DE102018206477B3 - Vorrichtung zur Abdichtung zweier mit unterschiedlichen Fluiden gefüllter Räume bei einer MEMS-Sensoranordnung - Google Patents

Vorrichtung zur Abdichtung zweier mit unterschiedlichen Fluiden gefüllter Räume bei einer MEMS-Sensoranordnung Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abdichtungsvorrichtung zur Abdichtung eines mit einem Fluid gefüllten Raums bei einer MEMS-Sensoranordnung, umfassend eine Dichteinrichtung wobei die Dichteinrichtung einen Kanal umfasst, der mit dem einen Raum verbunden ist, und wobei in dem Kanal ein Dichtelement zur Abdichtung des Kanals angeordnet ist derart, dass der Kanal und/oder das Dichtelement derart ausgebildet sind, sodass das Dichtelement im Kanal durch eine mechanische Klemmung abdichtend festgelegt ist.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abdichtungsvorrichtung zur Abdichtung eines mit einem Fluid gefüllten Raums bei einer MEMS-Sensoranordnung.
  • Die Erfindung betrifft weiter einen Drucksensor, insbesondere zum Einsatz in Klimaanlagen oder dergleichen, vorzugsweise in Fahrzeugen.
  • Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zur Abdichtung eines mit einem Fluid gefüllten Raums bei einer MEMS-Sensoranordnung.
  • Stand der Technik
  • Obwohl die vorliegende Erfindung allgemein auf beliebige Fluide anwendbar ist, wird die vorliegende Erfindung in Bezug auf Öl als erstes Fluid und Luft als zweites Fluid erläutert.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung allgemein auf beliebige Sensoranordnungen anwendbar ist, wird die vorliegende Erfindung in Bezug auf Drucksensoren erläutert.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung allgemein auf beliebigen Gebieten einsetzbar ist, wird die vorliegende Erfindung in Bezug auf Fahrzeug-Klimaanlagen erläutert.
  • Fahrzeug-Klimaanlagen erhöhen den Komfort von Fahrzeuginsassen, insbesondere in den Sommermonaten, indem sie die Innentemperatur des Fahrzeugs bei starker Sonneneinstrahlung senken. Hierzu wird in der Fahrzeug-Klimaanlage ein Kältemittel eingesetzt. Bekannte Fahrzeug-Klimaanlagen umfassen dabei auch Drucksensoren zur Messung des Drucks des Kältemittels der Klimaanlage im Fahrzeug, um Leckagen detektieren zu können. Bei bereits bekannten Drucksensoren wird das beispielsweise auf einer Leiterplatte befindliche Drucksensorelement zum Kühlmedium durch eine sogenannte Ölvorlage physisch getrennt, um das Sensorelement durch Einwirkungen des Kältemittels zu schützen. Die Ölvorlage wird dabei mit Öl befüllt und anschließend dicht verschlossen.
  • Die Druckschrift US 2003/0152463 A1 zeigt eine selbstansaugende Mikropumpe, umfassend eine Abdichtungsvorrichtung zur Abdichtung eines mit einem Fluid gefüllten Raums bei einer MEMS-Sensoranordnung.
  • Die Druckschrift US 2004/0016898 A1 zeigt ein Mikrokugelventil für eine Mikrofluidvorrichtung, umfassend einen konisch ausgeführten Kanal, in dem ein kugelförmiges Dichtelement angeordnet ist, so dass das Dichtelement im Kanal durch eine mechanische Klemmung abdichtend festgelegt ist.
  • Weitere Abdichtungen eines Fluids gegenüber einem Außenraum sind aus den Schriften AU 726 966 B2 , DE 10 2015 203 779 A1 , DE 10 2012 213 917 A1 und US 2015/0298034 A1 bekannt.
  • Mit der vorliegenden Erfindung soll eine Abdichtungsvorrichtung geschaffen werden, die einen mit einem Fluid gefüllten Raum in einer Sensoranordnung abdichtet.
  • Offenbarung der Erfindung
  • In einer Ausführungsform stellt die Erfindung eine Abdichtungsvorrichtung zur Abdichtung eines mit einem Fluid gefüllten Raums bei einer MEMS-Sensoranordnung bereit, umfassend eine Dichteinrichtung, wobei die Dichteinrichtung einen Kanal umfasst, der mit dem einen Raum verbunden ist, und wobei in dem Kanal ein Dichtelement zur Abdichtung des Kanals angeordnet ist derart, dass der Kanal und/oder das Dichtelement derart ausgebildet sind, sodass das Dichtelement im Kanal zumindest durch eine mechanische Klemmung abdichtend festgelegt ist.
