DE102019215583A1

DE102019215583A1 - Sensormodul zur Bestimmung eines Druckes eines fluiden Mediums

Info

Publication number: DE102019215583A1
Application number: DE102019215583.9A
Authority: DE
Inventors: Janpeter Wolff
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-10-10
Filing date: 2019-10-10
Publication date: 2021-04-15

Abstract

Es wird ein Sensormodul (110) zur Bestimmung eines Druckes eines fluiden Mediums (122) vorgeschlagen. Das Sensormodul (110) weist mindestens ein Gehäuse (112) auf. Weiterhin weist das Sensormodul (110) mindestens ein in einem Innenraum (114) des Gehäuses (112) aufgenommenes Drucksensorelement (116) auf. Der Innenraum (114) ist zumindest teilweise mit mindestens einem Schutzfluid (118) angefüllt, welches das Drucksensorelement (116) zumindest teilweise umschließt und welches eingerichtet ist, um einen Druck auf das Drucksensorelement (116) zu übertragen. Das Gehäuse (112) weist ein offenes Strukturelement (120) auf, welches eingerichtet ist, um das Schutzfluid (118) in dem Innenraum (114) zurückzuhalten und bei einer thermischen Ausdehnung des Schutzfluids (118) eine Überschussmenge (130) des Schutzfluids (118) aufzunehmen.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Sensormodul und ein Verfahren zur Bestimmung eines Druckes eines fluiden Mediums. Derartige Sensormodule finden in vielfältigen technischen Gebieten Anwendung, beispielsweise in der Automobiltechnik, aber auch im Bereich der Industrie- und Haushaltstechnik. Grundsätzlich ist der Einsatz solcher Sensormodule auch in anderen Einsatzgebieten denkbar.
Aus dem Stand der Technik sind eine Vielzahl von Sensormodulen zur Bestimmung eines Druckes eines fluiden Mediums bekannt. Bei den Drucksensorelementen kann es sich um mikromechanische Drucksensoren handeln, wie sie beispielsweise in Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 2. Auflage 2012, Seiten 134-136 beschrieben sind.
Dabei sind aus diversen Anwendungen Drucksensoren bekannt, bei denen das Drucksensorelement, beispielsweise ein Sensorchip auf Siliziumbasis, vor dem zu erfassenden fluiden Medium durch eine sogenannte Ölvorlage geschützt wird. Als Beispiel kann hierbei auf DE 10 2017 213 129 A1 verwiesen werden. Das Drucksensorelement ist in einer Kammer, im Folgenden auch als Gehäuse bezeichnet, eingeschlossen und dort von der Ölvorlage umgeben. Das Gehäuse ist in der Regel durch eine Membran gegenüber dem fluiden Medium abgegrenzt, welche auch als Ölmembran bezeichnet wird. Ein Druck des fluiden Mediums wird über eine Verformung der Membran an die Ölvorlage weitergegeben. Der Druck in der Ölvorlage wird dann von dem Drucksensorelement erfasst.
Ein Vorteil einer solchen Ölvorlage besteht unter anderem darin, dass die Membran das Drucksensorelement schützt, beispielsweise vor korrodierenden Einflüssen des fluiden Mediums oder vor Ablagerungen, die sich im Laufe des Gebrauchs auf dem Drucksensorelement ablagern könnten und so ein Signal des Drucksensorelements beeinflussen könnten, so dass beispielsweise Messfehler auftreten könnten. Allerdings weisen die aus dem Stand der Technik bekannten Sensormodule noch einige technische Herausforderungen auf. Insbesondere besteht eine Herausforderung der Verwendung einer Ölmembran darin, dass keine direkte Messung des Druckes des fluiden Mediums erfolgt. Das Messprinzip kann daher zu systematischen Fehler führen.
Ein Fehlermechanismus kann beispielsweise darauf beruhen, dass die Ölvorlage in dem Gehäuse einen anderen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als das Material des Gehäuses. Bei einer Erhöhung der Temperatur kann die Ölvorlage sich beispielsweise stärker ausdehnen als das Gehäuse. Dies kann dazu führen, dass die Ölmembran sich nach außen wölbt. Durch eine Rückstellkraft der Ölmembran kann dann insbesondere ein leicht erhöhter Druck in dem Gehäuse erzeugt werden, so dass das Drucksensorelement gegebenenfalls einen erhöhten Druck erfasst im Vergleich zum eigentlich herrschenden Außendruck des fluiden Mediums. Derartige Fehler könnten zwar prinzipiell über eine Auswerteschaltung kompensiert werden. Diese Kompensation wäre jedoch in der Regel mit einem erhöhten Aufwand verbunden, und die Eigenschaften des Systems könnten sich leicht durch Alterung über die Lebensdauer verändern. Daher werden zumeist Metallmembranen verwendet, die eine hohe Stabilität aufweisen. Metallmembranen sind jedoch vergleichsweise steif und in der Regel teurer als beispielsweise Kunststoffmembranen. Metallmembranen für Ölvorlagen sind somit in der Regel teurer und anfälliger für Temperaturfehler als weichere Membranen.
