DE102015213986A1

DE102015213986A1 - Sensoreinrichtung und Verfahren zum Erfassen von Druck

Info

Publication number: DE102015213986A1
Application number: DE102015213986.7A
Authority: DE
Inventors: Theresa Lutz; Frederik ANTE
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-07-24
Filing date: 2015-07-24
Publication date: 2017-01-26

Abstract

Die vorliegende Erfindung offenbart eine Sensoreinrichtung zur Erfassung von Druck, aufweisend eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode, ein zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnetes erstes Sensorelement, welches ein metallorganisches Gerüst aufweist, und eine Erfassungseinrichtung, welche mit der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode gekoppelt ist und welche ausgebildet ist, eine druckabhängige physikalische Größe des ersten Sensorelements zu erfassen. Ferner offenbart die vorliegende Erfindung ein entsprechendes Verfahren.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Sensoreinrichtung zur Erfassung von Druck und ein entsprechendes Verfahren.
Stand der Technik
Drucksensoren werden heute in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet. Beispielsweise können Drucksensoren in industriellen Anlagen zur Prozessüberwachung eingesetzt werden. Drucksensoren können z.B. auch in Verbrennungsmotoren oder dergleichen Eingesetzt werden. Beispielsweise kann in Diesel-Motoren z.B. der Druck in einer Kraftstoff-Zuführung, auch Common-Rail-System, zu dem Motor überwacht werden. Eine Vielzahl weiterer Anwendungen von Drucksensoren ist ebenfalls möglich.
Heute werden Drucksensoren üblicherweise auf Basis von z.B. Silizium oder Poly-Silizium aufgebaut. Dabei wird eine Membran verwendet, welche sich unter Druck verformt und so eine Widerstandsänderung z.B. von piezoresistiven Strukturen auf der Membran verursacht. Solche Sensoren basieren üblicherweise auf mikroelektromechanischen Strukturen, MEMS.
MEMS-basierte Sensoren werden dabei zum Messen von Drücken bis ca. 1000 Bar verwendet. Bei größeren Drücken ist die Belastung auf die Membran zu stark bzw. die mögliche Druckauflösung zu gering.
Zum Messen sehr hoher Drücke von mehr als 1000 Bar werden daher üblicherweise Dehnmessstreifen, welche in Dünnfilm- bzw. Dickfilmtechnik oder auch mit Halbleitertechnologie hergestellt werden, verwendet. Als Messsignal dient dabei die Widerstandsänderung des Dehnmessstreifens unter Belastung. Solche Sensoren erfordern eine aufwändige Fertigung der Verformkörper, welche den hohen Drücken standhalten müssen.
Ein solcher Drucksensor mit Dehnmessstreifen wird z.B. in der EP 2175252 B1 gezeigt.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung offenbart eine Sensoreinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11.
Demgemäß ist vorgesehen:
Eine Sensoreinrichtung zur Erfassung von Druck, aufweisend eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode, ein zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnetes erstes Sensorelement, welches ein metallorganisches Gerüst aufweist, und eine Erfassungseinrichtung, welche mit der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode gekoppelt ist und welche ausgebildet ist, eine druckabhängige physikalische Größe des ersten Sensorelements zu erfassen.
Ferner ist vorgesehen:
Ein Verfahren zum Erfassen von Druck, aufweisend Anordnen eines ersten Sensorelements, welches ein metallorganisches Gerüst aufweist, zwischen einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode, und Koppeln einer Erfassungseinrichtung, welche ausgebildet ist, eine druckabhängige physikalische Größe des ersten Sensorelements zu erfassen, mit der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode.
Vorteile der Erfindung
Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Erkenntnis besteht darin, dass Verbindungen aus der Materialgruppe der metallorganischen Gerüste zwischen Elektroden als Drucksensoren für hohe Drücke verwendet werden können.
Dazu sieht die vorliegende Erfindung vor, dass ein erstes Sensorelement, welches ein metallorganisches Gerüst aufweist, zwischen zwei Elektroden angeordnet wird. Eine Erfassungseinrichtung wertet eine physikalische Größe des Sensorelements aus, welche von dem auf das Sensorelement wirkenden Druck abhängt.
