DE102017122631A1 - Drucksensor auf keramischen Druckstutzen - Google Patents

Drucksensor auf keramischen Druckstutzen Download PDF

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Abstract

Es wird ein Drucksensor für Relativ- oder Absolutdruckmessung angegeben. Dieser ist mit einem zusätzlichen Heizelement ausgestattet um störende Medien zu verdrängen.

Description

  • Dabei handelt es sich um einen MEMS Drucksensor zum Einsatz in gefrierenden oder hochviskosen Medien, insbesondere zum Einsatz in der Automobiltechnik.
  • Es kommt vor, dass Kondensat, gefrierende oder hochviskose Medien ein Messesignal von Drucksensoren verfälschen. Solche sind unter anderem heiße, viskose, dünnflüssige kalte, wässrige oder ölige Phasen, kalte dickflüssige Öle, gefrorenes Wasser oder Kraftstoff. Die Folgen einer verfälschten Messung können sein: Ungenügende Abgasreinigung, ein Motorschaden oder allgemein ein Schaden an anderen Elementen eines zu überwachenden Prozesses. Durch eine erhöhte Anforderung an die Abgasreinhaltung von Verbrennungsmotoren ist es z.B. notwendig, direkt nach einem Motorkaltstart exakte Druckmessungen durchzuführen.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Drucksensor anzugeben, der bereits zeitnah zum Motorkaltstart eine korrekte Druckmessung durchführen und die Lebensdauer des Drucksensors erhöhen kann.
  • Die Aufgabe wird durch einen Drucksensor gemäß dem vorliegenden Anspruch 1 gelöst. Abhängige Ansprüche geben vorteilhafte Ausführungen an.
  • Zur Lösung der Aufgabe wird ein Drucksensor vorgeschlagen, mit dem es möglich ist relative oder absolute Drücke zu messen. Dieser umfasst ein Gehäuse, welches wiederum eine Gehäusewand umfasst. Die Gehäusewand kann für eine Messung eines Absolutdrucks abgedichtet sein und für eine Messung des Relativdrucks Öffnungen enthalten, um z.B. Atmosphärenbedingungen als Referenzdruck zu verwenden. In dem Gehäuse sind angeordnet: ein Sensorelement und ein Keramiksubstrat.
  • Das Sensorelement ist ein Bauteil mit dem eine druckbedingte Auslenkung einer Membran bestimmt wird. Es kann in verschiedenen technischen Varianten ausgeführt sein: z.B. eine direkte Druckbestimmung über Nutzung Piezoeffekt oder über Messung der Dehnung der Membran mithilfe von z.B. Widerstandselementen. Für die Orientierung des Sensorelements wird im Folgenden die Seite des Sensorelements, an der sich die Membran befindet, als Oberseite des Sensorelements bezeichnet und die gegenüberliegende Seite als Unterseite des Sensorelements.
  • Das Keramiksubstrat dient als Träger für das Sensorelement und dessen elektrischen Anschluss. Der elektrische Anschluss auf dem Keramiksubstrat dient dazu ein Messsignal aus dem Drucksensor zu leiten, wo es extern verarbeitet wird und dem Signal ein Druck zugeordnet wird. Das Sensorelement ist so mit dem Keramiksubstrat verbunden, dass sowohl die Oberseite als auch die Unterseite für verschiedene Medien zugänglich sind. Das Sensorelement kann als MEMS-Bauteil ausgebildet sein.
  • Des Weiteren ist ein Heizelement Bestandteil des Drucksensors. Es kann an verschiedenen Positionen im Drucksensor angebracht sein mit dem Zweck, im Drucksensor eine Betriebstemperatur zu erreichen, die eine exakte Messung erlaubt. Durch das Aufheizen des Drucksensors werden mögliche feste und flüssige Kondensate aufgetaut, ggfs. verdampft und zusammen mit eventuell vorhandenen hochviskosen Medien aus dem Drucksensor ausgetrieben bzw. ausgeheizt. Mit dem Heizelement ist es auch möglich, eine Bildung von Eiskristallen zu verhindern, die das Sensorelement beschädigen oder zerstören können.
  • Der Drucksensor umfasst ein Glas-Keramik-Röhrchen, das an der Unterseite des Sensorelements angeordnet ist. Das Glas-Keramik-Röhrchen dient der Medienzuführung zum Sensorelement und ist durch die Gehäusewand hindurch geführt, wobei das Medium im Inneren des Glas-Keramik-Röhrchens zur Unterseite des Sensorelements transportiert wird, bzw. dort mit dem Sensor in Kontakt treten kann. Der Druck im Medium liegt dann auch am Sensorelement an. Das Medium kann außerhalb des Sensors in einem geschlossenen System eingeschlossen sein. Mit dem Glas-Keramik-Röhrchen ist eine thermische Brücke zwischen dem Sensorelement und dem zu überwachendem System geschaffen und es werden die Medieneigenschafften Druck und Temperatur vom zu messenden System an das Sensorelement übertragen. Das Glas-Keramik-Röhrchen dient der verbesserten Abdichtung der Druckmessung.
  • Der Drucksensor umfasst eine Gelfüllung die in einer Gelbegrenzung auf dem Keramiksubstrat und ist an der Oberseite des Sensorelements angebracht. Die Gelbegrenzung ist ein oben und unten offener Behälter, der mit der Membran des Sensorelements an seiner Oberseite abschließt und von oben mit einem Gel befüllt sein kann. Die Gelfüllung überträgt den Atmosphärendruck vom Inneren des Gehäuses auf die Membran des Sensorelements und erfüllt dabei selbst die Funktion einer Membran. Durch die Gelfüllung wird die Oberseite des Sensorelements geschützt, z.B. vor den Einflüssen von Feuchtigkeit in der Atmosphäre.