Weiterhin können bei bestimmten zu messenden Medien, beispielsweise Gasen, diese Medien durch die Ölmembran in den Innenraum des Gehäuses diffundieren und sich beispielsweise in der Ölvorlage lösen. Falls die Ölvorlage dadurch eine Volumenänderung erfährt, führt auch dieser Effekt zu einem Messfehler, ähnlich dem oben beschriebenen Temperatureffekt. Weiterhin kann jedoch auch der Effekt auftreten, dass sich Gas oder Gasbestandteile bei hohem Umgebungsdruck in der Ölvorlage lösen, beispielsweise bis zu einem Sättigungsgrad der Lösung. Bei niedrigeren Drücken und/oder anderen Temperaturen kann sich die Sättigungsgrenze aber verschieben, so dass das Gas sich nun beispielsweise wieder aus der Ölvorlage lösen kann und wieder in Gasform vorliegen kann. In diesem Fall kann das Gesamtvolumen aus Ölvorlage und Gas in dem Innenraum beispielsweise schlagartig steigen, was zu einem Messfehler führen kann oder sogar zu einer Zerstörung des Gehäuses.
Weitere technische Herausforderungen können beispielsweise in einer Dichtigkeit des Gehäuses liegen. So ist beispielsweise bei bestimmten Gasen, beispielsweise Wasserstoff, in vielen Fällen eine ungenügende Dichtigkeit zu verzeichnen. Da aber das Volumen der Ölvorlage aufgrund des thermischen Effektes möglichst klein sein sollte, kann bei derartigen Undichtigkeiten schnell eine Sättigung mit dem Gas erreicht werden.
Insgesamt ergibt sich also bei bekannten Sensormodulen mit Ölvorlage in der Regel ein Zielkonflikt dahingehend, dass die Ölmembran für die Ölvorlage einerseits möglichst weich und biegsam sein sollte, um möglichst geringe Kräfte zu erzeugen. Andererseits sollte die Ölmembran jedoch möglichst dicht bezüglich des zu messenden fluiden Mediums sein, oder sollte stattdessen vollständig durchlässig sein, um aus der gesättigten Lösung entweichendes Gas gleich wieder in die Umgebung entweichen zu lassen. Letzteres würde jedoch einen Austritt der Ölvorlage aus dem Innenraum ermöglichen, was wiederum zu einer Zerstörung des Sensormoduls und/oder zu einer Kontamination der Umgebung führen könnte.
Offenbarung der Erfindung
Es werden daher ein Sensormodul und ein Verfahren zur Bestimmung eines Druckes eines fluiden Mediums vorgeschlagen, welche die oben beschriebenen technischen Herausforderungen berücksichtigen.
Das vorgeschlagene Sensormodul weist mindestens ein Gehäuse auf. Weiterhin weist das Sensormodul mindestens ein in einem Innenraum des Gehäuses aufgenommenes Drucksensorelement auf. Der Innenraum ist zumindest teilweise mit mindestens einem Schutzfluid angefüllt. Das Schutzfluid umschließt das Drucksensorelement zumindest teilweise und ist eingerichtet, um einen Druck auf das Drucksensorelement zu übertragen. Das Gehäuse weist mindestens ein offenes Strukturelement auf, welches eingerichtet ist, um das Schutzfluid in dem Innenraum zurückzuhalten und bei einer thermischen Ausdehnung des Schutzfluids eine Überschussmenge des Schutzfluids aufzunehmen.
Unter einem „Sensormodul zur Bestimmung eines Druckes eines fluiden Mediums“ kann im Sinne der vorliegenden Erfindung eine beliebige Vorrichtung zur Erfassung mindestens einer Messgröße verstanden werden, welche einen Druck eines fluiden Mediums quantifiziert. Insbesondere kann das Sensormodul mindestens ein elektrisches Messsignal erzeugen, beispielsweise eine elektrische Spannung und/oder einen elektrischen Strom, wobei das elektrische Messsignal eine Korrelation zu dem zu messenden Druck des fluiden Mediums aufweist.
Unter einem „Druck“ kann im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere ein Partialdruck und/oder ein Absolutdruck und/oder eine Druckdifferenz und/oder ein Druckprofil und/oder eine Druckentwicklung, beispielsweise als Funktion der Zeit, verstanden werden. Insbesondere kann es sich um eine Druckdifferenz zwischen einem Druck p₁, beispielsweise einem Umgebungsdruck, und einem anderen Druck p₂, beispielsweise einem Referenzdruck des Drucksensorelements, handeln.