Metallorganischen Gerüste kombinieren als Hybridmaterial die Vorteile der organischen Chemie, welche theoretisch eine beliebige Selektivität durch Anwendung von Koordinationschemie erlaubt, mit den Vorteilen anorganischer Materialien, welche eine hohe Stabilität hinsichtlich schwieriger Prozessbedingungen ermöglichen. Metallorganische Gerüste bestehen aus metallischen Knotenpunkten (secondary building blocks) und organischen Molekülen (Linkern). Die Koordinationschemie ermöglicht es, ein metallorganisches Gerüst bereitzustellen, welches eine Veränderung der Kristallstruktur unter Einwirkung von Druck aufweist, so dass sich der Abstand zwischen den metallischen Knotenpunkten und den organischen Molekülen ändert. Diese Änderung tritt dabei in einem sehr hohen Druckbereichen, ab ca. 100 Megapascal, auf. Daher eignet sich das metallorganische Gerüst bei geeigneter Anbringung zwischen den zwei Elektroden sehr gut als Sensor für hohe Drücke.
Metallorganische Gerüste weisen keine beweglichen und damit fragilen Strukturen auf. Ferner ist bei metallorganischen Gerüsten keine hochpräzise Herstellung von Strukturen notwendig, da bei Produktionsschwankungen durch einen einfachen Abgleich der Grundkapazität des metallorganischen Gerüsts in der Erfassungseinrichtung, z.B. bei einem vorgegebenen Druck, das Verhalten des metallorganischen Gerüsts bestimmt werden kann.
Da metallorganische Gerüste eine hohe Temperaturstabilität von mehreren hundert Grad Celsius aufweisen, eignen sich diese für Hochtemperaturanwendungen.
Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
In einer Ausführungsform ist die Erfassungseinrichtung ausgebildet, eine Kapazität und/oder einen Widerstand und/oder eine Impedanz und/oder eine Induktivität des ersten Sensorelements zu erfassen und basierend auf der erfassten Kapazität und/oder dem erfassten Widerstand und/oder der erfassten Impedanz und/oder der erfassten Induktivität den auf das erste Sensorelement wirkenden Druck zu berechnen. Dies ermöglicht es, die Auswertung des Sensorelements an unterschiedlichen Anforderungen anzupassen.
In einer Ausführungsform weist die Sensoreinrichtung ein Trägersubstrat auf, auf welchem die erste Elektrode und/oder die zweite Elektrode und/oder das Sensorelement und/oder die Erfassungseinrichtung angeordnet sind. Dies ermöglicht eine stabile Anordnung der Komponenten der Sensoreinrichtung.
In einer Ausführungsform ist die erste Elektrode zwischen dem Trägersubstrat und dem ersten Sensorelement angeordnet und die zweite Elektrode ist über dem ersten Sensorelement angeordnet. Die Elemente sind also als Stapel übereinander angeordnet. Beim Zusammendrücken des metallorganischen Gerüsts durch Druck kann der Gegendruck dabei vom Trägersubstrat bereitgestellt werden. Das Trägersubstrat kann in einer Ausführungsform aus einem Material wie Silizium oder auch anderen Metallen, wie Kupfer, Aluminium oder dergleichen ausgebildet sein. Dadurch hat das Trägersubstrat einen E-Modul von mehr als 80 Gigapascal und ist somit robuster als das metallorganische Gerüst.
In einer Ausführungsform sind die erste Elektrode und die zweite Elektrode und das erste Sensorelement direkt auf dem Trägersubstrat angeordnet. Dabei können die erste Elektrode und die zweite Elektrode in einer Ausführungsform als ineinandergreifende Kammstrukturen ausgebildet sein, zwischen welchen sich das metallorganische Gerüst befindet. Dadurch kann eine alternative Anordnung des Sensorelements bereitgestellt werden.
In einer Ausführungsform weist das Trägersubstrat mindestens eine elektrische Durchkontaktierung auf, welche mit der ersten Elektrode oder der zweiten Elektrode gekoppelt ist. Dies ermöglicht es, das Messsignal von der Oberseite des Trägersubstrats auf die Unterseite zu führen. Beispielsweise kann die Sensoreinrichtung auf ein weiteres Substrat, z.B. eine Keramik oder dergleichen, aufgesetzt werden, welches in ein Gewinde geschraubt werden kann. Damit wird es z.B. möglich, den Druck innerhalb eines bestimmten Systems, z.B. einem Brennraum eines Motors oder Kraftwerks, zu messen, wobei sich die Auswerteelektronik außerhalb dieses Systems befinden kann.
