DE102015116059A1

DE102015116059A1 - Druckmesseinrichtung

Info

Publication number: DE102015116059A1
Application number: DE102015116059.5A
Authority: DE
Inventors: Daniel Sixtensson; Fred Haker
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2015-09-23
Filing date: 2015-09-23
Publication date: 2017-03-23
Also published as: WO2017050582A1

Abstract

Es ist eine Druckmesseinrichtung mit einem Träger (1), insb. einem Träger (1) aus einem Metall, insb. aus einem Edelstahl, einem auf dem Träger (1) vorgesehenen einen freistehenden Sockelabschnitt (23) umfassenden Sockel (3), und einem auf dem Sockel (3) angeordneten Drucksensor (5), dessen Grundfläche größer als eine Grundfläche des Sockels (5) ist, beschrieben, die sich dadurch auszeichnet, dass der Drucksensor (5) auf dessen dem Träger (1) zugewandten Seite eine zum Träger (1) hin offene Ausnehmung (17) aufweist, in der ein in der Ausnehmung (17) angeordnetes zylindrisches oder hohlzylindrisches Ende (19) des Sockels (3) über eine Klebung (21) mit dem Drucksensor (5) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Druckmesseinrichtung mit einem Träger, insb. einem Träger aus einem Metall, insb. aus einem Edelstahl, einem auf dem Träger vorgesehenen, einen freistehenden Sockelabschnitt umfassenden Sockel, und einem auf dem Sockel angeordneten Drucksensor, dessen Grundfläche größer als eine Grundfläche des Sockels ist.
Druckmesseinrichtungen dienen zur messtechnischen Erfassung von Drücken, insb. von Absolutdrücken, Relativdrücken und Differenzdrücken, und werden in der industriellen Messtechnik verwendet.
Druckmesseinrichtungen können hierzu als Absolut-, Relativ- oder Differenzdrucksensoren ausgebildete, regelmäßig als sogenannte Halbleitersensoren oder Sensor-Chips bezeichnete Drucksensoren umfassen, die unter Verwendung von aus der Halbleitertechnologie bekannten Prozessen hergestellt werden.
Diese Drucksensoren sind sehr empfindlich und werden deshalb regelmäßig auf einem in der Regel metallisches Träger montiert, der dann derart in ein in der Regel ebenfalls metallisches Gehäuse eingesetzt wird, dass er eine den Drucksensor außenseitlich umgebende, mit einer Druck übertragenden Flüssigkeit gefüllte Druckmesskammer nach außen abschließt. Dabei besteht das Problem, dass Träger und Drucksensor aus verschiedenen Materialien bestehen, die sehr unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Aufgrund der für die Sensormontage erforderlichen mechanischen Verbindung zwischen Träger und Drucksensor können daher mechanische Spannungen auftreten, die sich auf das Übertragungsverhalten der Messmembran auswirken, und damit die erzielbare Messgenauigkeit und deren Reproduzierbarkeit verschlechtern. Dies gilt insb. für eine temperaturabhängige Hysterese der Messergebnisse.
Dieses Problem tritt z. B. auch bei der in der DE 10 2008 043 175 A1 beschriebenen Relativdruckmesseinrichtung. Diese umfasst einen auf einem Träger montierten Relativdrucksensor mit einem Grundkörper aus Silizium, auf dem eine druckempfindliche Messmembran angeordnet ist. Unter der Messmembran ist eine Kammer eingeschlossen, die über eine Referenzdruckzufuhr mit einem Referenzdruck beaufschlagbar ist. Hierzu weist der Grundkörper eine durchgehende Bohrung auf, die einen in der Kammer mündenden ersten Abschnitt und einen dem Träger zugewandten zweiten Abschnitt umfasst. Der zweite Abschnitt weist einen größeren Durchmesser auf als der erste Abschnitt. Die Referenzdruckzufuhr erfolgt über einen in den Träger eingesetzten Referenzdruckkanal, der einen hülsenförmigen, aus dem Träger in Richtung des Drucksensors herausragenden, im zweiten Abschnitt der Bohrung verlaufenden Fortsatz umfasst. Drucksensor und Fortsatz sind über eine drucktragende Klebung miteinander verbunden, die sich über die gesamte zylindrische äußere Mantelfläche des Fortsatzes erstreckt. Dabei besteht das Problem, dass durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten von Träger, Referenzdruckkanal und Drucksensor bedingte thermo-mechanische Spannungen über die gesamte Länge des Fortsatzes auf den Drucksensor einwirken.
Diesem Problem kann entgegen gewirkt werden, indem der Drucksensor auf dem Träger auf einem Sockel montiert wird, der einen freistehenden Sockelabschnitt umfasst und dessen Grundfläche deutlich kleiner als die Grundfläche des darauf montierten Drucksensors ist. Hierzu sind zwei verschiedene Ausführungsformen bekannt, die z. B. in der DE 34 36 440 A1 beschrieben sind. Bei einer Ausführungsform ist der Sockel integraler Bestandteil des metallischen Trägers und besteht aus dem Material des Trägers. Bei der zweiten Ausführungsform ist der Sockel als separates Bauteil ausgebildet, das mittels einer Einglasung in eine Bohrung im Träger eingesetzt ist.
Bei diesen Druckmesseinrichtungen kann eine weitere Verbesserung des Schutzes der Messmembran vor thermomechanischen Spannungen erzielt werden, indem der Drucksensor mittels einer Klebung auf dem Sockel montiert wird. Klebungen bieten den Vorteil, dass sie aufgrund deren Elastizität in der Lage sind thermomechanische Spannungen abzubauen.
Hierfür verwendbare Kleber müssen jedoch regelmäßig einem Aushärtungsprozess unterzogen werden, bei dem der Kleber in einem Aushärteofen auf eine hierfür erforderliche Temperatur aufgeheizt wird. Dabei besteht die Gefahr, dass der Drucksensor beim Transport zum Aushärteofen, z. B. aufgrund von Vibrationen, und/oder während des Aushärtevorgangs, z. B. aufgrund von Konvektionsströmen im Ofen, verrutscht.
Ein Verrutschen des Drucksensors kann durch den Einsatz einer an die Geometrie von Drucksensor und Sockel angepassten Spezialvorrichtung vermieden werden, die den Drucksensor bis zur vollständigen Aushärtung des Klebers in seiner Position und Ausrichtung fixiert. Dabei bezeichnet die Position eines Objekts im hier verwendeten Sinn die Position des Objekt in einem parallel zur Ebene des Trägers aufgespannten zweidimensionalen Koordinatensystem, und die Ausrichtung bezeichnet dessen durch Rotation um eine senkrecht zu dieser Ebene verlaufenden Rotationsachse eingenommene räumliche Ausrichtung.
Der Einsatz derartiger Spezialwerkzeuge ist jedoch aufwendig und teuer. Außerdem müssen diese Spezialvorrichtungen regelmäßig derart mit dem Drucksensor verbunden werden, dass sie den Drucksensor außenseitlich umschließen. Das setzt aber voraus, dass in der Umgebung von Sockel und Drucksensor ausreichend viel Platz zur Verfügung steht. Fehlt dieser Platz, können diese Vorrichtung nicht eingesetzt werden. Entsprechend können auf dem Träger in der Nähe von Sockel und Drucksensor zu montierende Komponenten, wie z. B. für den elektrischen Anschluss des Drucksensors erforderliche Komponenten und/oder Füllkörper zur Reduktion des mit der Druck übertragenden Flüssigkeit zu befüllenden Innenvolumens der den Drucksensor außenseitlich umgebenden Druckkammer erst nach dem Aufkleben des Drucksensors auf dem Sockel montiert werden. Dabei muss die Positionierung und Ausrichtung der jeweiligen Komponente unter Berücksichtigung der bereits vorgegebenen Position und Ausrichtung des Drucksensors erfolgen. Andernfalls besteht die Gefahr, dass die Komponente nach deren Befestigung in unmittelbarem mechanischen Kontakt zum Drucksensor steht und somit die Druckmesseigenschaften des Drucksensors beeinträchtigt.
Eine Komponente kann jedoch nur dann unter Berücksichtigung der Position und Ausrichtung des Drucksensors positioniert und ausgerichtet werden, wenn ihre Positionierung und ihre räumliche Ausrichtung auf dem Träger nicht bereits durch andere Bedingungen vorgegeben ist. Letzteres ist zum Beispiel bei Füllkörpern der Fall, die Bohrungen aufweisen, durch die fest mit dem Träger verbundene Anschlussstifte für den elektrischen Anschluss des Drucksensors hindurch verlaufen. Hier kann sich nur dadurch beholfen werden, dass zwischen der Komponente und dem Drucksensor eine Mindestabstand eingehalten wird, der sicherstellt, dass ein mechanischer Kontakt zwischen Drucksensor und Komponente auch ohne eine präzise auf die Ausrichtung des Drucksensors abgestimmte Ausrichtung der Komponente vermieden wird. Große Abstände zwischen Füllkörper und Drucksensor laufen jedoch der Funktion des Füllkörpers zuwider.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine Druckmesseinrichtung mit einem Träger, einem auf dem Träger vorgesehenen, einen freistehenden Sockelabschnitt umfassenden Sockel, und einem auf dem Sockel angeordneten Drucksensor, dessen Grundfläche größer als eine Grundfläche des Sockels ist, anzugeben, der die die vorgenannten Nachteile überwindet.
Zur Lösung dieser Aufgabe umfasst die Erfindung eine Druckmesseinrichtung, mit