Unter einem „fluiden Medium“ kann im Sinne der vorliegenden Erfindung ein Stoff in einem fluiden, insbesondere gasförmigen und/oder flüssigen, Zustand verstanden werden. Das fluide Medium kann als Reinstoff oder als Stoffgemisch vorliegen. So kann das fluide Medium beispielsweise ein beliebiges gasförmiges Stoffgemisch, beispielsweise Luft, insbesondere Umgebungsluft, umfassen.
Unter einem „Gehäuse“ kann im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere ein beliebig geformtes Bauteil zur vollständigen oder teilweisen Aufnahme eines oder mehrerer Elemente verstanden werden, wobei das mindestens eine aufgenommene Element insbesondere in mindestens einem Innenraum des Gehäuses aufgenommen sein kann. Insbesondere kann unter einem Gehäuse ein beliebig geformtes Bauteil zur Abgrenzung eines oder mehrerer von dem Gehäuse umschlossener Elemente von der Umgebung verstanden werden. Das Gehäuse kann beispielsweise eingerichtet sein, um eine mechanische Stabilität, einen mechanischen Schutz und/oder einen Schutz gegenüber Umwelteinflüssen bereitzustellen. Das Gehäuse kann im vorliegenden Fall beispielsweise mindestens ein Material umfassen, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: einem Kunststoff, einem Metall, einer Metalllegierung, einer Keramik.
Unter einem „Innenraum“ kann im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere ein beliebiger Raum verstanden werden, welcher zumindest gegenüber einem Außenraum oder einer Umgebung abgegrenzt ist. Insbesondere kann im vorliegenden Fall der Innenraum beispielsweise zumindest teilweise von dem fluiden Medium oder einem Messraum, in welchem das fluide Medium aufgenommen ist, abgegrenzt sein. Beispielsweise kann der Innenraum ganz oder teilweise mit einem sich von dem fluiden Medium unterscheidenden Fluid gefüllt sein, insbesondere mit dem Schutzfluid. Insbesondere kann der Innenraum ein beliebiger Raum sein, in welchem mindestens ein Druck des fluiden Mediums herrscht, welcher von der Vorrichtung erfasst wird.
Unter einem „Drucksensorelement“ kann im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere ein Element verstanden werden, welches zur Erfassung eines Druckes eingerichtet ist, beispielsweise eines Absolut- und/oder eines Differenzdrucks. Beispielsweise kann das Drucksensorelement mindestens einen Sensorchip umfassen, insbesondere um einen Siliziumchip, mittels dessen ein Druck erfassbar ist. Insbesondere kann es sich bei dem Drucksensorelement um einen mikromechanischen Membransensor handeln, welcher eine dünne Membran aufweist, beispielsweise eine Membran mit einer Dicke von 10 µm bis 500 µm, welche einseitig dem Druck eines Fluids, beispielsweise dem Druck des fluiden Mediums, ausgesetzt ist und sich unter diesem Einfluss durchbiegt und/oder verformt. Die Dicke der Membran ist dabei lediglich exemplarisch angegeben und kann beispielsweise von dem zu messenden Druck abhängen und kann an die technologischen Möglichkeiten angepasst werden. Auch andere Drucksensorelemente können alternativ oder zusätzlich eingesetzt werden.
Unter einem „Schutzfluid“ kann im Sinne der vorliegenden Erfindung eine beliebige, vorzugsweise inkompressible, Flüssigkeit und/oder ein Gel verstanden werden, welche eingerichtet sind, um ein Drucksensorelement vor äußeren Einflüssen zu schützen. Insbesondere kann das Schutzfluid zum Schutz des Drucksensorelements vor korrodierenden Einflüssen und Ablagerungen eingerichtet sein. Beispielsweise kann es sich bei dem Schutzfluid um ein Gel oder ein zähes Fluid handeln, insbesondere um ein Öl. Weiterhin kann das Schutzfluid auch eingerichtet sein, um einen Druck auf das Drucksensorelement zu übertragen, so dass das Schutzfluid auch als Drucküberträger dienen kann. Zu diesem Zweck kann das Schutzfluid, wie oben ausgeführt, insbesondere im Wesentlichen inkompressibel sein.