In einer Ausführungsform ist die Erfassungseinrichtung als das Trägersubstrat ausgebildet. In einer Ausführungsform kann das metallorganische Gerüst mit den Elektroden durch Technologien der Halbleitertechnik, wie Sputtern, Aufdampfen, Siebdruck oder dergleichen direkt auf der Erfassungseinrichtung, beispielsweise einem ASIC, aufgebracht werden. Durch die Integration auf einem ASIC ist eine besonders kleine und kostengünstige Fertigung möglich.
In einer Ausführungsform ist das metallorganische Gerüst mit den Elektroden neben der Erfassungseinrichtung auf dem Trägersubstrat angeordnet. Dadurch können die Erfassungseinrichtung und die weiteren Komponenten separat voneinander gefertigt werden.
In einer Ausführungsform ist ein zweites Sensorelement vorgesehen, welches ein metallorganisches Gerüst aufweist und welches parallel oder in Serie zu dem ersten Sensorelement angeordnet ist und mit der Erfassungseinrichtung gekoppelt ist. Dabei kann das zweite Sensorelement auf die gleiche Art ausgewertet werden, wie das erste Sensorelement und auf die gleiche Art, wie oben für das erste Sensorelement beschrieben, angeordnet werden. Dies ermöglicht eine redundante Erfassung des zu erfassenden Drucks oder das Erfassen zweier Drücke.
In einer Ausführungsform ist die Erfassungseinrichtung ausgebildet, eine druckabhängige physikalische Größe des zweiten Sensorelements zu erfassen und basierend auf der druckabhängigen physikalischen Größe des ersten Sensorelements und der druckabhängigen physikalischen Größe des zweiten Sensorelements einen Differenzdruck zu berechnen.
In einer Ausführungsform ist eine dritte Elektrode vorgesehen, welche mit dem zweiten Sensorelement gekoppelt ist, wobei das zweite Sensorelement ferner mit der ersten Elektrode oder der zweiten Elektrode gekoppelt ist. Dies ermöglicht die Verwendung einer der Elektroden für die zwei Sensorelemente.
In einer Ausführungsform weist die Sensoreinrichtung ein Gehäuse auf, welches an dem Trägersubstrat angeordnet ist. Dadurch kann insbesondere das metallorganische Gerüst geschützt werden.
In einer Ausführungsform ist das Gehäuse derart an dem Trägersubstrat angeordnet, dass der Druck innerhalb des Gehäuses erfasst wird. Dies ermöglicht die Verkapselung und damit den Schutz der Sensoreinrichtung im Betrieb.
In einer Ausführungsform ist das Gehäuse derart an dem Trägersubstrat angeordnet, dass der Druck außerhalb des Gehäuses erfasst wird. Dabei kann das Gehäuse z.B. an der Rückseite des Trägersubstrats angeordnet sein. In einer Ausführungsform kann das Gehäuse z.B. als Duroplast ausgebildet sein, welches das Trägersubstrat überdeckt. Dadurch kann ein stabiles Gehäuse bereitgestellt werden, welches z.B. die Erfassungseinrichtung schützen kann, während das sensitive Sensorelement dem Druck ausgesetzt werden kann.
In einer Ausführungsform weist das metallorganische Gerüst eine Drucksensitivität in einem vorgegebenen Druckbereich auf. Dieses metallorganische Gerüst kann z.B. durch eine geeignete Koordinationschemie synthetisiert werden.
In einer Ausführungsform ist das drucksensitive metallorganische Gerüst als Cu₃(1,3,5-benzenetricarboxylate)₂(H₂O)₃ oder Zn(HO₃PC₄H₈PO₃H)·2H2O (bekannt als ZAG-4) oder NH₄[Zn(HCOO)₃] ausgeführt. Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung;
2 ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
3 einen schematischen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung;
4 einen schematischen Querschnitt und eine Aufsicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung;
5 einen schematischen Querschnitt einer Ausführungsform der Sensoreinrichtung in einem möglichen Gehäuse; und
6 einen schematischen Querschnitt einer Ausführungsform der Sensoreinrichtung in einem alternativen Gehäuse.