– einem Träger, insb. einem Träger aus einem Metall, insb. aus einem Edelstahl,
– einem auf dem Träger vorgesehenen einen freistehenden Sockelabschnitt umfassenden Sockel, und
– einem auf dem Sockel angeordneten Drucksensor, dessen Grundfläche größer als eine Grundfläche des Sockels ist,

– der Drucksensor auf dessen dem Träger zugewandten Seite eine zum Träger hin offene Ausnehmung aufweist, in der ein in der Ausnehmung angeordnetes zylindrisches oder hohlzylindrisches Ende des Sockels über eine Klebung mit dem Drucksensor verbunden ist.

Eine erste Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die Ausnehmung eine Grundfläche aufweist, die geringfügig größer als die Grundfläche des Sockels ist, insb. eine Grundfläche, deren Außenabmessungen die Außenabmessungen der Grundfläche des Endes des Sockels um ein Maß übersteigen, dass der Summe der mit der Herstellung des Sockels verbundenen Fertigungstoleranzen und der mit der Herstellung der Ausnehmung verbundenen Fertigungstoleranzen entspricht.
Eine zweite Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die Ausnehmung parallel zur Längsachse des Sockels eine Tiefe aufweist, die gleich einer Summe einer Schichtdicke der sich über eine dem Drucksensor zugewandte Stirnseite des Sockels erstreckenden Klebung und einer parallel zur Längsachse des Sockels verlaufenden Länge des in der Ausnehmung verlaufenden Endes des Sockels ist.
Eine dritte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die Klebung eine mit einem Kleber auf Epoxidharzbasis, einem thermoplastischen Kleber oder einem Silikon-Kleber, insb. einem Silikon-Kautschuk, ausgeführte Klebung ist.
Eine Weiterbildung der zweiten oder dritten Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass

– die Klebung eine mit einem Kleber auf Epoxidharzbasis oder einem thermoplastischen Kleber ausgeführte Klebung ist und eine Schichtdicke im Bereich von 10 μm bis 200 μm aufweist, oder
– die Klebung eine mit einem Silikon-Klebern ausgeführte Klebung ist und eine Schichtdicke im Bereich von 50 μm bis 300 μm aufweist.

