eines Spritzbrenners ab-, an- oder aufgeschmolzen und in einem Gasstrom in Form von Spritzpartikeln beschleunigt und auf die Oberfläche des Sensorelements geschleudert. Die körnige Struktur entspricht somit den zuletzt aufgeschleuderten Partikeln. Bei Verwendung eines thermischen Plasmaspritzverfahrens wird die Oberfläche 202 des Sensorelements 200 während des Aufspritzens der elektrischen Kontaktelemente 210 durch das Plasma gleichzeitig noch gereinigt beziehungsweise chemisch aktiviert, so dass ein besonders guter mechanischer und elektrischer Kontakt zwischen den elektrischen Kontaktelementen 210 und dem Sensorelement 200 hergestellt wird. Je nachdem, welcher Effekt (Reinigungseffekt oder Aktivierungseffekt) dabei im Vordergrund steht und welche Materialien für das Sensorelement 200 und die elektrischen Kontaktelemente 210 gewählt werden, kann gezielt ein bestimmtes Gas für die Ausbildung des Plasmas, das sogenannte Plasmagas, gewählt werden. Beispielsweise eignen sich für die Erzeugung des Plasmas Gase als Plasmagase wie Wasserstoff, Stickstoff, Sauerstoff, Wasserdampf, Argon oder gasförmige organische Verbindungen oder Kombinationen aus diesen Gasen in unterschiedlichen Mischungsverhältnissen.
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An der Grenzfläche zwischen dem Sensorelement 200 und dem elektrischem Kontaktelement 210, also im Bereich der gestrichelten Linie, ist in der Figur die Verzahnung beziehungsweise Verkrallung des elektrisch leitfähigen Materials des elektrischen Kontaktelements 210 im elektrisch leitfähigen Kunststoff des Sensorelements 200 zu erkennen. Das elektrisch leitfähige Material des elektrischen Kontaktelements 210 dringt zumindest an manchen Stellen wenigstens 10 Mikrometer an einigen anderen Stellen auch mehr als 30 Mikrometer tief in das Material des elektrisch leitfähigen Kunststoffes des Sensorelements 200 ein. Dadurch wird insbesondere eine gute Verzahnung und/oder Verkrallung des elektrischen Kontaktelements 210 mit dem Sensorelement 200 erreicht, so dass das elektrische Kontaktelement 210 eine sehr gute mechanische Haftung auf dem Sensorelement erreicht. Gleichzeitig wird durch das tiefe Eindringen des Materials der elektrischen Kontaktelemente 210 eine optimale elektrische Kontaktierung mit den elektrisch leitfähigen Füllstoffen in der Kunststoffmatrix des elektrisch leitfähigen Kunststoffes derart erzielt, dass der Übergangswiderstand zwischen dem elektrischen Kontaktelement 210 und dem Sensorelement 200 dauerhaft gering ausfällt.
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Durch das thermische Spritzverfahren lassen sich elektrische Kontaktelemente 210 auftragen, deren Schichtdicke und räumliche Gestalt durch die Prozessparameter und die Prozessführung des thermischen Spritzverfahrens in weiten Grenzen beeinflusst werden kann. Derartige Prozessparameter sind insbesondere die Verfahrgeschwindigkeit des Spritzbrenners, die Temperatur des Spritzstrahls, die Strömungsgeschwindigkeit des Metallpulvers im Spritzstrahl oder das mehrfaches Überfahren mit dem Spritzbrenner beziehungsweise beim Plasmaspritzen auch die Wahl des Plasmagases, die Leistung des Plasmagenerators und das Durchflussvolumen des Plasmagases. Zudem kann die Gestalt des elektrischen Kontaktelements auf dem Sensorelement durch entsprechendes Verfahren des Spritzbrenners auf vorprogrammierten Bahnkurven nahezu beliebig komplex gestaltet werden. Darüber hinaus ist eine gute elektrische Kontaktierung der aufgesprühten elektrischen Kontaktelemente 210 zu metallischen Anschlussstellen (Interface-Stellen), beispielsweise zu Kontaktstiften oder zu Bonddrähten, gegeben, die ein zusätzliches Verlöten oder Verschweißen i.d.R. entbehrlich macht. Daneben gewährleistet das thermische Spritzverfahren eine hohe Wiederholgenauigkeit beziehungsweise Prozesssicherheit und eine große Gestaltungsfreiheit in Bezug auf eine dreidimensionale Strukturierung der elektrischen Kontaktelemente 210.