In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen – sofern nichts Anderes angegeben ist – mit denselben Bezugszeichen versehen worden.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung 1-1.
Die Sensoreinrichtung 1-1 weist eine erste Elektrode 3-1 und eine zweite Elektrode 4-1 auf, zwischen welchen ein erstes Sensorelement 5-1 angeordnet ist, welches ein metallorganisches Gerüst 6 aufweist.
Die erste Elektrode 3-1 und die zweite Elektrode 4-1 sind mit einer Erfassungseinrichtung 7-1 gekoppelt, welche über die erste Elektrode 3-1 und die zweite Elektrode 4-1 eine physikalische Größe 8 des ersten Sensorelements 5-1 erfasst.
Das metallorganische Gerüst 6 ist dabei derart ausgebildet, dass ein auf das metallorganische Gerüst 6 wirkender Druck 2, in 1 durch einen Pfeil auf das erste Sensorelement 5-1 dargestellt, die physikalische Größe 8 messbar verändert. Das metallorganische Gerüst 6 ist in einer Ausführungsform als mikroporöses kristallines Material, welches aus metallischen Knotenpunkten und organischen Linkern besteht, ausgebildet. Das metallorganische Gerüst 6 kombiniert dabei als Hybridmaterial die Vorteile der organischen Chemie, mit welcher eine gewünschte Drucksensitivität, z.B. auch in einem vorgegebenen Druckbereich, eingestellt werden kann, mit den Vorteilen anorganischer Materialien, z.B. Metallen, hinsichtlich deren hoher Stabilität. Somit stellt das metallorganische Gerüst 6 ein geeignetes Materialsystem für Drucksensoren dar. Das metallorganische Gerüst 6 kann dabei derart ausgebildet sein, dass eine messbare Änderung des metallorganischen Gerüsts 6 bzw. der physikalischen Größe 8 erst bei sehr hohen Druckbereichen z.B. von ca. 100MPa, Megapascal, auftritt. Folglich eignet sich das metallorganische Gerüst 6 sehr gut als Hochdrucksensorelement.
Als physikalische Größe 8 kann in einer Ausführungsform eine Kapazität 8 des ersten Sensorelements 5-1 erfasst werden. In weiteren Ausführungsformen können zusätzlich oder alternativ ein Widerstand, eine Impedanz, eine Induktivität oder dergleichen des ersten Sensorelements 5-1 erfasst werden.
In der Erfassungseinrichtung 7-1 kann in einer Ausführungsform z.B. eine Funktion oder eine Kennlinie hinterlegt sein, welche den Zusammenhang zwischen der erfassten physikalischen Größe 8 und dem Druck 2 angibt. Basierend auf der hinterlegten Funktion oder Kennlinie kann die Erfassungseinrichtung 7-1 aus der physikalischen Größe 8 den Druck 2 berechnen.
Die Erfassungseinrichtung 7-1 kann in einer Ausführungsform als anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis 7-1, ASIC, ausgebildet sein, der eine Auswerteschaltung zur Auswertung der physikalischen Größe 8 aufweist. Die Erfassungseinrichtung 7-1 kann in einer Ausführungsform ferner eine Ausgabeschnittstelle aufweisen, welche in 1 nicht explizit dargestellt ist, die je nach Anwendung die Ausgabe eines den Druck 2 kennzeichnenden Wertes z.B. als analoge Spannung, als analoger Strom oder als digitalen Wert, z.B. über einen Datenbus, ermöglicht.
In weiteren Ausführungsformen kann die Erfassungseinrichtung 7-1 auch als Mikrocontroller, Prozessor, konfigurierbarer Logikbaustein oder dergleichen ausgebildet sein. Ferner kann in einer Ausführungsform die Erfassungseinrichtung 7-1 zumindest teilweise z.B. in einem Steuergerät integriert sein, welches in der jeweiligen Anwendung bereits vorhanden ist.
Das Sensorelement 5-1 kann in einer Ausführungsform direkt auf der Erfassungseinrichtung 7-1 angeordnet sein. Beispielsweise kann das Sensorelement 5-1 durch aus der Halbleitertechnik bekannte Verfahren, wie Sputtern, Aufdampfen, Siebdruck oder dergleichen auf der Erfassungseinrichtung 7-1 angeordnet werden. In einer Ausführungsform kann das Sensorelement 5-1 aber auch neben der Erfassungseinrichtung 7-1 auf einem Substrat angeordnet sein.