Unter einem „offenen Strukturelement“ kann im Sinne der vorliegenden Erfindung ein beliebiges, starres Bauteil verstanden werden, welches aufgrund seines Materials und/oder aufgrund seiner konstruktiven Eigenschaften selektiv durchlässig ist. Insbesondere kann das offene Strukturelement eingerichtet sein, um durchlässig für das fluide Medium, aber undurchlässig für das Schutzfluid zu sein. Beispielsweise kann das offene Strukturelement mindestens ein poröses Material aufweisen, welches aufgrund seiner porösen Eigenschaften, einschließlich beispielsweise mindestens einer Eigenschaft ausgewählt aus der Gruppe der Porengröße, der Offenporigkeit oder der Oberflächenbeschaffenheit, selektiv durchlässig ist. Alternativ oder zusätzlich kann das offene Strukturelement beispielsweise auch eine Kanalstruktur aufweisen, wie nachfolgend ebenfalls noch näher beschrieben wird. Das offene Strukturelement kann beispielsweise eine unregelmäßige, raue Oberfläche aufweisen. So kann das offene Strukturelement beispielsweise eine poröse und/oder kanalartige Oberfläche aufweisen. Alternative Ausgestaltungen sind möglich.
Unter einer „Überschussmenge“ kann im Sinne der vorliegenden Erfindung ein überschüssiges Volumen eines Schutzfluids verstanden werden, das aufgrund von thermischer Ausdehnung entsteht. Unter thermischer Ausdehnung kann die Änderung eines Volumens eines Stoffes aufgrund einer veränderten Temperatur verstanden werden.
Das offene Strukturelement kann insbesondere eingerichtet sein, um einen Druck des fluiden Mediums auf das Schutzfluid zu übertragen. Insbesondere kann die Übertragung des Drucks direkt von dem fluiden Medium auf das Schutzfluid erfolgen. Die Phasengrenze zwischen einem fluiden Medium und einem Schutzfluid kann innerhalb des offenen Strukturelements liegen.
Insbesondere kann das Schutzfluid beispielsweise eine höhere Viskosität aufweisen als das fluide Medium. Aufgrund der unterschiedlichen Viskosität kann beispielsweise das Schutzfluid durch das offene Strukturelement zumindest weitgehend zurückgehalten werden, obwohl eine Überschussmenge des Schutzfluids in das poröse Strukturelement eindringen kann, während das fluide Medium durch das poröse Strukturelement hindurchtreten kann. Bei einer Kanalstruktur kann ein analoger Effekt auftreten.
Das Schutzfluid kann insbesondere mindestens ein Öl aufweisen, insbesondere eine Ölvorlage. Unter einer „Ölvorlage“ im Sinne der vorliegenden Erfindung kann ein Öl verstanden werden, welches ein elektrisches Bauelement zumindest teilweise umschließt. Ein auf die Ölvorlage wirkender Druck kann auf das Drucksensorelement weitergeleitet werden.
Das offene Strukturelement kann, wie oben ausgeführt, insbesondere mindestens ein poröses Material aufweisen. Das poröse Material kann beispielsweise mindestens ein poröses keramisches Material aufweisen. Alternativ oder zusätzlich sind auch beispielsweise metallische poröse Materialien und/oder poröse Kunststoffmaterialien möglich. Das poröse Material kann mit dem fluiden Medium und dem Schutzfluid in Kontakt stehen. Beispielsweise kann das poröse Material eine offene Porosität aufweisen. Das poröse Material kann beispielsweise mindestens ein keramisches Material umfassen. Alternativ kann das offene Strukturelement auch eine Kanalstruktur aufweisen.
Unter einem „porösen Material“ im Sinne der vorliegenden Erfindung kann insbesondere ein beliebiges, starres Material verstanden werden, welches eine Vielzahl von Hohlräumen aufweist. Beispielsweise können innerhalb des porösen Materials Poren vorhanden sein. Unter einer „offenen Porosität“ kann ein poröses Material verstanden werden, in welchem das Hohlraumvolumen eines porösen Materials offen zugänglich ist. Beispielsweise können Poren die offene Porosität derart ausfüllen, dass sie eine Verbindung aufweisen, die sich von einer ersten Öffnung an einer Begrenzung des Materials bis hin zu mindestens einer zweiten Öffnung an einer gegenüberliegenden Begrenzung des Materials erstreckt.
Unter einer „Kanalstruktur“ kann im Sinne der vorliegenden Erfindung ein beliebiges Bauteil mit offenen Kapillaren verstanden werden. Insbesondere können die Kapillaren eine längliche Form und einen beliebigen Querschnitt aufweisen und sich von einer ersten Öffnung hin zu mindestens einer zweiten Öffnung erstrecken. Die Kanalstruktur ist eingerichtet, um das Schutzfluid im Innenraum des Gehäuses mit dem fluiden Medium außerhalb des Gehäuses in Kontakt zu bringen. Beispielsweise kann die Kapillarstruktur eine Siebstruktur und/oder eine Mehrzahl von sich beispielsweise parallel erstreckenden mikroskopischen Röhren aufweisen, welche sich durch das offene Strukturelement hindurch erstrecken. Beispielsweise können diese jeweils einen Durchmesser oder Äquivalentdurchmesser von 10-200 Mikrometern aufweisen. Auch andere Dimensionen sind jedoch denkbar.