  • Das Heizelement kann an vielen verschiedenen Positionen angebracht sein. Diese liegen alle im inneren des Drucksensors und werden im Folgenden in einer nicht erschöpfenden Liste aufgeführt:
    Das Heizelement kann angeordnet sein
    • - in oder auf dem Keramiksubstrat (Positionen A und B), wobei das Heizelement hier vorzugsweise in der Nähe der elektrischen Anschlüsse angebracht ist,
    • - in dem Gehäuse, z.B. innen an der Gehäusewand (Position C), wobei das Heizelement durch Kleben, Klemmen oder Löten in direktem Kontakt zu Bauteilen des Gehäuses steht,
    • - innerhalb der Gehäusewand (Position D),
    • - in oder auf dem Glas-Keramik-Röhrchen (Positionen E und F), oder
    • - auf der Gelbegrenzung (Position G)
  • Die verschiedenen Ausführungen des Heizelements können umfassen: einen leitfähigem Kunststoff, einen z.B. als Mäander geformten Widerstand oder einen Widerstand mit positiven Temperaturkoeffizienten. Der Vorteil einer möglichen Mäanderform des Widerstands ist, dass der Widerstand länger ist und folglich einen höheren Wert hat, was zu einer höheren Heizleistung führt. Mit der Verwendung eines Widerstands mit positiven Temperaturkoeffizienten ist eine externe Regelung einer Heizleistung des Heizelements nicht mehr nötig.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist das Heizelement in das Gehäuse des Sensors integriert und kann Mikrowellen ausstrahlen, mit denen die zu messenden Medien erhitzt werden. Dadurch findet die Erwärmung direkt im Medium statt und es kommt zu einer optimaleren Nutzung der Heizleistung.
  • Eine Zuführung der Heizleistung kann über verschiedene Wege stattfinden. Dabei gibt es z.B. die Möglichkeit über die Stromzufuhr des Drucksensors, als auch die Variante einer zusätzlichen und vom Sensorelement unabhängigen Stromversorgung. Die Separation der Energieversorgung hat den Vorteil, dass die Messsignale nicht beeinträchtigt werden.
  • Neben dem beschriebenen Heizelement kann der Drucksensor ein weiteres Heizelement in einer der erläuterten Bauformen umfassen. Dieses kann an einer der beschriebenen Positionen angebracht sein, die aber von der Position des ersten Heizelementes verschieden ist. Durch den Einsatz mehrerer Heizelemente kann der Drucksensor homogener und somit effizienter aufgeheizt werden.
  • Im Folgenden werden die Erfindung und ihre Komponenten anhand einer Auswahl von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen schematischen Figuren näher erläutert.
    • 1 zeigt die schematische Schnittansicht eines Drucksensors mit verschiedenen Positionen für ein oder mehrere Heizelemente und deren relativen Bezug zu anderen Komponenten des Drucksensors.
    • 2 zeigt die schematische Schnittansicht eines Sensorelements.
  • Die in 1 gezeigte Schnittansicht zeigt den schematischen Aufbau eines Drucksensors. Dieser weist ein Gehäuse GH umfassend eine Gehäusewand GW auf, ein innerhalb des Gehäuses befindliches Keramiksubstrat KS, ein in das Keramiksubstrat eingebettetes Sensorelement SE, ein Glas-Keramik-Röhrchen GR an der Unterseite des Sensorelements und eine Gelfüllung GF in einer Gelbegrenzung GB an der Oberseite des Sensorelements. Außerdem sind mehrere verschiedene Varianten zur möglichen Positionierung eines oder mehrerer Heizelemente A bis G eingezeichnet. Die eingezeichneten beispielhaften Anbringungsorte des Heizelements sind wie folgt: Das Heizelement kann
    • - in oder auf dem Keramiksubstrat (Positionen A und B),
    • - in dem Gehäuse, z.B. innen an der Gehäusewand (Position C),
    • - innerhalb der Gehäusewand (Position D),
    • - in oder auf dem Glas-Keramik-Röhrchen (Positionen E und F), oder
    • - auf der Gelbegrenzung (Position G)
    angeordnet sein.
  • Alle Darstellungen der Positionen des Heizelements sind rein schematisch und stehen in keinem Maßstab zu einander oder zu der Größe der jeweilig dargestellten Bauteile.
  • 2 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht des Sensorelements SE. Hier ist eine Membran des Sensorelements MS zu erkennen, die hier die Oberseite OS des Sensorelements bildet. Der Oberseite gegenüberliegend ist eine Unterseite US des Sensorelements angeordnet, in der sich ein Mediengang MG zur Membran des Sensorelements MS befindet.
  • Die in 1 und 2 dargestellte Form des Sensorelements ist nur beispielhaft. Es können auch andere Formen oder Materialien zur Konstruktion eines Sensorelements verwendet werden.
  • Bezugszeichenliste
    • A
    Heizelement auf Keramiksubstrat
    B
    Heizelement in Keramiksubstrat
    BL
    Belüftung
    C
    Heizelement im Gehäuse
    D
    Heizelement in Gehäusewand
    DZ
    Druckzufuhr
    E
    Heizelement in Glas-Keramik Röhrchen
    F
    Heizelement auf Glas-Keramik Röhrchen
    G
    Heizelement auf der Gelbegrenzung
    GB
    Gelbegrenzung
    GF
    Gelfüllung
    GH
    Gehäuse
    GR
    Glas-Keramik-Röhrchen
    GW
    Gehäusewand
    KS
    Keramiksubstrat
    MG
    Mediengang
    MS
    Membran des Sensorelements
    OS
    Oberseite des Sensorelements
    SE
    Sensorelement
    US
    Unterseite des Sensorelements

