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Stand der Technik
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Im Stand der Technik sind Drucksensoren bekannt, die beispielsweise zum Schutz des Drucksensorelementes vor aggressiven Substanzen eine sogenannte Ölvorlage verwenden. Bei diesen Drucksensoren wird der an einem Druckanschluss anstehende zu messende Druck zunächst über eine Trennmembran auf ein Druckübertragungsmedium, beispielsweise ein Öl, übertragen. Das Druckübertragungsmedium füllt einen Innenraum eines Gehäuses des Drucksensors. Der Druck des Druckübertragungsmediums wirkt auf ein Drucksensorelement ein, bei dem es sich beispielsweise um einen Silizium-Halbleiterchip mit einer dünnen Messmembran handeln kann. Derartige Drucksensoren sind beispielsweise aus der
DE 10 2008 954 382 A1 bekannt. Bei den bekannten Drucksensoren ist die Trennmembran auf einer Außenseite des Druckanschlusses und daher auf einer von dem Trägersubstrat abgewandten Seite des Gehäuses angeordnet.
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In vielen Fällen weist das Druckübertragungsmedium einen anderen thermischen Ausdehnungskoeffizienten als das Material des Gehäuses auf. Bei Temperaturwechselbelastungen kann sich daher das Druckübertragungsmedium stärker als das Gehäuse beziehungsweise ein das Druckübertragungsmedium umgebender Innenraum des Gehäuses ausdehnen. Dieses Verhalten kann eine zusätzliche Ausdehnung der Trennmembran hervorrufen. Da die Trennmembran aus einem elastischen Material gefertigt ist, resultiert aus dieser Auslenkung eine Rückstellkraft, welche die Trennmembran gegen den Druck des Druckübertragungsmediums in Richtung ihrer Ausgangslage beaufschlagt, woraus wiederum eine Druckerhöhung in dem Druckübertragungsmedium resultiert, die in an sich unerwünschter Weise als Fehlsignal auf das Drucksensorelement einwirkt. Der Fehler ist umso größer, je größer das Volumen des mit dem Druckübertragungsmedium gefüllten Innenraumes in dem Gehäuse ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung befasst sich mit einem Drucksensor zur Bestimmung eines Drucks eines fluiden Mediums, bei dem es sich um eine Flüssigkeit oder ein Gas handeln kann. Der Drucksensor weist ein Trägersubstrat mit einem auf einer ersten Seite des Trägersubstrats angeordneten Drucksensorelement, einem mit einem Druckanschuss versehenen Gehäuse, in dem das Trägersubstrat mit dem Drucksensorelement angeordnet ist, einen mit einem das Drucksensorelement beaufschlagenden Druckübertragungsmedium gefüllten Innenraum in dem Gehäuse sowie eine Trennmembran auf, die den Innenraum des Gehäuses von dem Druckanschluss trennt. Erfindungsgemäß ist die Trennmembran auf eine dem Trägersubstrat zuweisende Innenseite des Gehäuses aufgebracht.
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Vorteile der Erfindung
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Dadurch, dass die Trennmembran auf einer dem Trägersubstrat zuweisenden Innenseite des Gehäuses des Drucksensors aufgebracht ist, kann das Volumen des mit dem Druckübertragungsmedium gefüllten Innenraums über dem Drucksensorelement stark verkleinert werden. Die Trennmembran kann vorteilhaft wesentlich näher an dem Drucksensorelement positioniert werden, so dass verhältnismäßig wenig Druckübertragungsmedium benötigt wird. Vorteilhaft kann somit ein aus den unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten von Druckübertragungsmedium und Gehäusematerial resultierender Messfehler erheblich verkleinert werden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung werden durch die in den abhängigen Ansprüchen enthaltenen Merkmale ermöglicht.