Eine zweite Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass

– das in der Ausnehmung befindlichen Ende des Sockels eine Länge von größer gleich 40 μm aufweist, und
– das in der Ausnehmung befindlichen Ende des Sockels eine Länge von kleiner gleich 200 μm aufweist.

Eine dritte Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass

– der Sockel einen frei stehenden Sockelabschnitt umfasst, der sich vom Träger bis zur Ausnehmung erstreckt und an den endseitig das in der Ausnehmung angeordnete Ende des Sockels anschließt, und
– der frei stehende Sockelabschnitt eine Länge aufweist, die größer gleich einigen Zehntelmillimetern ist, insb. eine Länge in der Größenordnung von 0,5 mm.

Eine vierte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass

– auf dem Träger in unmittelbarer Nähe von Sockel und Drucksensor mindestens eine mit dem Träger verbundene Komponente vorgesehen ist, insb. eine Komponente, deren Ausrichtung auf dem Träger durch Randbedingungen eingeschränkt oder vorgegeben ist, und
– zwischen der Komponente und dem Drucksensor ein Spalt, insb. ein Spalt mit einer Spaltbreite von 100 μm bis 300 μm, vorgesehen ist.

Eine erste Ausgestaltung der vierten Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass die Komponente ein Füllkörper, insb. ein Füllkörper aus einem Kunststoff, insb. aus Polyphenylensulfid (PPS) oder aus Polybutylenterephtalat (PBT), oder aus Keramik, insb. aus Aluminiumoxid (Al₂O₃), ist, der ein Innenvolumens einer den Drucksensor außenseitlich umgebenden Druckmesskammer reduziert.
Eine weitere Ausgestaltung der ersten Ausgestaltung der vierten Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass

– der Füllkörper eine parallel zur Längsachse des Sockels durch den Füllkörper hindurch verlaufende Ausnehmung aufweist,
– der Sockel und der Drucksensor in der Ausnehmung angeordnet sind, und
– die Ausnehmung auf der Höhe des Drucksensors eine Grundfläche aufweist, die größer als die Grundfläche des Drucksensors ist, insb. eine Grundfläche, die formgleich zur Grundfläche des Drucksensors ausgebildet ist.

Eine weitere Ausgestaltung der ersten Ausgestaltung der vierten Weiterbildung oder der letztgenannten Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass elektrische Anschlüsse für den elektrischen Anschluss des Drucksensors vorgesehen sind, die durch den Träger und den Füllkörper hindurch verlaufen.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung zeichnen sich dadurch aus, dass

– der Drucksensor eine quadratische oder rechteckförmige Grundfläche in der Größenordnung von 1 mm² bis 100 mm² aufweist,
– der Sockel eine kreis- oder kreisringförmige Grundfläche mit einem Außendurchmesser im Bereich von 0,5 mm bis 7 mm aufweist,
– der Träger eine im Gehäuse eingeschlossene, den Drucksensor außenseitlich allseitig umgebende Druckmesskammer nach außen abschließt, und/oder
– Sockel und Träger als separate Bauteile ausgebildet sind und der Sockel aus einem Isolator, insb. aus Keramik, insb. aus Aluminiumoxid (Al₂O₃), Siliziumnitrid (Si₃N₄) oder Aluminiumnitrid (AlN), besteht.

Weiter umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Druckmesseinrichtung, das sich dadurch auszeichnet, dass der Drucksensor auf dem Sockel montiert wird, indem

– Kleber auf eine dem Drucksensor zugewandte Stirnseite des Sockels aufgebracht wird,
– der Drucksensor auf dem Sockel positioniert und ausgerichtet wird, insb. mittels eines Bestückungsautomaten von oben auf dem Sockel positioniert und ausgerichtet wird, wobei – die Ausnehmung als Positionierhilfe wirkt, die eine Positionierung des Drucksensors bewirkt, bei der eine durch die Sockelmitte verlaufende Längsachse des Sockels durch eine Mitte des Drucksensors führt, und – die Ausrichtung durch Rotation des Drucksensors um eine der Längsachse des Sockels entsprechende Rotationsachse erfolgt, und
– die Klebung erzeugt wird, insb. durch ein kleber-spezifisches Aushärteverfahren erzeugt wird, insb. ein Verfahren, bei dem die Anordnung aus Sockel, Kleber und Drucksensor auf eine vorgegebene Temperatur aufgeheizt wird oder ein vorgegebenes Temperaturprofil durchläuft.

Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Druckmesseinrichtung gemäß der vierten Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass die Komponente vor der Montage des Drucksensors auf dem Träger angeordnet wird und die Ausrichtung des Drucksensors anhand einer Ausrichtung der bereits auf dem Träger angeordneten Komponente vorgenommen wird.
Erfindungsgemäße Druckmesseinrichtungen bieten den Vorteil, dass sie auf effiziente und kostengünstige Weise hergestellt werden können. Dabei wirkt die Ausnehmung im Grundkörper als Positionierhilfe, die eine präzise Positionierung des Drucksensors auf dem Sockel ermöglicht. Zugleich bildet das in der Ausnehmung verlaufende Ende des Sockels während der Herstellung der Klebung eine Zentriervorrichtung, die ein Verrutschen des Drucksensors verhindert.
Entsprechend kann die Positionierung und die Ausrichtung des Drucksensors auf dem Sockel mittels eines Bestückungsautomaten ausgeführt werden mit dem der Drucksensor von oben auf den Sockel aufgesetzt wird. Aufwendige den Drucksensor außenseitlich umgebende Spezialvorrichtungen zur Fixierung des Drucksensors während der Herstellung der Klebung sind nicht erforderlich.
Das bietet den Vorteil, dass die Ausrichtung des Drucksensors auf dem Sockel auf die Ausrichtung von bereits vor dem Aufbringen des Drucksensors auf dem Träger angeordneten Komponenten abgestimmt werden kann. Das ist insb. dann vorteilhaft, wenn die Positionierung und Ausrichtung dieser Komponenten durch Randbedingungen vorgegeben oder eingeschränkt ist. Darüber hinaus bietet es den Vorteil, dass die weiteren Komponenten in einem vergleichsweise geringen Abstand zum Drucksensor vorgesehen werden können, ohne dass dabei die Gefahr besteht, dass sie in unmittelbaren, die Messeigenschaften verändernden Kontakt zu dem Drucksensor gelangen.
Die Erfindung und deren Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist, näher erläutert. Gleiche Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt: eine erfindungsgemäße Druckmesseinrichtung;
2 zeigt: einen vergrößerten Ausschnitt der Druckmesseinrichtung von 1; und
3 zeigt: eine Draufsicht auf den mit dem Füllköper und dem Drucksensor bestückten Träger von 1.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Druckmesseinrichtung. 2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt der Druckmesseinrichtung von 1. Die Druckmesseinrichtung umfasst einen Träger 1, einen auf dem Träger 1 vorgesehenen Sockel 3 und einen auf dem Sockel 3 montierten Drucksensor 5. Der Träger 1 ist im Wesentlichen scheibenförmig und besteht z. B. aus einem Metall, insb. aus einem Edelstahl. Der Drucksensor 5 ist ein sogenannter Halbleiter-Drucksensor, z. B. ein auf Siliziumbasis hergestellten Drucksensor-Chip, und weist beispielsweise einen Grundkörper 7 und eine darauf angeordnete Messmembran 9 auf, unter der eine Druckkammer 11 eingeschlossen ist.
Erfindungsgemäße Druckmesseinrichtungen können als Differenzdruck-, als Relativdruck- oder als Absolutdruckmesseinrichtung ausgestaltet sein. Zur Erfassung von Absolutdrücken ist die unter der Messmembran 9 eingeschlossene Druckkammer 11 evakuiert und durch die Messmembran 9 und den Grundkörper 7 vollständig nach außen abgeschlossen. In dem Fall bewirkt ein auf die erste Seite der Messmembran 9 einwirkender Druck p eine vom zu messenden Absolutdruck abhängige Auslenkung der Messmembran 9. Zur Erfassung von Relativdrücken wird eine erste Seite der Messmembran 9 mit einem Druck p beaufschlagt und deren zweite Seite über eine durch den Träger 1, den Sockel 3 und den Grundkörper 7 hindurch verlaufende, in der Druckkammer 11 mündende – in 1 als Option gestrichelt dargestellte – Druckübertragungsleitung 13 mit einem Referenzdruck p_ref, z. B. einem Umgebungsdruck, beaufschlagt, bezogen auf den der auf die erste Seite einwirkende Druck p gemessen werden soll. Dabei bewirkt die auf die Messmembran 9 einwirkende Druckdifferenz zwischen dem Druck p und dem Referenzdruck p_ref eine vom zu messenden Relativdruck abhängige Auslenkung der Messmembran 9. Zur Erfassung von Differenzdrücken wird die erste Seite der Messmembran 9 mit einem ersten Druck p₁ beaufschlagt, und deren zweite Seite über die Druckübertragungsleitung 13 mit einem zweiten Druck p₂ beaufschlagt. Bei dieser Ausführungsform bewirkt die auf die Messmembran 9 einwirkende Druckdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Druck p₁, p₂ eine vom zu messenden Differenzdruck Δp abhängige Auslenkung der Messmembran 9.