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In 3a ist eine erfindungsgemäße Sensoreinrichtung 100 dargestellt, welche als Luftmassensensor 102 ausgebildet ist. Das Sensorelement 200 ist im Inneren eines rohrförmigen Strömungskanals 500 angeordnet, wobei der Strömungskanal 500 eine Innenwand 510 und eine Außenwand 520 aufweist. Der Strömungskanal 500 wird von einem fluiden Medium in Pfeilrichtung mit einer Geschwindigkeit v durchströmt. Das fluide Medium strömt im Betrieb über die Oberfläche 202 des Sensorelements 200 und erzeugt dadurch eine Temperaturänderung im Sensorelement 200. Diese Temperaturänderung im Sensorelement 200 bewirkt im elektrisch leitfähigen Kunststoff oder in der elektrisch leitfähigen Keramik des Sensorelements 200 eine Widerstandsänderung, die als Signal zwischen den elektrischen Kontaktelementen 210 durch eine Auswerteschaltung 400, bevorzugt in Gestalt einer ECU (Electronic Control Unit), bestimmt werden kann. Die Auswerteschaltung 400 ist über elektrische Leitungen 220 mit den elektrischen Kontaktelementen 210 verbunden, wobei diese Verbindung beispielsweise durch einen Bondprozess, einen Schweißprozess oder einen Klebeprozess mit elektrisch leitfähigem Klebstoff hergestellt ist. In der dargestellten Ausführungsform ist das Sensorelement 200 im Strömungskanal 500 bevorzugt nur durch die elektrischen Leitungen 220 oder durch die Leitungen 220 ummantelnde Stützstrukturen gehaltert. Dadurch weist das Sensorelement 200 einen besonders geringen Wärmekontakt mit dem Strömungskanal 500 auf, wodurch die Messgenauigkeit optimiert wird. Durch weitere (hier nicht dargestellte) oder dieselben elektrischen Kontaktelemente 210 kann das Sensorelement 200 auch mit einem elektrischen Strom beaufschlagt werden. Durch die entstehende Joulsche Wärme kann dann gezielt eine Sensorelementtemperatur eingestellt werden.
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3b zeigt einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform einer als Luftmassensensor 102 ausgebildeten Sensoreinrichtung 100. In dieser Ausführungsform ist das Sensorelement 200 mit dem Strömungskanal 500 bevorzugt einstückig ausgebildet, wobei das Sensorelement 200 als ein den Strömungskanal 500 brückenartig übergreifender Steg 250 ausgebildet ist, der an zwei von aneinander abgewandten Stellen mit der Innenwand 510 des Strömungskanals 500 in Berührung steht. Das Sensorelement 200 weist einen Zentralabschnitt 240 mit einer ersten Dicke d1 und zwei weitere, den Zentralabschnitt 240 flankierende Außenabschnitte 230 mit einer zweiten Dicke d2 auf, wobei die zweite Dicke d2 größer als die erste Dicke d1 ist. Der Strömungskanal 500 ist bevorzugt aus elektrisch leitfähigem Kunststoff oder aus elektrisch isolierendem Kunststoff oder auch aus einem anderen Material gefertigt. Bevorzugt wird der Strömungskanal 500 mit dem Sensorelement 200 in einem Spritzgussverfahren gemeinsam hergestellt. Die Fertigung erfolgt dabei besonders bevorzugt derart, dass das Sensorelement an den Berührungsstellen mit der Wand des Strömungskanals 500 die Wand des Strömungskanals 500 quasi durchgreift und in der Fortsetzung des Steges 250 an der Außenwand 520 des Strömungskanals Kontaktierungsabschnitte 270 bestehen. Auf diese Kontaktierungsabschnitte 270 sind die elektrischen Kontaktelemente 210 mittels eines thermischen Spritzverfahrens aufgetragen. Durchströmt nun das Fluid den Strömungskanal 500 und überströmt dabei das Sensorelement 200, so verändert sich in Abhängigkeit der Strömungsgeschwindigkeit v und damit in Abhängigkeit von der strömenden Luftmasse die Temperatur des Sensorelements 200, insbesondere im Zentralbereich 240 mit der ersten Dicke d1, wodurch sich der elektrische Widerstand im elektrisch leitfähigen Kunststoff des Sensorelements 200 ändert. Diese Widerstandsänderung kann als Signal an den elektrischen Kontaktelementen 210 abgegriffen und über die Leitungen 220 zur Auswerteschaltung 400 weitergeleitet werden, so dass das Signal in der Auswerteschaltung 400 weiter verarbeitet werden kann.