Das Gehäuse kann mindestens einen strukturierten Bereich aufweisen. In dem strukturierten Bereich kann das mindestens eine offene Strukturelement angeordnet sein. Insbesondere kann das offene Strukturelement den strukturierten Bereich bilden. Weiterhin kann das Gehäuse mindestens einen geschlossenen Bereich aufweisen. Der geschlossene Bereich kann undurchlässig für das fluide Medium und das Schutzfluid sein. Der strukturierte Bereich kann in den geschlossenen Bereich eingebettet sein. Beispielsweise kann der strukturierte Bereich als mindestens eine Scheibe in den geschlossenen Bereich eingebettet sein. Insbesondere kann der strukturierte Bereich eine Form aufweisen, welche ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: eine runde Form, eine ovale Form, eine polygonale Form.
Unter einem „strukturierten Bereich“ im Sinne der vorliegenden Erfindung kann ein Bereich des Gehäuses verstanden werden, welcher mindestens ein strukturiertes Bauteil aufweist, insbesondere mindestens ein strukturiertes Bauteil mit dem mindestens einem offenen Strukturelement. Insbesondere kann das strukturierte Bauteil somit das oben beschriebene offene Strukturelement mit dem porösen Material und/oder der Kanalstruktur aufweisen. Unter einem „geschlossenen Bereich“ kann ein Bereich des Gehäuses verstanden werden, der undurchlässig für das fluide Medium und das Schutzfluid ist. Insbesondere kann es sich dabei um einen dichten, nicht-porösen Bereich des Gehäuses handeln.
Das Gehäuse kann mindestens eine Aufnahme zum Aufnehmen des Drucksensorelements aufweisen. Weiterhin kann das offene Strukturelement zumindest teilweise an einer zu der Aufnahme gegenüberliegenden Wand des Gehäuses positioniert sein. Das offene Strukturelement kann ebenso zumindest teilweise an einer zu der Aufnahme seitlichen Wand des Gehäuses positioniert sein. Unter einer „Aufnahme“ im Sinne der vorliegenden Erfindung kann grundsätzlich eine beliebige Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist, um mindestens ein anderes Element zu halten und/oder zumindest teilweise zu umschließen. Beispielsweise kann die Aufnahme mindestens eine Vertiefung im Gehäuse zum Aufnehmen des Drucksensorelements aufweisen.
Das Sensormodul kann eingerichtet sein, um ein Signal zu erzeugen, insbesondere mindestens ein elektrisches Signal, wobei das Signal eine Korrelation zum Druck des fluiden Mediums aufweisen kann. Das Sensormodul kann mindestens einen elektrischen Anschluss zur elektrischen Kontaktierung des Drucksensorelements aufweisen.
Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin ein Verfahren zur Bestimmung eines Druckes eines fluiden Mediums, wobei ein erfindungsgemäßes Sensormodul verwendet wird, beispielsweise gemäß einer oder mehrerer der oben beschriebenen Ausgestaltungen und/oder gemäß einer oder mehrerer der nachfolgend noch näher beschriebenen Ausführungsformen. Der Druck des fluiden Mediums wird durch das offene Strukturelement auf das Schutzfluid übertragen, wobei der Druck weiterhin von dem Schutzfluid auf das Drucksensorelement übertragen und von dem Drucksensorelement erfasst wird.
Das Sensormodul und das vorgeschlagene Verfahren weisen gegenüber bekannten Vorrichtungen und Verfahren der genannten Art zahlreiche Vorteile auf. Insbesondere kann statt einer Membran das offene Strukturelement verwendet werden, welches beispielsweise eine andere Art der Begrenzung des Innenraums und somit eine Eingrenzung des Schutzfluids bilden kann. Das offene Strukturelement kann, wie auch die Ölmembran, sowohl eine Weiterleitung des Drucks des fluiden Mediums an das Schutzfluid gewährleisten und gleichzeitig aber verhindern, dass das Schutzfluid aus dem Innenraum herausfließt. So kann das Gehäuse beispielsweise eine Wanne bilden, welche nach oben hin und/oder nach der Seite durch das mindestens eine offene Strukturelement abgeschlossen ist.