Die Sensoreinrichtung 1-1 weist keine beweglichen und damit fragilen Strukturen auf und ist somit sehr robust. Ferner ist im Gegensatz zu Dehnungsmessstreifen keine hochpräzise Herstellung kleiner Strukturen notwendig. Produktionsschwankungen können durch einen einfachen Abgleich der Grundkapazität des Sensorelements 5-1, z.B. unter einem vorgegebenen Referenzdruck, ausgeglichen werden.
2 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Erfassen von Druck 2.
Das Verfahren weist das Anordnen, S1, eines ersten Sensorelements 5-1–5-3, welches ein metallorganisches Gerüst 6 aufweist, zwischen einer ersten Elektrode 3-1–3-3 und einer zweiten Elektrode 4-1–4-3 auf. Ferner ist das Koppeln, S2, einer Erfassungseinrichtung 7-1–7-4, welche ausgebildet ist, eine druckabhängige physikalische Größe 8 des ersten Sensorelements 5-1–5-3 zu erfassen, mit der ersten Elektrode 3-1–3-3 und der zweiten Elektrode 4-1–4-3, vorgesehen.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird die physikalische Größe 8 als eine Kapazität, ein Widerstand, eine Impedanz, eine Induktivität oder dergleichen des ersten Sensorelements 5-1–5-3 erfasst.
Basierend auf der erfassten Kapazität, dem erfassten Widerstand, der erfassten Impedanz, der erfassten Induktivität oder dergleichen kann der auf das erste Sensorelement 5-1 wirkende Druck 2 berechnet werden. Dazu können z.B. eine Funktion oder eine Kennlinie hinterlegt sein, welche den Zusammenhang zwischen der erfassten physikalischen Größe 8 und dem Druck 2 angeben und damit die Umrechnung der physikalischen Größe 8 in einen Wert für den auf das metallorganische Gerüst 6 wirkenden Druck 2 ermöglichen.
In einer Ausführungsform kann es gewünscht sein, einen Differenzdruck zu erfassen. Dazu können z.B. zwei Ausführungen der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung 1-1–1-3 mit einer Erfassungseinrichtung 7-1–7-4 gekoppelt werden. Alternativ können auch zwei Erfassungseinrichtungen 7-1–7-4 vorgesehen sein, welche die zwei Sensoreinrichtungen 1-1–1-3 separat auswerten. Die zwei Sensoreinrichtungen 1-1–1-3 können in einer Ausführungsform z.B. auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sein.
3 zeigt einen schematischen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung 1-2. Dabei zeigt 3 eine Schnittansicht durch eine erfindungsgemäße Sensoreinrichtung 1-2.
Die Sensoreinrichtung 1-2 der 3 weist im Gegensatz zu der Sensoreinrichtung 1-1 der 1 drei Elektroden 3-2, 4-2 und 12 auf. Die erste Elektrode 3-2 ist als oberste Platte eines Stapels ausgebildet. Als Sensorelement ist das metallorganischen Gerüst als zweite Platte des Stapels unter der ersten Elektrode 3-2 angeordnet. Schließlich liegen die zweite Elektrode 4-2 und die dritte Elektrode 12 ohne sich zu berühren nebeneinander unter dem Sensorelement.
Dadurch, dass die zweite Elektrode 4-2 und die dritte Elektrode 12 ohne sich zu berühren nebeneinander unter dem Sensorelement liegen, wird das erste Sensorelement 5-2 durch denjenigen Teil des metallorganischen Gerüsts gebildet, welcher über der zweiten Elektrode 4-2 liegt, und das dritte Sensorelement 10 wird durch denjenigen Teil des metallorganischen Gerüsts gebildet, welcher über der dritten Elektrode 12 liegt. Diese Trennung ist durch eine gestrichelte Linie in der Mitte des metallorganischen Gerüsts dargestellt. Diese Anordnung der zweiten Elektrode 4-2 und der dritten Elektrode 12 führt zu einer elektrischen Parallelschaltung der zweiten Elektrode 4-2 und der dritten Elektrode 12 bzw. des das erste Sensorelement 5-2 und des zweiten Sensorelements 10.