Die resultierende Auslenkung der Messmembran 9 wird in allen drei Fällen mittels eines elektromechanischen Wandlers, z. B. über auf oder in der Messmembran 9 angeordnete Sensorelemente, z. B. zu einer Widerstandsmessbrücke zusammengeschaltete piezoresistive Elemente, erfasst und in ein elektrisches Signal umgewandelt, das dann für eine weitere Verarbeitung und/oder Auswertung zur Verfügung steht.
Der bei Differenzdruck- und Relativdruckmesseinrichtungen hohlzylindrische und bei Absolutdruckmesseinrichtungen zylindrische Sockel 3 weist eine Grundfläche auf, die kleiner als die Grundfläche des Drucksensors 5 ist. Über diese Geometrie wird bereits eine Entkopplung von Messmembran 9 und Träger 1 bewirkt, die den Drucksensor 5 vor thermomechanischen Spannungen schützt.
Halbleiter-Drucksensoren weisen regelmäßig eine, in der Regel rechteckige oder quadratische Grundfläche, auf, deren Größe je nach Messbereich und Messempfindlichkeit in der Größenordnung von 1 mm² bis 100 mm² liegt. Demgegenüber weist der Sockel 3 eine kreis- oder kreisringförmige Grundfläche auf. Der Außendurchmesser des Sockels 3 liegt je nach Größe der Grundfläche des Drucksensors 5 vorzugsweise im Bereich von 0,5 mm bis 7 mm. Bei einem zylindrischen Sockel 3 entspricht das einer Grundfläche in der Größenordnung von ca. 0,2 mm² bis 40 mm².
Grundsätzlich ist es möglich Sockel und Träger als einteiliges Bauelement auszubilden. In dem Fall wird eine elektrische Isolation des Drucksensors 5 gegenüber dem Träger 1 vorzugsweise dadurch bewirkt, dass der Grundkörper 7 aus einem Isolator, z. B. einem Quarzglas, besteht. Alternativ können Sockel 3 und Träger 1 als separate Bauteile ausgebildet sein. In dem Fall kann der Sockel 3 z. B. mittels einer – in 1 als eine mögliche Variante dargestellten – Einglasung 15 in eine Bohrung im Träger 1 eingesetzt sein. Eine weitere Alternative besteht darin, den Sockel mittels einer Fügung, vorzugsweise einer Klebung, auf dem Träger zu befestigen. Dabei kann die Montage des Sockels z. B. auf die in der am 22.12.2014 von der Anmelderin eingereichten, noch unveröffentlichten Deutschen Patentanmeldung DE 2014119396.2 beschriebene Weise erfolgen, indem ein dem Träger zugewandtes Ende des Sockels in eine Ausnehmung im Träger eingeklebt wird.
Sind Sockel 3 und Träger 1 separate Bauteile, so wird eine ggfs. benötigte elektrische Isolation des Drucksensors 5 gegenüber dem Träger 1 vorzugsweise dadurch bewirkt, dass der Sockel 3 aus einem Isolator, z. B. aus einer Keramik, z. B. Aluminiumoxid (Al₂O₃), Siliziumnitrid (Si₃N₄) oder Aluminiumnitrid (AlN), besteht.
Erfindungsgemäß weist der Drucksensor 5 auf dessen dem Träger 1 zugewandten Seite eine zum Träger 1 hin offene Ausnehmung 17 auf, in der ein sich in die Ausnehmung 17 erstreckendes zylindrisches oder hohlzylindrisches Ende 19 des freistehenden Sockels 3 über eine Klebung 21 mit dem Drucksensor 5 verbunden ist.
Zur Herstellung der Klebung 21 eignen sich insb. Kleber auf Epoxidharzbasis, thermoplastische Kleber oder Silikon-Kleber, wie zum Beispiel Silikon-Kautschuk. Klebungen sind deutlich elastischer als starre Verbindungen, wie zum Beispiel Einglasungen, Bond-Verbindungen, Lötungen oder Schweißungen, und somit in der Lage aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten von Träger 1 und Sockel 3 entstehende Spannungen auszugleichen. Die Klebung 21 bewirkt somit eine Reduktion thermomechanischer Spannungen, die sich andernfalls auf den Drucksensor 5, insb. dessen Messmembran 9, auswirken bzw. übertragen würden.
Bei der Herstellung erfindungsgemäßer Druckmesseinrichtungen wird Kleber auf die dem Drucksensor 5 zugewandte Stirnseite des Sockels 3 aufgebracht. Anschließend wird der Drucksensor 5 auf den Kleber aufgesetzt. Hierbei wirkt die Ausnehmung 17 als Positionierhilfe, die eine präzise Positionierung des Drucksensors 5 sicherstellt, bei der die durch die Sockelmitte verlaufende Längsachse des Sockels 3 durch die Mitte des Drucksensors 5 führt. Dabei erlaubt es die zylindrische – bzw. hohlzylindrische Form des Endes 19 des Sockels 3, den Drucksensor 5 durch Rotation um eine der Längsachse des Sockels 3 entsprechende Rotationsachse räumlich auszurichten. Beide Vorgänge können voll automatisiert erfolgen, indem der Drucksensor 5 z. B. mittels eines Bestückungsautomaten angesaugt und von oben auf dem Sockel 3 positioniert und ausgerichtet wird.