So kann in dem vorgeschlagenen Sensorelement zwar auf der einen Seite ein zumindest teilweise abgeschlossenes Ölvolumen in dem Innenraum realisiert werden, allerdings ohne Verwendung einer Membran. Dennoch kann eine Weiterleitung des zu messenden Drucks an das Schutzfluid, insbesondere das Öl, und somit auch zum Drucksensorelement ermöglicht werden.
Das offene Strukturelement kann beispielsweise auf einfache Weise realisiert werden durch ein Element mit einer geeignet gewählten Porosität. Beispielsweise kann es sich hierbei um eine Scheibe oder ein geschlossenes Volumen des porösen Materials handeln, bei dem eine oder mehrere Wände mit einer geeignet gewählten Porosität ausgestattet sind. Die Porosität und/oder die Größe der Poren und/oder Kanäle kann insbesondere so gewählt sein, dass einerseits das Schutzfluid, insbesondere das Öl, nicht durch die Poren hinausfließen kann, insbesondere aufgrund von Scherkräften, Viskosität, Oberflächenspannung oder Kapillarkräften. Andererseits sollte das zu messende fluide Medium, insbesondere das Gas, durch die Poren und/oder Kanäle den Druck des fluiden Mediums immer noch an das Schutzfluid weitergeben werden können. Zudem sollte das offene Strukturelement, insbesondere das poröse Element und/oder die Kanalstruktur, so gewählt sein, dass bei einer thermischen Ausdehnung des Schutzfluids, wie oben beschrieben, das Schutzfluid nicht aus dem Sensormodul hinausgedrückt wird. Insbesondere kann das gesamte offene Volumen des offenen Strukturelements, beispielsweise das gesamte Poren- und/oder Kapillarvolumen, so gewählt werden, dass dieses Volumen die gesamte mögliche Überschussmenge, beispielsweise in einem vorgegebenen Temperaturbereich, aufnehmen kann.
Das Schutzfluid, insbesondere das Öl, kann sich in dem vorgeschlagenen Sensormodul insbesondere thermisch ausdehnen, ohne zusätzlichen Druck auf das Drucksensorelement, beispielsweise den Druckmesschip, auszuüben. Weiterhin kann das Drucksensorelement auf diese Weise vor korrosiven Angriffen oder anderen schädlichen Einflüssen geschützt werden. Sollte sich das fluide Medium, beispielsweise Gas, in dem Schutzfluid, beispielsweise dem Öl, lösen, so kann dieses fluide Medium auch einfach wieder entweichen, ohne das Gehäuse oder das Drucksensorelement zu schädigen und ohne einen zusätzlichen Druck zu verursachen.
Figurenliste
Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
Es zeigen:

1 eine Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Sensormoduls zur Bestimmung eines Drucks eines fluiden Mediums;
2A und 2B eine Darstellung der Wirkung eines offenen Strukturelements des Ausführungsbeispiels nach 1 bei einer thermischen Ausdehnung eines Schutzfluids;
3 eine Schnittdarstellung eines alternativen Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Sensormoduls zur Bestimmung eines Drucks eines fluiden Mediums; und
4 eine Schnittdarstellung eines weiteren alternativen Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Sensormoduls zur Bestimmung eines Drucks eines fluiden Mediums.

Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Sensormoduls 110 zur Bestimmung eines Drucks eines fluiden Mediums 122, im Nachfolgenden kurz „Sensormodul“ genannt. Das Sensormodul 110 ist in 1 in einer Schnittdarstellung gezeigt.
Das Sensormodul 110 weist ein Gehäuse 112 auf. Weiterhin weist das Sensormodul 110 ein in einem Innenraum 114 des Gehäuses 112 aufgenommenes Drucksensorelement 116 auf. Der Innenraum 114 ist zumindest teilweise mit mindestens einem Schutzfluid 118 angefüllt. Weiterhin weist das Gehäuse 112 mindestens ein offenes Strukturelement 120 auf.
Im Innenraum 114 des Gehäuses 112 umschließt das Schutzfluid 118 das Drucksensorelement 116 zumindest teilweise. Das Schutzfluid 118 ist eingerichtet, um einen Druck p₁ des fluiden Mediums 122 auf das Drucksensorelement 116 zu übertragen. Das Drucksensorelement 116 kann dabei einen Druck p₂ des Schutzfluids 118 erfassen. Das offene Strukturelement 120 kann insbesondere eingerichtet sein, um den Druck p₁ des fluiden Mediums 122 direkt auf das Schutzfluid 118 zu übertragen, so dass der Druck p₁ des fluiden Mediums 122 dem Druck p₂ des Schutzfluids 118 entsprechen kann.
Das offene Strukturelement 120 kann beispielsweise ein poröses Material aufweisen, beispielsweise ein poröses keramisches Material. Insbesondere kann das poröse Material eine offene Porosität aufweisen. Auch andere Ausgestaltungsformen des offenen Strukturelements 120, beispielsweise eine Kanalstruktur, sind möglich.