  • In einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung einen Drucksensor, insbesondere zum Einsatz in Klimaanlagen oder dergleichen, vorzugsweise in Fahrzeugen, bereit, umfassend ein Sensorelement, welches in einem Raum angeordnet ist und von einem Fluid zumindest teilweise umgeben ist, und wobei der Raum mittels einer Dichteinrichtung abgedichtet ist, und wobei die Dichteinrichtung einen Kanal umfasst, der mit dem Raum verbunden ist, und wobei in dem Kanal ein Dichtelement zur Abdichtung des Kanals angeordnet ist derart, dass der Kanal und/oder das Dichtelement derart ausgebildet sind, sodass das Dichtelement im Kanal zumindest durch eine mechanische Klemmung abdichtend festgelegt ist.
  • In einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung ein Verfahren zur Abdichtung zweier mit unterschiedlichen Fluiden gefüllter Räume bei einer MEMS-Sensoranordnung bereit, umfassend die Schritte:
    • - Bereitstellen einer Fluid-Verbindung zu einem geschlossenen Raum,
    • - Anordnen einer Dichteinrichtung in der Fluid-Verbindung, wobei die Dichteinrichtung einen Kanal umfasst, der mit dem Raum verbunden ist,
    • - Einführen eines Dichtelements in den Kanal und
    • - Festlegen des Dichtelements im Kanal zur Abdichtung des Kanals zumindest durch eine mechanische Klemmung.
  • Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass trotz des üblicherweise begrenzten Bauraums bei einer MEMS-Sensoranordnung eine äußerst dichte Verbindung zwischen zwei Räumen beziehungsweise ein äußerst dichter Verschluss eines Raums erreicht werden kann, die gegenüber dem bisher bekannten reinen Einpressen eines Dichtelements wesentlich dichter ist. Ein weiterer Vorteil ist, dass eine einfache und gleichzeitig kostengünstige Abdichtung bereitgestellt werden kann, da auf weitere Zusatzprozesse für das Verschließen bzw. Abdichten verzichtet werden kann.
  • Weitere Merkmale, Vorteile und weitere Ausführungsformen der Erfindung sind im Folgenden beschrieben oder werden dadurch offenbar:
    • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung sind der Kanal und das Dichtelement so ausgebildet, dass das Dichtelement im Kanal durch einen zumindest teilweisen Formschluss abdichtend festgelegt ist. Vorteil hiervon ist, dass damit eine einfache und gleichzeitig äußerst zuverlässige Festlegung des Dichtelements und damit eine zuverlässige und dauerhafte Abdichtung ermöglicht wird.
    • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Wandstärke des Kanals zur Ausbildung des zumindest teilweisen Formschlusses ausgebildet. Damit ist eine einfache und gleichzeitig kostengünstige Ausbildung des Kanals bei gleichzeitig zuverlässiger Abdichtung durch das Dichtelement möglich.
    • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist das Dichtelement eine kleinere Elastizität auf, als zumindest der dem Dichtelement benachbarte Abschnitt des Kanals. Damit wird ein einfaches Einführen oder Einpressen des Dichtelements in den Kanal sichergestellt, da dieses härter ausgeführt wird als der Kanal an der entsprechenden Festlegestelle des Dichtelements.
    • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist das Dichtelement aus Metall, insbesondere Stahl, und/oder der Kanal aus Kunststoff hergestellt. Damit wird auf besonders einfache Weise ein Einführen und Festlegen des Dichtelements im Kanal ermöglicht. Gleichzeitig kann der Kanal äußerst kostengünstig, beispielsweise durch Spritzgießen, hergestellt werden.
    • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist der Kanal in den dem Dichtelement benachbarten Bereich eine Aussparung zur zumindest teilweisen Aufnahme des Dichtelements auf. Damit ist eine noch zuverlässigere Festlegung möglich, da beispielsweise durch die entsprechende Aussparung bzw. Freistich der Formschluss des Dichtelements mit dem Kanal unterstützt werden kann.
    • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist das Dichtelement in Form einer Kugel ausgebildet und der Kanal weist im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt auf. Damit ist eine einfache und kostengünstige Herstellung des Kanals sowie Einbringen des Dichtelements möglich.
    • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist die Dichteinrichtung eine an das Dichtelement angepasste Einführfase auf, die insbesondere trichterförmig ausgebildet ist. Vorteil hiervon ist eine besonders einfache Einbringung bzw. Einführung des Dichtelements in den Kanal möglich. Ist beispielsweise das Dichtelement als Kugel ausgebildet, kann die Einführfase als Trichter mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildet sein.
    • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist der Durchmesser der Kugel größer als der Durchmesser des Kanals. Damit wird auf besonders einfache Weise eine mechanische Klemmung und eine formschlüssige Verbindung erreicht.
  • Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen, und aus dazugehöriger Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Bevorzugte Ausführungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile oder Elemente beziehen.
  • Dabei zeigen in schematischer Form
    • 1 eine Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Querschnitt;
    • 2 einen Teil eines Drucksensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Querschnitt; und
    • 3 Schritte eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 1 zeigt eine Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Querschnitt.
  • Im Detail ist in 1 eine Vorrichtung 1 zur Abdichtung zweier mit unterschiedlichen Fluiden gefüllter Räume 2, 3 gezeigt. Die Räume 2, 3 sind über einen Kanal 5 einer Dichteinrichtung 4 fluidisch miteinander verbunden. In den Kanal 5 ist eine Kugel 6 eingeführt, deren Durchmesser 10 größer ist als der Innendurchmesser 11 des Kanals 5. Die Kugel 6 ist dabei aus Metall, der Kanal 5 aus Kunststoff hergestellt. Die Wandstärke 5' des Kanals 5 ist dabei so gewählt beziehungsweise dieser so ausgebildet, dass ein Teil einer elastischen Verformung des Kanals 5 im Bereich 5a der Position der Kugel 6 ermöglicht wird. Dadurch wird eine Relaxation des Kunststoffs, also ein Zurückschrumpfen des Kanals 5 nach Einführen der Kugel 6 ermöglicht, was einen Formschluss der Kugel 6 mit dem Kanal 5 bereitstellt. Zusätzlich kann zur Unterstützung des Formschlusses eine Aussparung 7, beispielsweise kreissegmentförmig ausgebildet, im Bereich 5a der gewünschten Festlegeposition der Kugel 6 im Kanal 5 angeordnet werden. Diese Aussparung 7 ermöglicht, dass die Kugel 6 bei Druckbeaufschlagung zusätzlich in ihrer axialen Position innerhalb des Kanals 5 gehalten wird.
  • Am oberen Ende des Kanals 5 in 1 ist eine Einführfase 8 angeordnet, welche trichterförmig ausgebildet ist und die dazu dient, ein einfaches Einführen der Kugel 6 in den Kanal 5 bereitzustellen. Hierbei beträgt der Winkel der trichterförmigen Einführfase 8 circa 45°, wobei die Höhe des Trichters, also parallel zur Achse des Kanals 5 circa 25% bezogen auf die Gesamtlänge des Kanals 5 beträgt. Die Einpresstiefe der Kugel 6 in den Kanal 5 beträgt hierbei circa 50 % der Gesamtlänge des Kanals 5. Die Wandstärke 5' im Verhältnis zum Innendurchmesser 11 beträgt dabei ca. 33 %. Insgesamt kann jede der Angaben je nach Anforderungen beispielsweise hinsichtlich Materialien oder dergleichen entsprechend angepasst oder abgeändert werden. Hier können jeweils Abweichungen von bis zu jeweils 75%, insbesondere bis zu 50%, vorzugsweise bis zu 25% erfolgen.
  • 2 zeigt einen Teil eines Drucksensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Querschnitt.
  • Im Detail ist in 2 nun die Vorrichtung 1 gemäß 1 in einem Ölvorlagenmodul 100' eines Drucksensors 100 angeordnet gezeigt. Im Einzelnen ist ein Ölrahmen 102 angeordnet, der einen Raum 2 umfasst, der als Ölreservoir genutzt wird. Mit diesem Raum 2 ist einerseits ein Sensorelement in Form eines PorSi-Chips 101 verbunden, - PorSi bezeichnet poröses Silizium - andererseits ist auf der dem Sensorelement 101 abgewandten Seite des Raums 2 zur Abdichtung desselben eine Dichteinrichtung 4 angeordnet, die einen Kanal 5 umfasst, welcher mit einer Kugel 6 aus Stahl verschlossen ist und so den Raum 2, das Ölreservoir, gegenüber einem zweiten Raum 3 abdichtet.
  • 3 zeigt Schritte eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Im Detail ist in 3 ein Verfahren zur Abdichtung zweier mit unterschiedlichen Fluiden gefüllten Räume bei einer MEMS-Sensoranordnung gezeigt.
  • In einem ersten Schritt S1 erfolgt ein Bereitstellen einer Fluid-Verbindung zu einem geschlossenen Raum. In einem zweiten Schritt S2 erfolgt ein Anordnen einer Dichteinrichtung in der Fluid-Verbindung, wobei die Dichteinrichtung einen Kanal umfasst, der mit dem Raum verbunden ist. In einem dritten Schritt S3 erfolgt ein Einführen eines Dichtelements in den Kanal. In einem vierten Schritt S4 erfolgt ein Festlegen des Dichtelements im Kanal zur Abdichtung des Kanals durch eine mechanische Klemmung.