Anschließend wird aus dem aufgebrachten Kleber die Klebung 21 erzeugt. Hierzu werden z. B. keber-spezifische Aushärteverfahren eingesetzt, wie sie regelmäßig vom Hersteller des Klebers vorgegeben werden. Typischer Weise wird die Anordnung aus Sockel 3, Kleber und Drucksensor 5 hierzu in einen Aushärteofen eingebracht, in dem der Kleber auf eine hierfür vorgegebene Temperatur aufgeheizt wird oder ein vorgegebenes Temperaturprofil durchläuft. Dabei wirkt die Ausnehmung 17 sowohl während des Transports zum Aushärteofen als auch während des gesamten Aushärtungsverfahrens als im Drucksensor 5 integrierte Zentriervorrichtung, die sicher stellt, dass der Drucksensor 5 während des gesamten Herstellungsprozesses der Klebung 21 in der gewünschten Position verbleibt. Hierfür werden keine Spezialwerkzeuge mit entsprechend großem Platzbedarf in der Umgebung des Drucksensors benötigt.
Im Hinblick auf eine möglichst präzise Positionierung und Zentrierung des Drucksensors 5 weist die Ausnehmung 17 vorzugsweise eine Grundfläche auf, die nur geringfügig größer als die Grundfläche des Sockels 3 ist. Dabei sind die Außenabmessungen der Grundfläche der Ausnehmung 17 vorzugsweise derart bemessen, dass sie die Außenabmessungen der Grundfläche des Sockels 3 um ein Maß übersteigen, dass der Summe der mit der Herstellung des Sockels 3 verbundenen Fertigungstoleranzen und der mit der Herstellung der Ausnehmung 17 verbundenen Fertigungstoleranzen entspricht. Hierzu kann die Ausnehmung 17 z. B. eine quadratische Grundfläche aufweisen, deren Seitenlängen den Außendurchmesser des Endes 19 des Sockels 19 um dieses Maß übersteigen, oder eine kreisförmige Grundfläche aufweisen, deren Außendurchmesser den Außendurchmesser des Endes 19 des Sockels 19 um dieses Maß übersteigt.
Die Ausnehmung 17 weist parallel zur Längsachse des Sockels 3 eine Tiefe auf, die gleich der Summer einer Schichtdicke der sich über die Stirnseite des Sockels 3 erstreckenden Klebung 21 und einer parallel zur Längsachse des Sockels 3 verlaufenden Länge des in der Ausnehmung verlaufenden Endes 19 des Sockels 3 ist.
Die Schichtdicke der Klebung 21 wird vorzugsweise in Abhängigkeit von der Wahl des Klebers und der erforderlichen Druckfestigkeit der Klebung 21 festgelegt. So kann die Klebung 21 in Verbindung mit Klebern auf Epoxidharzbasis, sowie in Verbindung mit thermoplastischen Klebern nach Abschluss von deren Herstellung z. B. eine Schichtdicke im Bereich von 10 μm bis 200 μm aufweisen. In Verbindung mit Silikon-Klebern wird demgegenüber vorzugweise eine größere Schichtdicke, z. B. eine Schichtdicke im Bereich von 50 μm bis 300 μm vorgesehen.
Die Länge des in der Ausnehmung 17 befindlichen Endes 19 des Sockels 3 wird einerseits vorzugsweise derart bemessen, dass sie ausreichend groß ist, um eine zuverlässige Positionierung und Zentrierung des Drucksensors 5 sicher zu stellen. Hierzu weist sie vorzugsweise eine Länge von größer gleich 40 μm auf. Anderseits wird sie vorzugsweise derart bemessen, dass durch einen ggfs. auftretenden unmittelbarem Kontakt zwischen einer äußeren Mantelfläche des Endes 19 mit der das Ende 19 außenseitlich umgebenden Seitenwand der Ausnehmung 17 auf den Drucksensor 5 übertragbare thermomechanische Spannungen möglichst gering sind. Hierzu weist das Ende 19 vorzugsweise eine Länge von kleiner gleich 200 μm auf.
Der Sockel 3 umfasst einen sich vom Träger 1 bis zur Ausnehmung 17 erstreckenden, frei stehenden Sockelabschnitt 23 an den endseitig das in der Ausnehmung 17 verlaufenden Ende 19 des Sockels 3 anschließt. Das bietet den Vorteil, dass durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Drucksensors 5, Sockel 3 und Träger 1 bedingte thermomechanische Spannungen über die gesamte Länge des frei stehenden Sockelabschnitt 23 abgebaut werden können. Hierzu weist der frei stehende Sockelabschnitt 23 vorzugsweise eine Länge auf, die größer gleich einigen Zehntelmillimetern ist, z. B. eine Länge in der Größenordnung von 0,5 mm.
Die den Träger 1, den Sockel 3 und den Drucksensor 5 umfassende Einheit kann auf unterschiedliche Weise eingesetzt werden. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist sie derart in ein Gehäuse 25 eingesetzt, dass der Träger 1 eine im Gehäuse 25 eingeschlossene, den Drucksensor 5 außenseitlich allseitig umgebende Druckmesskammer 27 nach außen abschließt. Die Druckmesskammer 27 ist mit einer Druck übertragenden Flüssigkeit gefüllt, die dazu dient den Druck p bzw. den ersten Druck p₁ auf die Messmembran 9 zu übertragen. Dieser Druck p bzw. p₁ kann der Messmembran 9 z. B. über einen hier als ein Beispiel dargestellten, der Druckmesskammer 27 vorgeschalteten, ebenfalls mit der Flüssigkeit gefüllten Druckmittler 29 zugeführt werden.
Wie eingangs bereits erwähnt, ist es häufig wünschenswert oder sogar erforderlich weitere mit dem Träger 1 verbundene Komponenten in unmittelbarer Nähe von Sockel 3 und Drucksensor 5 vorzusehen.