Die 2A und 2B stellen die Wirkung des offenen Strukturelements 120 bei einer thermischen Ausdehnung des Schutzfluids 118 dar. Die 2A und 2B zeigen hierzu eine Detailansicht des offenen Strukturelements 120 in einer Schnittdarstellung.
2A zeigt das offene Strukturelement 120, welches beispielsweise in einem strukturierten Bereich 124 angeordnet sein kann. Der strukturierte Bereich 124 kann in einen geschlossenen Bereich 126 des Gehäuses 112 eingebettet sein. Beispielsweise kann der strukturierte Bereich 124 als mindestens eine Scheibe in den geschlossenen Bereich 126 eingebettet sein. Auch andere Formen des strukturierten Bereichs 124 sind denkbar.
Das offene Strukturelement 120 kann mit dem fluiden Medium 122 und dem Schutzfluid 118 in Kontakt stehen. Insbesondere kann das offene Strukturelement 120 eingerichtet sein, um das Schutzfluid 118 in dem Innenraum 114 zurückzuhalten. Weiterhin kann das offene Strukturelement 120 insbesondere eingerichtet sein, den Druck p₁ des fluiden Mediums 122 auf das Schutzfluid 118 zu übertragen. Die Übertragung kann direkt von dem fluiden Medium 122 auf das Schutzfluid 118 erfolgen. Eine Phasengrenze 128 kann hierzu innerhalb des offenen Strukturelements 120 liegen. Der Druck p₂ des Schutzfluids 118 kann beispielsweise dem Druck p₁ des fluiden Mediums 122 entsprechen.
2B zeigt die Wirkung des offenen Strukturelements 120 bei einer Änderung der Temperatur. Die Anordnung in 2B entspricht der Anordnung in 2A, so dass weitgehend auf die obige Beschreibung verwiesen werden kann.
Eine thermische Ausdehnung des Schutzfluids 118 kann zu einer Änderung des Volumens des Schutzfluids 118 führen. Eine Überschussmenge 130 des Schutzfluids 118 kann durch das offene Strukturelement 120 aufgenommen werden. Die Poren und/oder die Kanalstruktur des offenen Strukturelements 120 sind in 2B allgemein mit der Bezugsziffer 132 bezeichnet. Das Schutzfluid 118 kann entlang der Poren und/oder der Kanalstruktur 132 in das offene Strukturelement 120 eindringen. Die Phasengrenze 128 kann dabei innerhalb des offenen Strukturelements 120 verschoben werden. Das Schutzfluid 118 kann sich somit insbesondere thermisch ausdehnen, ohne zusätzlichen Druck auf das Drucksensorelement 116 auszuüben. Der Druck p₂ des Schutzfluids 118 kann weiterhin dem Druck p₁ des fluiden Mediums 122 entsprechen.
3 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Sensormoduls 110 zur Bestimmung eines Drucks eines fluiden Mediums. Das Sensormodul 110 ist in 3 wiederum in einer Schnittdarstellung gezeigt. Das Sensormodul 110 kann beispielsweise dem in 1 vorgeschlagenen Sensormodul 110 entsprechen, so dass weitgehend auf die obige Beschreibung verwiesen werden kann. Das Ausführungsbeispiel in 3 kann sich jedoch insbesondere im Hinblick auf die Lage und/oder Ausgestaltung des mindestens einen offenen Strukturelements 120 von dem Ausführungsbeispiel in 1 unterscheiden.
So weist das Gehäuse 112 in dem Beispiel gemäß 3 wiederum mindestens einen strukturierten Bereich 124 auf. In dem strukturierten Bereich 124 kann das offene Strukturelement 120 angeordnet sein. Insbesondere kann das offene Strukturelement 120 den strukturierten Bereich 124 bilden. Das Gehäuse 112 kann weiterhin wiederum über einen geschlossenen Bereich 126 aufweisen. Der strukturierte Bereich 124 kann wiederum in den geschlossenen Bereich 126 eingebettet sein. Weiterhin kann das Gehäuse 112 über mindestens eine Aufnahme 134 zum Aufnehmen des Drucksensorelements 116 aufweisen. Das offene Strukturelement 120 kann zumindest teilweise an einer zu der Aufnahme 134 seitlichen Wand 136 des Gehäuses 112 positioniert sein. Beispielsweise kann das offene Strukturelement 120, wie in 3 zu sehen, an zwei gegenüberliegenden seitlichen Wänden 136 des Gehäuses 112 positioniert sein oder auch ringsherum.