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In 3c ist eine perspektivische Ansicht der Ausführungsform gemäß 3b dargestellt. Hierbei ist besonders gut zu erkennen, wie das Sensorelement 200 in der Außenwand 520 des Strömungskanals 500 einen Kontaktierungsabschnitt 270 ausbildet. An der gegenüberliegenden Seite des als Steg 250 ausgebildeten Sensorelements 200 befindet sich in der Außenwand 520 des Strömungskanals 500 ein in analoger Weise ausgebildeter weiterer Kontaktierungsabschnitt 270.
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In 4 ist eine erfindungsgemäße Sensoreinrichtung 100 dargestellt, die als Temperatursensor 104 ausgebildet ist. Dabei ändert sich der elektrische Widerstand des Sensorelements 200 in Folge von Wärmeeinwirkung Q derart, dass die Widerstandsänderung als Signal zwischen den elektrischen Kontaktelementen 210 ausgelesen werden kann und von der Auswerteschaltung 400 in eine Temperatur umgerechnet werden kann.
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5 stellt eine erfindungsgemäße Sensoreinrichtung 100 dar, die als Drucksensor 106 ausgebildet ist. Der Drucksensor 106 umfasst bevorzugt ein Drucksensorgehäuse 300 mit einer Wand 310, welches einen ersten Raum 304 umschließt, in welchem ein erster Druck p1 anliegt. Von diesem ersten Raum 304 getrennt liegt außerhalb des Drucksensorgehäuses 300 ein zweiter Raum 306, in welchem ein zweiter Druck p2 anliegt. Das Sensorelement 200 aus elektrisch leitfähigem Kunststoff oder aus elektrisch leitfähiger Keramik ist hierbei in die Wand 310 des Drucksensorgehäuses 300 integriert und wird somit von der ersten Seite 204 mit dem ersten Druck p1 und von der zweiten Seite 206 mit dem zweiten Druck p2 beaufschlagt. Infolge der Druckdifferenz zwischen p1 und p2 biegt sich das Sensorelement 200 durch. Dadurch ändert sich der elektrische Widerstand zwischen den zwei elektrischen Kontaktelementen 210, welche auf der Oberfläche 202 des Sensorelements angeordnet sind. Die Änderung des elektrischen Widerstands wird als Signal von der Auswerteschaltung 400 erfasst und in ein Drucksignal umgerechnet.
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Auf diese Weise kann ein Differenzdrucksensor hergestellt werden, welcher die Differenz zwischen dem ersten Druck p1 und dem zweiten Druck p2 erfasst, es kann jedoch auch ein Absolutdrucksensor dargestellt werden, wenn beispielsweise der erste Druck p1 als Referenzvakuum ausgebildet ist. Dann erfasst das Sensorelement 200 den Absolutdruck des zweiten Drucks p2. Ebensogut kann auch der zweite Druck p2 als Referenzvakuum ausgebildet sein. Dann erfasst das Sensorelement 200 den Absolutdruck des ersten Drucks p1.
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In einer hier nicht dargestellten Ausführungsform eines Drucksensors 106 können die elektrischen Kontaktelemente auch auf der ersten Seite 204 des Sensorelements angeordnet sein.
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Die elektrischen Kontaktelemente 210 können neben dem Signalabgriff auch zur oder sogar ausschließlich zur Versorgung des Sensorelements 200 mit elektrischer Energie dienen. Bevorzugt können die elektrischen Kontaktelemente 210 dabei zur Versorgung des Sensorelements 200 mit elektrischem Strom verwendet werden, wodurch das Sensorelement 200 durch den Stromfluss im Sensorelement 200 gezielt auf eine gewünschte Temperatur erwärmt werden kann (Joul‘scher Wärme). Mittels einer derart voreingestellten Temperatur des Sensorelements 200 kann die Empfindlichkeit des Sensorelements bei der Erfassung der physikalischen Größen, beispielsweise einer Luftmasse, erhöht werden.
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Neben den dargestellten Sensortypen (für Temperatur, Druck oder für die Bestimmung von Luftmassen strömender Medien) kann das Sensorelement 200 auch für die Erfassung anderer physikalischer Größen genutzt werden, die hier nicht beschrieben sind. Dies kann beispielsweise die Bestimmung von Beschleunigungen, Drehraten, Magnetfeldern (z.B. als Hall-Sensor) oder von elektrischen Feldern sein, ohne auf diese physikalischen Größen beschränkt zu sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19921470 A1 [0003, 0004]
- DE 3142682 A1 [0003]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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