Als ein Beispiel hierfür ist in der in 1 dargestellten Druckmesseinrichtung ein Füllkörper 31 vorgesehen, der mittels einer Fügung 33, z. B. einer Klebung mit dem Träger 1 verbunden ist. Der Füllkörper 31 besteht z. B. aus einem Kunststoff, z. B. aus Polyphenylensulfid (PPS) oder aus Polybutylenterephtalat (PBT), oder aus Keramik, z. B. aus Aluminiumoxid (Al₂O₃), und dient dazu, das mit der Druck übertragenden Flüssigkeit zu befüllende Innenvolumen der Druckmesskammer 27 zu reduzieren. Ein geringeres Flüssigkeitsvolumen bietet den Vorteil eines geringeren durch eine thermische Ausdehnung der Flüssigkeit bedingten Messfehlers. Hierzu weist der Füllkörper 31 vorzugsweise eine Formgebung auf, die einen Sockel 3 und Drucksensor 5 außenseitlich umgebenden Gehäuseinnenraum nahezu vollständig ausfüllt. Dazu kann der Füllkörper 31 eine parallel zur Längsachse des Sockels 3 durch den Füllkörper 31 hindurch verlaufende Ausnehmung 35 aufweisen, in der der Sockel 3 und der Drucksensor 5 angeordnet sind. In dem Fall weist die Ausnehmung 35 auf der Höhe des Drucksensors 5 eine Grundfläche auf, die größer als die Grundfläche des Drucksensors 5 ist, so dass zwischen Füllkörper 31 und Drucksensor 5 ein den Drucksensor 5 außenseitlich allseitig umgebender Spalt 37 besteht.
Anstelle des hier dargestellten Füllkörpers 31 können alternativ auch einteilige Füllkörper mit anderer Formgebung oder zwei oder mehr einzelne Füllkörper vorgesehen sein.
Bei Druckmesseinrichtungen mit mindestens einer in unmittelbarer Nähe von Drucksensor 5 und Sockel 3 mit dem Träger 1 verbundenen Komponente bietet die als Positionierhilfe und als Zentriervorrichtung wirkende Ausnehmung 17 im Drucksensor 5 den Vorteil, dass diese Komponenten vor der Montage des Drucksensors 5 auf dem Sockel 3 auf dem Träger 1 angeordnet werden können. Anschließend kann der Drucksensor 5 dann aufgrund der Ausnehmung 17 im Drucksensor 5 nicht nur präzise auf dem Sockel 3 positioniert, sondern dabei auch durch Drehung des Drucksensors 5 um dessen parallel zur Längsachse des Sockels 3 verlaufende Rotationsachse in Abstimmung auf die Ausrichtung der bereits auf dem Träger 1 angeordneten Komponenten ausgerichtet werden. Das bedeutet beim vorliegenden Ausführungsbeispiel, dass die quadratische oder rechteckförmige Grundfläche des Drucksensors 5 durch Drehung um die Rotationsachse in eine räumliche Ausrichtung gebracht wird, die mit der räumlichen Ausrichtung der vorzugsweise formgleichen, insb. quadratischen bzw. rechteckförmigen, Grundfläche der Ausnehmung 35 in dem bereits auf dem Träger 1 montierten Füllkörper 31 übereinstimmt.
Da hierfür auf den Außenseiten des Drucksensors 5 kein Platz zur Aufnahme eines den Drucksensor 5 außenseitlich umgebenden Spezialwerkzeugs benötigt wird, ist es möglich, die Komponenten in sehr geringem Abstand zum Drucksensor 5 auf dem Träger 1 anzuordnen. Insoweit genügt bereits ein zwischen der Komponente und dem Drucksensor 5 bestehender Spalt 37 mit geringer Spaltbreite, insb. einer Spaltbreite von 100 μm bis 300 μm.
Da die Ausrichtung des Drucksensors 5 auf die Ausrichtungen von in dessen unmittelbarer Nähe bereits auf dem Träger 1 angeordneten Komponenten abgestimmt werden kann, können in der unmittelbaren Umgebung des Drucksensors 5 auch Komponenten vorgesehen werden, deren Ausrichtung auf dem Träger 1 durch zusätzliche Randbedingungen festgelegt ist oder nur in sehr eingeschränktem Maße angepasst werden kann.
Ein Beispiel für derartige Randbedingungen sind durch den Träger 1 und den Füllkörper 31 hindurch verlaufende elektrische Anschlüsse 39 für den elektrischen Anschluss des Drucksensors 5, deren Formgebung und Position auf dem Träger 1 als Randbedingungen bei der Positionierung und Ausrichtung des Füllkörpers 31 zu berücksichtigen sind. Die Anschlüsse 39 sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als metallische Stifte ausgebildet, die jeweils mittels einer Durchführung 41, z. B. einer eine Einglasung umfassenden Durchführung, elektrisch isoliert gegenüber dem Träger 1 durch den Träger 1 hindurch geführt sind, durch Bohrungen im Träger 1 hindurch verlaufen und auf der vom Träger 1 abgewandten Seite des Füllkörpers 31 an auf dem Drucksensor 5 vorgesehene Anschlusskontakte 43 des Drucksensors 5 angeschlossen sind. Alternativ hierzu können natürlich auch andere dem Fachmann bekannte Ausgestaltungen und/oder Positionierungen der Anschlüsse 39 vorgesehen sein, die an anderen Orten durch den Füllkörper 31 hindurch oder über diesen hinweg verlaufen.
Bezugszeichenliste