4 zeigt ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel eines Sensormoduls 110 zur Bestimmung eines Drucks eines fluiden Mediums in einer Schnittdarstellung. Das Sensormodul 110 kann wiederum weitgehend den Beispielen der 1 und 3 entsprechen, so dass wiederum weitgehend auf die obige Beschreibung verwiesen werden kann. Wiederum unterscheidet sich dieses Ausführungsbeispiel jedoch in der Lage und/oder Ausgestaltung des offenen Strukturelements 120.
Das Ausführungsbeispiel in 4 zeigt, dass grundsätzlich auch größere Bereiche des Gehäuses 112 als offenes Strukturelement 120 ausgestaltet sein können. So kann beispielsweise das offene Strukturelement 120 zumindest teilweise an einer zu der Aufnahme 134 gegenüberliegenden Wand 138 positioniert sein und kann diese Wand 138 weitgehend ausfüllen oder bilden. Wie in 4 angedeutet, kann beispielsweise der strukturierte Bereich 124 das Schutzfluid 118 auch zumindest teilweise umschließen. Insbesondere kann das offene Strukturelement 120 sowohl an einer zu der Aufnahme 134 seitlichen Wand 136, wie auch an einer zu der Aufnahme 134 gegenüberliegenden Wand 138 positioniert sein. Das offene Strukturelement 120 kann also eine kappenartige Form aufweisen und somit beispielsweise auf eine Basis 140 des Gehäuses 112, in die auch die Aufnahme 134 eingelassen sein kann, aufgesetzt sein. Auch die Basis 140 kann jedoch grundsätzlich ganz oder teilweise als offenes Strukturelement 120 ausgestaltet sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102017213129 A1 [0003]

Claims

Sensormodul (110) zur Bestimmung eines Druckes eines fluiden Mediums (122), wobei das Sensormodul (110) mindestens ein Gehäuse (112) aufweist, wobei das Sensormodul (110) weiterhin mindestens ein in einem Innenraum (114) des Gehäuses (112) aufgenommenes Drucksensorelement (116) aufweist, wobei der Innenraum (114) zumindest teilweise mit mindestens einem Schutzfluid (118) angefüllt ist, wobei das Schutzfluid (118) das Drucksensorelement (116) zumindest teilweise umschließt und eingerichtet ist, um einen Druck auf das Drucksensorelement (116) zu übertragen, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (112) mindestens ein offenes Strukturelement (120) aufweist, wobei das offene Strukturelement (120) eingerichtet ist, um das Schutzfluid (118) in dem Innenraum (114) zurückzuhalten und bei einer thermischen Ausdehnung des Schutzfluids (118) eine Überschussmenge (130) des Schutzfluids (118) aufzunehmen.
Sensormodul (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das offene Strukturelement (120) eingerichtet ist, um einen Druck des fluiden Mediums (122) auf das Schutzfluid (118) zu übertragen.
Sensormodul (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Schutzfluid (118) mindestens ein Öl aufweist.
Sensormodul (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das offene Strukturelement (120) mindestens ein poröses Material aufweist.
Sensormodul (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das poröse Material mit dem fluiden Medium (122) und mit dem Schutzfluid (118) in Kontakt steht.
Sensormodul (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das offene Strukturelement (120) eine Kanalstruktur aufweist.
Sensormodul (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (112) mindestens einen strukturierten Bereich (124) aufweist, wobei das offene Strukturelement (120) in dem strukturierten Bereich (124) angeordnet ist, wobei das Gehäuse (112) zusätzlich mindestens einen geschlossenen Bereich (126) aufweist, wobei der geschlossene Bereich (126) undurchlässig für das fluide Medium (122) und das Schutzfluid (118) ist.
Sensormodul (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der strukturierte Bereich (124) als mindestens eine Scheibe in den geschlossenen Bereich (126) eingebettet ist.
Sensormodul (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (112) mindestens eine Aufnahme (134) zum Aufnehmen des Drucksensorelements (116) aufweist.
Sensormodul (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das offene Strukturelement (120) zumindest teilweise an einer der Aufnahme (134) gegenüberliegenden Wand (138) des Gehäuses (112) positioniert ist.
Sensormodul (110) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei das offene Strukturelement (120) zumindest teilweise an einer zu der Aufnahme (134) seitlichen Wand (136) des Gehäuses (112) positioniert ist.
Verfahren zur Bestimmung eines Druckes eines fluiden Mediums (122), wobei ein Sensormodul (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche verwendet wird, wobei der Druck des fluiden Mediums (122) durch das offene Strukturelement (120) auf das Schutzfluid (118) übertragen wird, wobei der Druck weiterhin von dem Schutzfluid (118) auf das Drucksensorelement (116) übertragen und von dem Drucksensorelement (116) erfasst wird.