Wird ein Druck auf die erste Elektrode 3-2 nach unten ausgeübt, wird das metallorganische Gerüst 10 zusammengedrückt. Dadurch ändert sich die Kapazität zwischen zweiter Elektrode 4-2 und dritter Elektrode 12 (indirekt über die Elektrode 3-2).
Der Stapel aus Elektroden 3-2, 4-2 und 12 und Sensorelementen 5-2 und 10 ist in der Ausführungsform der 3 auf einem Trägersubstrat 9-1 angeordnet, welches z.B. aus einem Material wie Silizium oder auch anderen Metallen, wie Kupfer, Aluminium oder dergleichen ausgebildet sein kann. Dadurch hat das Trägersubstrat 9-1 einen E-Modul von üblicherweise mehr als 80 Gigapascal und ist somit robuster als das metallorganische Gerüst der Sensorelemente 5-2 und 10.
Die Erfassungseinrichtung 7-2 der 3 ist mit der ersten Elektrode 3-2, der zweiten Elektrode 4-2 und der dritten Elektrode 12 gekoppelt und kann auf diese Art die physikalische Größe 8-1 des ersten Sensorelements 5-2 und die physikalische Größe 8-2 des zweiten Sensorelements 10 auslesen. Dadurch kann die Erfassungseinrichtung 7-2 über die sich ändernde Kapazität zwischen der zweiten Elektrode 4-2 und der dritten Elektrode 12 den auf die erste Elektrode 3-2 wirkenden Druck erfassen. Insbesondere kann in einer Ausführungsform der Sensoreinrichtung 1-2 die Verbindung der Erfassungseinrichtung 7-2 mit der ersten Elektrode 3-2 entfallen und der Druck lediglich über die Messung der physikalischen Größe 8-1 des ersten Sensorelements 5-2 und der physikalischen Größe 8-2 des zweiten Sensorelements 10 erfolgen. Beispielsweise kann eine Kapazität zwischen dem ersten Sensorelement 5-2 und dem zweiten Sensorelement 10 erfolgen.
Beim Zusammendrücken des das metallorganische Gerüsts 6 wird der Gegendruck vom Trägersubstrat 9-1 bereitgestellt. Materialien, die für das Trägersubstrat 9-1 verwendet werden können, wie z.B. Silizium oder auch Metalle wie Kupfer oder Aluminium, haben E-Moduli von 80–300 Gigapascal und sind damit robuster als das metallorganische Gerüst. Daher eigenen sich diese Materialien als Trägersubstrat 9-1.
4 zeigt einen schematischen Querschnitt und eine Aufsicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung 1-3.
Die Sensoreinrichtung 1-3 der 4 weist im Gegensatz zu 3 lediglich ein erstes Sensorelement 5-3 auf. Die Elektroden 3-3 und 4-3 sind jeweils kammartig ausgebildet, wobei die Zähne ineinandergreifen. In den Zwischenräumen zwischen den ineinandergreifenden Zähnen ist jeweils das Sensorelement 5-3 in Form eines metallorganischen Gerüsts angeordnet.
In einer Ausführungsform kann die Sensoreinrichtung 1-3 auch eine dritte Elektrode aufweisen und so, ähnlich der 3, zwei Sensorelemente 5-3 bereitstellen. Beispielsweise könnte die kammartige Struktur der zweiten Elektrode 4-3 geteilt sein. Dadurch könnte jeder der zwei Teile als einzelne Elektrode genutzt werden.
5 zeigt einen schematischen Querschnitt einer Ausführungsform der Sensoreinrichtung in einem möglichen Gehäuse 1-4
Die Sensoreinrichtung 1-4 der 5 weist eine Erfassungseinrichtung 7-3 auf, welche gleichzeitig das Substrat bildet, auf welchem das aus den Elektroden 3-1–3-3, 4-1–4-3 und eventuell 10 und dem ersten Sensorelement 5-1–5-3 und eventuell dem zweiten Sensorelement 10 bestehende Sensormodul 14-1 angeordnet ist. Die Erfassungseinrichtung 7-3 selbst ist in der Ausführungsform der 5 auf einer Platine 15-1 angeordnet unter welcher Lotkugeln 16-1–16-n zur Kontaktierung der Erfassungseinrichtung 7-3 dargestellt sind. Die Erfassungseinrichtung 7-3 kann z.B. als ein ASIC ausgebildet sein. In einer Ausführungsform kann das Sensormodul 14-1 auch neben der Erfassungseinrichtung 7-3 angeordnet sein.