1: Träger
3: Sockel
5: Drucksensor
7: Grundkörper
9: Messmembran
11: Druckkammer
13: Druckübertragungsleitung
15: Einglasung
17: Ausnehmung
19: Ende
21: Klebung
23: frei stehender Sockelabschnitt
25: Gehäuse
27: Druckkammer
29: Druckmittler
31: Füllkörper
33: Fügung
35: Ausnehmung
37: Spalt
39: Anschlüsse
41: Durchführung
43: Anschlusskontakt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008043175 A1 [0005]
DE 3436440 A1 [0006]
DE 2014119396 [0039]

Claims

Druckmesseinrichtung, mit – einem Träger (1), insb. einem Träger (1) aus einem Metall, insb. aus einem Edelstahl, – einem auf dem Träger (1) vorgesehenen einen freistehenden Sockelabschnitt (23) umfassenden Sockel (3), und – einem auf dem Sockel (3) angeordneten Drucksensor (5), dessen Grundfläche größer als eine Grundfläche des Sockels (5) ist, dadurch gekennzeichnet, dass – der Drucksensor (5) auf dessen dem Träger (1) zugewandten Seite eine zum Träger (1) hin offene Ausnehmung (17) aufweist, in der ein in der Ausnehmung (17) angeordnetes zylindrisches oder hohlzylindrisches Ende (19) des Sockels (3) über eine Klebung (21) mit dem Drucksensor (5) verbunden ist.
Druckmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (17) eine Grundfläche aufweist, die geringfügig größer als die Grundfläche des Sockels (3) ist, insb. eine Grundfläche, deren Außenabmessungen die Außenabmessungen der Grundfläche des Endes (19) des Sockels (3) um ein Maß übersteigen, dass der Summe der mit der Herstellung des Sockels (3) verbundenen Fertigungstoleranzen und der mit der Herstellung der Ausnehmung (17) verbundenen Fertigungstoleranzen entspricht.
Druckmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (17) parallel zur Längsachse des Sockels (3) eine Tiefe aufweist, die gleich einer Summe einer Schichtdicke der sich über eine dem Drucksensor (5) zugewandte Stirnseite des Sockels (3) erstreckenden Klebung (21) und einer parallel zur Längsachse des Sockels (3) verlaufenden Länge des in der Ausnehmung verlaufenden Endes (19) des Sockels (3) ist.
Druckmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Klebung (21) eine mit einem Kleber auf Epoxidharzbasis, einem thermoplastischen Kleber oder einem Silikon-Kleber, insb. einem Silikon-Kautschuk, ausgeführte Klebung ist.
Druckmesseinrichtung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass – die Klebung (21) eine mit einem Kleber auf Epoxidharzbasis oder einem thermoplastischen Kleber ausgeführte Klebung (21) ist und eine Schichtdicke im Bereich von 10 μm bis 200 μm aufweist, oder – die Klebung (21) eine mit einem Silikon-Kleber ausgeführte Klebung (21) ist und eine Schichtdicke im Bereich von 50 μm bis 300 μm aufweist.
Druckmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – das in der Ausnehmung (17) befindlichen Ende (19) des Sockels (3) eine Länge von größer gleich 40 μm aufweist, und – das in der Ausnehmung (17) befindlichen Ende (19) des Sockels (3) eine Länge von kleiner gleich 200 μm aufweist,
Druckmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – der Sockel (3) einen frei stehenden Sockelabschnitt (23) umfasst, der sich vom Träger (1) bis zur Ausnehmung (17) erstreckt und an den endseitig das in der Ausnehmung (17) angeordnete Ende (19) des Sockels (3) anschließt, und – der frei stehende Sockelabschnitt (23) eine Länge aufweist, die größer gleich einigen Zehntelmillimetern ist, insb. eine Länge in der Größenordnung von 0,5 mm.
Druckmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – auf dem Träger (1) in unmittelbarer Nähe von Sockel (3) und Drucksensor (5) mindestens eine mit dem Träger (1) verbundene Komponente vorgesehen ist, insb. eine Komponente, deren Ausrichtung auf dem Träger (1) durch Randbedingungen eingeschränkt oder vorgegeben ist, und – zwischen der Komponente und dem Drucksensor (5) ein Spalt (37), insb. ein Spalt (37) mit einer Spaltbreite von 100 μm bis 300 μm, vorgesehen ist.
Druckmesseinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente ein Füllkörper (31), insb. ein Füllkörper (31) aus Kunststoff, insb. aus Polyphenylensulfid (PPS) oder aus Polybutylenterephtalat (PBT), oder aus Keramik, insb. aus Aluminiumoxid (Al₂O₃), ist, der ein Innenvolumens einer den Drucksensor (5) außenseitlich umgebenden Druckmesskammer (27) reduziert.
Druckmesseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass – der Füllkörper (31) eine parallel zur Längsachse des Sockels (3) durch den Füllkörper (31) hindurch verlaufende Ausnehmung (35) aufweist, – der Sockel (3) und der Drucksensor (5) in der Ausnehmung (35) angeordnet sind, und – die Ausnehmung (35) auf der Höhe des Drucksensors (5) eine Grundfläche aufweist, die größer als die Grundfläche des Drucksensors (5) ist, insb. eine Grundfläche, die formgleich zur Grundfläche des Drucksensors (5) ausgebildet ist.
Druckmesseinrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass elektrische Anschlüsse (39) für den elektrischen Anschluss des Drucksensors (5) vorgesehen sind, die durch den Träger (1) und den Füllkörper (31) hindurch verlaufen.
Druckmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – der Drucksensor (5) eine quadratische oder rechteckförmige Grundfläche in der Größenordnung von 1 mm² bis 100 mm² aufweist, – der Sockel (3) eine kreis- oder kreisringförmige Grundfläche mit einem Außendurchmesser im Bereich von 0,5 mm bis 7 mm aufweist, – der Träger (1) eine im Gehäuse (25) eingeschlossene, den Drucksensor (5) außenseitlich allseitig umgebende Druckmesskammer (27) nach außen abschließt, und/oder – Sockel (3) und Träger (1) als separate Bauteile ausgebildet sind und der Sockel (3) aus einem Isolator, insb. aus Keramik, insb. aus Aluminiumoxid (Al₂O₃), Siliziumnitrid (Si₃N₄) oder Aluminiumnitrid (AlN), besteht.
Verfahren zur Herstellung einer Druckmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (5) auf dem Sockel (3) montiert wird, indem – Kleber auf einem dem Drucksensor (5) zugewandte Stirnseite des Sockels (3) aufgebracht wird, – der Drucksensor (5) auf dem Sockel (3) positioniert und ausgerichtet wird, insb. mittels eines Bestückungsautomaten von oben auf dem Sockel (3) positioniert und ausgerichtet wird, wobei – die Ausnehmung (17) als Positionierhilfe wirkt, die eine Positionierung des Drucksensors (5) bewirkt, bei der eine durch die Sockelmitte verlaufende Längsachse des Sockels (3) durch eine Mitte des Drucksensors (5) führt, und – die Ausrichtung durch Rotation des Drucksensors (5) um eine der Längsachse des Sockels (3) entsprechende Rotationsachse erfolgt, und – die Klebung (21) erzeugt wird, insb. durch ein kleber-spezifisches Aushärteverfahren erzeugt wird, insb. ein Verfahren, bei dem die Anordnung aus Sockel (3), Kleber und Drucksensor (5) auf eine vorgegebene Temperatur aufgeheizt wird oder ein vorgegebenes Temperaturprofil durchläuft.
Verfahren gemäß Anspruch 13 zur Herstellung einer Druckmesseinrichtung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente vor der Montage des Drucksensors (5) auf dem Träger (1) angeordnet wird und die Ausrichtung des Drucksensors (5) anhand einer Ausrichtung der bereits auf dem Träger (1) angeordneten Komponente vorgenommen wird.