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Die Herstellung des Drucksensors kann vereinfacht werden, wenn das Gehäuse ein erstes Gehäuseteil aufweist, das auf die erste Seite des Trägersubstrats insbesondere aufgeklebt ist, und dass das erste Gehäuseteil an der Innenseite eine dem Trägersubstrat zuweisende Innenfläche aufweist, an der die Trennmembran befestigt ist. Bei der Montage kann die Trennmembran in einfacher Weise auf die Innenfläche aufgeklebt werden. Sodann kann das Trägersubstrat auf die erste Seite aufgebracht werden. Vorteilhaft kann die Auftragung des Klebers für die Trennmembran und des Klebers für die Klebeverbindung zwischen dem ersten Gehäuseteil und dem Trägersubstrat in einem gemeinsamen Fertigungsschritt durchgeführt werden, da beide Klebeflächen beispielswiese mit einem Flüssigkleber auf die gleiche Seite des Gehäuseteils aufgetragen werden können
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Der mit dem Druckübertragungsmedium gefüllte Innenraum kann vorteilhaft durch einen Raum zwischen der mit der Trennmembran versehenen Innenfläche des ersten Gehäuseteils und der ersten Seite des Trägersubstrats gebildet werden. Dieser Raum kann vorteilhaft relativ klein ausgelegt werden, so dass sich die Trennmembran in großer Nähe zu dem Drucksensorelement befindet und das gesamte Volumen des in dem Innenraum enthaltenen Druckübertragungsmediums insgesamt recht klein wird. In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel weist das erste Gehäuseteil an der Innenseite eine Absenkung auf, wobei die Absenkung eine einen Druckkanal des Gehäuseteils umlaufende Schulter aufweist, an der die Innenfläche ausgebildet ist. Durch die Tiefe der Absenkung können die Ausmaße des Innenraumes in einfacher Weise festgelegt werden.
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Der Druckanschluss kann einen Druckkanal aufweisen, der in einfach Weise den Außenraum mit einer von dem Trägersubstrat abgewandten Seite der Trennmembran verbindet. Besonders vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang, wenn der Druckkanal an einem Ende einen im Durchmesser vergrößerten Abschnitt aufweist, welcher unmittelbar an die Trennmembran angrenzt, wobei ein Innendurchmesser des im Durchmesser vergrößerten Abschnitts mindestens halb so groß wie ein Außendurchmesser der Trennmembran ist. Dadurch wird erreicht, dass im Unterschied zu den herkömmlichen Drucksensoren vorteilhaft eine relativ große Trennmembran eingesetzt werden kann, die über den Druckkanal mit dem zu messenden Druck beaufschlagt wird. Bei einer relativ großen Trennmembran verringert sich der aus den Rückstellkräften resultierende Messfehler nochmals.
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Das Gehäuse kann weiterhin einen in den Druckanschluss einmündenden Einfüllkanal für den mit dem Druckübertragungsmedium gefüllten Innenraum aufweisen. In diesem Fall kann das Druckübertragungsmedium in einfacher Weise über den Druckstutzen in den Innenraum gefüllt werden. Der Einfüllkanal kann mit einem Verschlussmittel verschlossen werden.
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Weiterhin vorteilhaft ist ein Verfahren zur Herstellung eines Drucksensors mit den folgenden Schritten:
- - Bereitstellen eines Trägersubstrats mit einem auf einer ersten Seite des Trägersubstrats angeordneten Drucksensorelement,
- - Bereitstellen eines mit einem Druckanschuss versehenen ersten Gehäuseteils, das eine Innenseite aufweist
- - Aufbringen einer Trennmembran auf die Innenseite des ersten Gehäuseteils,
- - Anordnen des Trägersubstrats mit der ersten Seite auf der mit der Trennmembran versehenen Innenseite des ersten Gehäuseteils derart, dass zwischen der ersten Seite des Trägersubstrats und der Innenseite des ersten Gehäuseteils ein das Drucksensorelement bergender Innenraum besteht,
- - Auffüllen des Innenraumes mit einem Druckübertragungsmedium durch einen Einfüllkanal des ersten Gehäuseteils und
- - Verschließen des Einfüllkanals mit einem Verschlussmittel.