Claims (13)

  1. Drucksensor zur Bestimmung von Relativ- oder Absolutdruck umfassend, - ein Gehäuse (GH), umfassend eine Gehäusewand (GW), darin angeordnet - ein Sensorelement (SE) - ein Keramiksubstrat (KS), das als Träger des Sensorelements und dessen elektrischen Anschluss dient, sowie - ein Heizelement das im Inneren des Gehäuses oder der Gehäusewand (GW) angeordnet ist.
  2. Drucksensor nach dem vorherigen Anspruch, wobei das Heizelement in einer Position (A) auf oder einer Position (B) in dem Keramiksubstrat (KS) angeordnet ist.
  3. Drucksensor nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das Heizelement im Inneren des Gehäuses (C) oder in der Gehäusewand (D) angeordnet ist.
  4. Drucksensor nach einem der vorherigen Ansprüche, der ein Glas-Keramik-Röhrchen (GR) zur Zuführung eines Mediums umfasst, das an der Unterseite des Sensorelements (US) angebracht ist.
  5. Drucksensor nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Sensorelement so mit dem Keramiksubstrat (KS) verbunden ist, dass an der Oberseite (OS) und an der Unterseite (US) des Sensorelements (SE) jeweils unterschiedliche Medien anliegen.
  6. Drucksensor nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Heizelement in (E) oder auf (F) dem Glas-Keramik-Röhrchen (GR) angeordnet ist, das sich zur Medienzuführung an der Unterseite des Sensorelements (SE) befindet.
  7. Drucksensor nach einem der vorherigen Ansprüche, der eine Gelfüllung (GF) mit Gelbegrenzung (GB) als Schutz einer Membran (MS) auf der Oberseite (OS) des Sensorelements (SE) aufweist, wobei das Heizelement auf der Gelbegrenzung angeordnet ist (Position G).
  8. Drucksensor nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Heizelement einen elektrisch leitfähigen Kunststoff umfasst.
  9. Drucksensor nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Heizelement ein Widerstandselement umfasst, das über einen positiven Temperaturkoeffizienten verfügt.
  10. Drucksensor nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Heizelement in Teilen der Gehäusewand integriert ist (D) und zum Erzeugen einer Mikrowellenstrahlung geeignet ist.
  11. Drucksensor nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Heizelement, mit einer vom Drucksensor separierten, Stromversorgung ausgestattet ist.
  12. Drucksensor nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Sensorelement als MEMS Bauteil ausgebildet ist.
  13. Drucksensor nach einem der vorherigen Ansprüche, mit einem weiteren Heizelement, das an einem vom ersten Heizelement verschiedenen Ort angeordnet ist und einem der Ansprüche 2 bis 8 genügt.
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