  • Zusammenfassend weist zumindest eine der Ausführungsformen der Erfindung zumindest einen der folgenden Vorteile auf:
    • • Physische Trennung von einem Sensorelement und einem Kühlmedium.
    • • Kostengünstige Herstellung.
    • • Realisierung eines Drucksensors mit PorSi-Sensorelement für Klimaanlagen
    • • Einfache zuverlässige Abdichtung
    • • Dauerhafte Abdichtung
  • Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.

Claims (10)

  1. Abdichtungsvorrichtung (1) zur Abdichtung eines mit einem Fluid gefüllten Raums (2) bei einer MEMS-Sensoranordnung, umfassend eine Dichteinrichtung (4) wobei die Dichteinrichtung (4) einen Kanal (5) umfasst, der mit dem einen Raum (2) verbunden ist, und wobei in dem Kanal (5) ein Dichtelement (6) zur Abdichtung des Kanals (5) angeordnet ist derart, dass der Kanal (5) und/oder das Dichtelement (6) derart ausgebildet sind, sodass das Dichtelement (6) im Kanal (5) durch eine mechanische Klemmung dauerhaft abdichtend festgelegt ist, wobei der Kanal (5) in dem dem Dichtelement (6) benachbarten Abschnitt (5a) eine Aussparung (7) zur teilweisen Aufnahme des Dichtelements (6) aufweist.
  2. Abdichtungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Kanal (5) und das Dichtelement (6) so ausgebildet sind, dass das Dichtelement (6) im Kanal (5) durch einen zumindest teilweisen Formschluss abdichtend angeordnet ist.
  3. Abdichtungsvorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei die Wandstärke (5') des Kanals (5) zur Ausbildung des zumindest teilweisen Formschlusses festgelegt ist.
  4. Abdichtungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1-3, wobei das Dichtelement (6) eine kleinere Elastizität aufweist, als zumindest der dem Dichtelement (6) benachbarte Abschnitt (5a) des Kanals (5).
  5. Abdichtungsvorrichtung gemäß Anspruch 4, wobei das Dichtelement (6) aus Metall, insbesondere Stahl, und/oder der Kanal (5) aus Kunststoff hergestellt ist.
  6. Abdichtungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1-5, wobei das Dichtelement (6) in Form einer Kugel ausgebildet ist und der Kanal (5) im Wesentlichen einen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
  7. Abdichtungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1-6, wobei die Dichteinrichtung (4) eine an das Dichtelement (6) angepasste Einführfase aufweist, die insbesondere trichterförmig ausgebildet ist.
  8. Abdichtungsvorrichtung gemäß Anspruch 6, wobei der Durchmesser (10) der Kugel (6) größer ist als der Durchmesser (11) des Kanals (5).
  9. Drucksensor (100), insbesondere zum Einsatz in Klimaanlagen oder dergleichen, vorzugsweise in Fahrzeugen, umfassend ein Sensorelement (101), welches in einem Raum (2) angeordnet ist und von einem Fluid (102) zumindest teilweise umgeben ist, und wobei der Raum (2) mittels einer Dichteinrichtung (4) abgedichtet ist, und wobei die Dichteinrichtung (4) einen Kanal (5) umfasst, der mit dem Raum (2) verbunden ist, und wobei in dem Kanal (5) ein Dichtelement (6) zur Abdichtung des Kanals (5) angeordnet ist derart, dass der Kanal (5) und/oder das Dichtelement (6) derart ausgebildet sind, sodass das Dichtelement (6) im Kanal (5) durch eine mechanische Klemmung dauerhaft abdichtend festgelegt ist, wobei der Kanal (5) in dem dem Dichtelement (6) benachbarten Abschnitt (5a) eine Aussparung (7) zur teilweisen Aufnahme des Dichtelements (6) aufweist.
  10. Verfahren zur dauerhaften Abdichtung zweier mit unterschiedlichen Fluiden gefüllter Räume in einer MEMS-Sensoranordnung, umfassend die Schritte: - Bereitstellen (S1) einer Fluid-Verbindung (5) zu einem geschlossenen Raum (2), - Anordnen (S2) einer Dichteinrichtung (4) in der Fluid-Verbindung (5), wobei die Dichteinrichtung (4) einen Kanal (5) umfasst, der mit dem Raum (2) verbunden ist, und - Einführen (S3) eines Dichtelements (6) in den Kanal (5), - Festlegen (S4) des Dichtelements (6) im Kanal (5) zur Abdichtung des Kanals (5) durch eine mechanische Klemmung.
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