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Figurenliste
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Es zeigt:
- 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drucksensors.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drucksensors 1. Der Drucksensor 1 umfasst ein zweiteiliges Gehäuse 10, welches ein erstes Gehäuseteil 2 und ein zweites Gehäuseteil 4 aufweisen kann. Das erste Gehäuseteil 2 ist vorzugsweise aus Metall gefertigt und weist einen Druckanschluss 27 auf. Der Druckanschluss 27 ist an eine Druckleitung anschließbar, in der sich ein Medium, beispielsweise eine Flüssigkeit oder ein Gas befindet, dessen Druck erfasst werden soll. Auf einer von dem Druckanschluss 27 abgewandten Seite 33 des ersten Gehäuseteils 2 ist umlaufend ein Kleber 7 auf eine Auflagefläche 36 aufgetragen. In der Auflagefläche 36 ist eine Absenkung 35 eingelassen, an deren Grund sich eine Schulter 26a befindet, die eine zu der Auflagefläche 36 parallele Innenfläche 26 ausbildet. Die Innenfläche 36 umläuft einen Abschnitt 29 eines Druckkanals 22. Der Druckkanal 22 erstreckt sich von dem Druckanschluss 27 bis zu der Innenfläche 36. Eine Trennmembran 6 ist elastisch aus einem medienresistenten Material gebildet, wobei die Trennmembran 6 beispielsweise aus Stahl oder PTFE gebildet werden kann. Die Trennmembran 6 kann beispielsweise kreisrund ausgebildet sein, was aber nicht zwingend ist. Wie in 1 zu erkennen ist, ist die Trennmembran auf die dem Druckkanal 22 umlaufende Innenfläche 26 an der Innenseite 33 des ersten Gehäuseteils 2 aufgebracht. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass der äußere Rand der Trennmembran 6 auf die Innenfläche 26 aufgeklebt wird. Die Trennmembran 6 überdeckt den gesamten Abschnitt 29 des Druckkanals 22, so dass der Abschnitt 29 unmittelbar an die Trennmembran 6 angrenzt. Der Innendurchmesser des im Durchmesser gegenüber dem restlichen Druckkanal 22 vergrößerten Abschnitts 29 ist mindestens halb so groß wie ein Außendurchmesser der Trennmembran 6 ausgebildet. Der Durchmesser des im Durchmesser gegenüber dem restlichen Druckkanal 22 vergrößerten Abschnitts 29 kann höchstens so groß ausgebildet werden, dass derjenige Flächenbereich, in welchem die Trennmembran 6 auf der Innenfläche 26 aufliegt, ausreichend groß für eine mechanisch stabile Dichtklebung der Trennmembran 6 ist.
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Wie in 1 weiterhin erkennbar ist, ist ein Trägersubstrat 3, beispielsweise ein Leiterplattensubstrat vorgesehen. Das Trägersubstrat 3 weist eine erste Seite 32 und eine davon abgewandte zweite Seite 31 auf. Auf der ersten Seite 32 des Trägersubstrats ist ein Drucksensorelement 5, beispielsweise ein Siliziumchip angeordnet. Das Trägersubstrat 3 ist mit der ersten Seite 32 über den Kleber 7 auf die Auflagefläche 36 derart aufgeklebt, dass das Drucksensorelement 5 in die Absenkung 35 hineinragt. Der Raum zwischen der mit der Trennmembran 6 versehenen Innenfläche 26 des ersten Gehäuseteils 2 und der mit dem Drucksensorelement 5 versehenen ersten Seite 32 des Trägersubstrats 3 bildet einen Innenraum 25. Die Trennmembran 6 sorgt dafür, dass der Druckkanal 22 in keiner Fluidverbindung zu dem Innenraum 25 steht, d.h. die Trennmembran stellt eine für das Messmedium nicht zu überwindende Barriere dar. Dieser Innenraum 25 kann über einen Einfüllkanal 23 mit dem Druckanschluss 27 oder einem anderen Zugang am Gehäuse 10 des Drucksensors 1 verbunden sein. Der Innenraum 25 ist über den Einfüllkanal 23 mit einem Druckübertragungsmedium 28, beispielsweise einem Öl befüllt. Der Einfüllkanal 23 kann mit einem Verschlussmittel 24 verschlossen sein. Über die elastische verformbare Trennmembran 6 ist der an dem Druckanschluss 27 anstehende Druck auf den Innenraum 25 beziehungsweise auf das dortige Druckübertragungsmedium 28 übertragbar. Wie in 1 zu erkennen ist, ist zwischen der Trennmembran 6 und der ersten Seite des Trägersubstrats 3 nur das Druckübertragungsmedium angeordnet. Insbesondere befindet sich dort kein O-Ring oder Zwischenring, so dass ein Abstand zwischen der Trennmembran und dem Drucksensorelement sehr klein ausgelegt werden kann.