In 5 ist die Platine 15-1 mit einem Gehäuse 13-1 derart gekoppelt, dass das Gehäuse 13-1 die auf der Platine angeordnete Erfassungseinrichtung 7-3 mit dem Sensormodul 14-1 überdeckt. Um das Sensormodul 14-1 mit dem außerhalb des Gehäuses 13-1 wirkenden Druck beaufschlagen zu können, weist das Gehäuse 13-1 eine Öffnung 17 auf. In 5 ist das Gehäuse 13-1 lediglich beispielhaft rechteckig dargestellt. Weitere Ausgestaltungen sind ebenfalls möglich. In einer Ausführungsform ist die Geometrie des Gehäuses 13-1 z.B. an den Probenraum bzw. den Druckmessraum angepasst. Dies schützt insbesondere bei Hochdruckmessungen das Gehäuse 13-1.
6 zeigt einen schematischen Querschnitt einer Ausführungsform der Sensoreinrichtung in einem alternativen Gehäuse 1-5.
Die Erfassungseinrichtung 7-4 der 6 weist ebenfalls ein Sensormodul 14-2 auf, welches direkt auf der Erfassungseinrichtung 7-4 angeordnet ist. In 6 ist ebenfalls eine Platine 15-2 vorgesehen, welche die Erfassungseinrichtung 7-4 trägt. Im Gegensatz zu 5 weist die Platine 15-2 allerdings ein Öffnung auf und die Erfassungseinrichtung 7-4 ist derart auf der Platine 15-2 angeordnet, dass das Sensormodul 14-2 in der Öffnung liegt. Das Gehäuse 13-2 ist in 6 derart über der Platine angeordnet, dass diejenige Seite, auf welcher die Erfassungseinrichtung 7-4 liegt von dem Gehäuse bedeckt ist. Dabei ist das Gehäuse 13-2 der 6 als massives Gehäuse 13-2 ausgeführt, welches die Erfassungseinrichtung 7-4 und die Platine 15-2 überzieht. In einer Ausführungsform kann das Gehäuse 13-2 z.B. als Duroplast-Überzug ausgebildet sein.
Anstelle der in 6 ebenfalls dargestellten Lotkugeln 16-1–16-n zur Kontaktierung der Erfassungseinrichtung 7-4 sind weitere Kontaktierungsmöglichkeiten, wie z.B. Bonden, Kontaktfedern oder dergleichen möglich.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2175252 B1 [0006]

Claims

Sensoreinrichtung (1-1–1-5) zur Erfassung von Druck (2), aufweisend: eine erste Elektrode (3-1–3-3); eine zweite Elektrode (4-1–4-3); ein zwischen der ersten Elektrode (3-1–3-3) und der zweiten Elektrode (4-1–4-3) angeordnetes erstes Sensorelement (5-1–5-3), welches ein metallorganisches Gerüst (6) aufweist; und eine Erfassungseinrichtung (7-1–7-4), welche mit der ersten Elektrode (3-1–3-3) und der zweiten Elektrode (4-1–4-3) gekoppelt ist und welche ausgebildet ist, eine druckabhängige physikalische Größe (8) des ersten Sensorelements (5-1–5-3) zu erfassen.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Erfassungseinrichtung (7-1–7-4) ausgebildet ist, eine Kapazität und/oder einen Widerstand und/oder eine Impedanz und/oder eine Induktivität des ersten Sensorelements (5-1–5-3) zu erfassen und basierend auf der erfassten Kapazität und/oder dem erfassten Widerstand und/oder der erfassten Impedanz und/oder der erfassten Induktivität den auf das erste Sensorelement (5-1–5-3) wirkenden Druck (2) zu berechnen.
Sensoreinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, aufweisend: ein Trägersubstrat (9-1–9-4), auf welchem die erste Elektrode (3-1–3-3) und/oder die zweite Elektrode (4-1–4-3) und/oder das Sensorelement und/oder die Erfassungseinrichtung (7-1–7-4) angeordnet sind.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 3, wobei die erste Elektrode (3-1–3-3) zwischen dem Trägersubstrat (9-1–9-4) und dem ersten Sensorelement (5-1–5-3) angeordnet ist und die zweite Elektrode (4-1–4-3) über dem ersten Sensorelement (5-1–5-3) angeordnet ist; oder wobei die erste Elektrode (3-1–3-3) und die zweite Elektrode (4-1–4-3) und das erste Sensorelement (5-1–5-3) direkt auf dem Trägersubstrat (9-1–9-4) angeordnet sind.
Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei das Trägersubstrat (9-1–9-4) mindestens eine elektrische Durchkontaktierung aufweist, welche mit der ersten Elektrode (3-1–3-3) oder der zweiten Elektrode (4-1–4-3) gekoppelt ist.
Sensoreinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche 3 bis 5, wobei die Erfassungseinrichtung (7-1–7-4) als das Trägersubstrat (9-1–9-4) ausgebildet ist.
Sensoreinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei ein zweites Sensorelement (10) vorgesehen ist, welches ein metallorganisches Gerüst (6) aufweist und welches parallel oder in Serie zu dem ersten Sensorelement (5-1–5-3) angeordnet ist und mit der Erfassungseinrichtung (7-1–7-4) gekoppelt ist.
Sensoreinrichtung nach Anspruch 7, wobei die Erfassungseinrichtung (7-1–7-4) ausgebildet ist, eine druckabhängige physikalische Größe (8) des zweiten Sensorelements (10) zu erfassen und basierend auf der druckabhängigen physikalischen Größe (8) des ersten Sensorelements (5-1–5-3) und der druckabhängigen physikalischen Größe (8) des zweiten Sensorelements (10) den Druck (2) zu berechnen.
Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei eine dritte Elektrode (12) vorgesehen ist, welche mit dem zweiten Sensorelement (10) gekoppelt ist und wobei das zweite Sensorelement (10) ferner mit der ersten Elektrode (3-1–3-3) oder der zweiten Elektrode (4-1–4-3) gekoppelt ist.
Sensoreinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche 3 bis 9, aufweisend: ein Gehäuse (13-1–13-2), welches an dem Trägersubstrat (9-1–9-4) angeordnet ist; wobei das Gehäuse (13-1–13-2) derart an dem Trägersubstrat (9-1–9-4) angeordnet ist, dass der Druck (2) innerhalb des Gehäuses (13-1–13-2) erfasst wird; oder wobei das Gehäuse (13-1–13-2) derart an dem Trägersubstrat (9-1–9-4) angeordnet ist, dass der Druck (2) außerhalb des Gehäuses (13-1–13-2) erfasst wird.
Verfahren zum Erfassen von Druck (2), aufweisend: Anordnen (S1) eines ersten Sensorelements (5-1–5-3), welches ein metallorganisches Gerüst (6) aufweist, zwischen einer ersten Elektrode (3-1–3-3) und einer zweiten Elektrode (4-1–4-3); und Koppeln (S2) einer Erfassungseinrichtung (7-1–7-4), welche ausgebildet ist, eine druckabhängige physikalische Größe (8) des ersten Sensorelements (5-1–5-3) zu erfassen, mit der ersten Elektrode (3-1–3-3) und der zweiten Elektrode (4-1–4-3).
Verfahren nach Anspruch 11, aufweisend Erfassen einer Kapazität und/oder eines Widerstands und/oder einer Impedanz und/oder einer Induktivität des ersten Sensorelements (5-1–5-3); und Berechnen des auf das erste Sensorelement (5-1–5-3) wirkenden Drucks (2) basierend auf der erfassten Kapazität und/oder dem erfassten Widerstand und/oder der erfassten Impedanz und/oder der erfassten Induktivität.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 11 und 12, aufweisend: Anordnen eines zweiten Sensorelements (10), welches ein metallorganisches Gerüst (6) aufweist, elektrisch parallel oder in Serie zu dem ersten Sensorelement (5-1–5-3); und Koppeln des zweiten Sensorelements (10) mit der Erfassungseinrichtung (7-1–7-4).
Verfahren nach Anspruch 13, Erfassen einer druckabhängigen physikalischen Größe (8) des zweiten Sensorelements (10).
Verfahren nach Anspruch 14, Berechnen des Drucks (2) basierend auf der druckabhängigen physikalischen Größe (8) des ersten Sensorelements (5-1–5-3) und der druckabhängigen physikalischen Größe (8) des zweiten Sensorelements (10).