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Auf der von dem ersten Gehäuseteil 2 abgewandten zweiten Seite 31 des Trägersubstrats 3 ist das zweite Gehäuseteil 4 angeordnet. Das zweite Gehäuseteil 4 kann aus Kunststoff gebildet sein und elektrische Verbindungsmittel 42 aufweisen, die beispielsweise einem Steckanschluss 41 des Drucksensors 1 zugeordnet sind. Die elektrischen Verbindungsmittel 42 können als metallische Stanzgitterbahnen ausgebildet sein und sind auf der zweiten Seite 31 des Trägersubstrats 3 mit diesem in beliebiger Weise elektrisch kontaktiert, wobei federnde Ausgleichsmittel zwischen den elektrischen Verbindungsmittel und dem Trägersubstrat 3 angeordnet sein können. Das erste Gehäuseteil 2 kann durch Crimpen einen Kragens 8, durch Kleben oder Schweißen mit dem zweiten Gehäuseteil 4 fest verbunden sein.
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Bei der Herstellung des Drucksensors kann wie folgt verfahren werden: Zunächst wird das Trägersubstrats mit dem auf der ersten Seite 32 des Trägersubstrats angeordneten Drucksensorelement 5 und das mit dem Druckanschuss 21 auf der einen Seite und der Absenkung 35 auf der von dem Druckanschluss abgewandten Innenseite 33 sowie den Druckkanal 22 versehene erste Gehäuseteil 2 bereitgestellt. Das erste Gehäuseteil 2 wird sodann auf der Innenseite 33 an einer umlaufenden Auflagefläche 36 mit einem Kelber 7 und auf der Innenfläche 26 in der Absenkung 35 mit einem weiteren Kleberauftrag versehen, was vorzugsweise in einem Herstellungsschritt durchgeführt werden kann. Sodann kann die Trennmembran 6 an der Innenseite 33 des Gehäuseteils 2 auf die Innenfläche 26 aufgeklebt werden. Schließlich wird das Trägersubstrat 2 mit der ersten Seite 32 auf die mit der Trennmembran 6 versehenen Innenseite 33 des ersten Gehäuseteils 2 auf den Kleber 7 aufgesetzt, so dass zwischen der ersten Seite 32 des Trägersubstrats 2 und der Innenseite 33 des ersten Gehäuseteils 2 ein das Drucksensorelement 5 bergender Innenraum 25 entsteht, der bis auf einen in dem ersten Gehäuseteil 2 vorgesehenen Einfüllkanal 23 abgedichtet ist. Schließlich kann ein Druckübertragungsmedium 28 durch den Einfüllkanal 23 in den Innenraum 25 gefüllt werden, wobei das Druckübertragungsmedium 25 den Innenraum 25 vollständig befüllt und das Drucksensorelement 5 sowie die Innenseite der Trennmembran 6 bedeckt. Der Einfüllkanal 23 des ersten Gehäuseteils 2 kann mit einem Verschlussmittel 24 verschlossen werden, so dass das Druckübertragungsmedium in dem Innenraum 25 eingeschlossen wird.
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Schließlich kann das zweite Gehäuseteil 4 mit den elektrischen Verbindungsmitteln 42 auf der von dem ersten Gehäuseteil 2 abgewandten zweiten Seite 31 des Trägersubstrats 3 montiert werden, wobei die elektrischen Verbindungsmitteln 42 an das Trägersubstrat 3 elektrisch angebunden werden. Zuletzt wird das erste Gehäuseteil 2 mit dem zweiten Gehäuseteil 4 mechanisch fest verbunden, was beispielsweise durch Crimpen, Schweißen, Kleben oder in ähnlicher Weise erfolgen kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008954382 A1 [0001]
