DE102020110438A1

DE102020110438A1 - Sensor mit Gehäuse

Info

Publication number: DE102020110438A1
Application number: DE102020110438.3A
Authority: DE
Inventors: Octavio Flores
Original assignee: TDK Electronics AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2020-04-16
Filing date: 2020-04-16
Publication date: 2021-10-21
Also published as: JP2023522668A; CN115335204A; EP4135961A1; US20230121789A1; WO2021209619A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sensor (1), der ein Sensorelement (2), ein Verbindungselement zur elektrischen Verbindung und ein Gehäuse (8) umfasst, das auf das Sensorelement aufgebracht wird. Hierbei umfasst das Gehäuse (8) ein Gehäusematerial mit einem gehärteten flüssigen Silikonkautschuk (Liquid Silicone Rubber, LSR) als Hauptkomponente.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Sensor, der ein Sensorelement, ein Verbindungselement zur elektrischen Verbindung und ein Gehäuse für das Sensorelement umfasst.
Die Sensoren aus dem Stand der Technik verwenden Gehäuse, die aus metallischen, keramischen oder thermoplastischen Materialien kombiniert mit Innenfüllungen bestehen, die aus Härtungsmaterialien wie zum Beispiel Thermoplasten, Keramik oder Epoxidharzen bestehen.
Die zusätzlichen Innenfüllungen sind erforderlich, um die Form des Gehäuses an die Form des Sensors anzupassen und um einen engen mechanischen und thermischen Kontakt zwischen dem Sensorelement und dem Gehäuse zu ermöglichen. Keramik- und Metallgehäuse sind aufgrund ihrer relativ großen Wandstärken und der erforderlichen zusätzlichen Füllmaterialien schwierig zu miniaturisieren.
Darüber hinaus stellen hart gegossene Gehäuse üblicherweise einen guten mechanischen Schutz bereit, schränken aber den mechanischen und thermischen Kontakt zwischen dem Sensorelement und dem zu messenden Medium ein.
Das Patent DE 69323126 T2 offenbart eine andere Technik, die Schrumpfschläuche als Gehäuse für Sensorelemente verwendet. Das Element weist eine Silikon-Elastomerbeschichtung auf und wird von einer äußeren dünnen Röhre umhüllt, die wärmeschrumpfbar ist.
Diese Gehäuse weisen jedoch mehrere Nachteile auf, da die Abmessung und Form des Schrumpfschlauchs schwer zu kontrollieren sind und eine Haftfähigkeit zwischen den Schrumpfschläuchen und den angeschlossenen elektrischen Drähten niedrig ist.
Ein weiteres Dokument aus dem Stand der Technik offenbart die Verwendung von flexiblen Sensoren, wobei die Sensorelemente zum Beispiel auf Polyimidfolien aufgebracht werden. Andererseits sind diese Sensoren kaum vor mechanischen Stößen geschützt.
In Anbetracht der Mängel des Stands der Technik ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Gehäuse für ein Sensorelement zu offenbaren, das einfach aufgebracht werden kann.
Dieses Ziel wird durch einen Sensor erreicht, wie er im Anspruch 1 beschrieben wird.
Der Sensor umfasst ein Sensorelement, ein Verbindungselement zur elektrischen Verbindung und ein Gehäuse, das auf das Sensorelement aufgebracht wird. Hierbei umfasst das Gehäuse ein Gehäusematerial mit einem gehärteten flüssigen Silikonkautschuk (Liquid Silicone Rubber, LSR) als eine Hauptkomponente.
In einer Ausführungsform hat das Sensorelement eine zylindrische Form. Das Sensorelement kann einen Durchmesser von ≤ 2,4 mm aufweisen.
Der Sensor kann ein Sensor für Temperaturmessungen sein. Das Sensorelement kann eine geometrische Form haben. Das Verbindungselement ist mechanisch und elektrisch mit dem Sensorelement verbunden.
Das Gehäuse bedeckt das ganze Sensorelement enganliegend. Es besteht aus einem elastischen Gehäusematerial. Neben der Hauptkomponente des flüssigen Silikonkautschuks (LSR) kann das Gehäusematerial auch zahlreiche Füllmaterialien oder Zusatzstoffe umfassen.
LSR weist vorteilhafte Eigenschaften als Gehäusematerial auf. Aufgrund der hohen Fließfähigkeit und der niedrigen Viskosität kann es während des Aufbringens auf der Außenseite des Sensorelements einfach geformt werden. Dies ermöglicht eine Miniaturisierung und eine freie Gestaltungsvariation der Gehäuse. Außerdem kann die Wandstärke auf ein Mindestmaß herabgesetzt werden. Eine niedrige Wandstärke verkürzt die Antwortzeit des Sensors.
Das Aufbringen von LSR auf das Sensorelement ist aufgrund niedriger Spritzdrücke und aufgrund eines nicht vorhandenen Schrumpfverhaltens während des Prozesses geschmeidiger als das Aufbringen von thermoplastischen Materialien, die im Stand der Technik verwendet werden. Daher kann der LSR selbst auf empfindliche mechanische Strukturen aufgebracht werden.
Die niedrige Komprimierung, die typischerweise zwischen 5 bis 25 % liegt, und die große Längsdehnung von mehr als 100 % der LSR-Gehäuse vor dem Zerbrechen erlauben ein sanftes und geschmeidiges Aufbringen. Daher passt sich die Außenfläche des LSR-Gehäuses an die zu messende Oberfläche an und es kann ein guter thermischer Kontakt erreicht werden.
Aufgrund der hohen Wärmebeständigkeit des LSR ist der Sensor für Anwendungen unter rauen Betriebsbedingungen geeignet und für Temperaturmessungen für einen erweiterten Messbereich von -40°C bis zu 250°C ausgelegt.
Als Füllmaterialien können Oxidkeramiken verwendet werden. Die Oxidkeramiken können Oxide von Silizium oder Aluminium wie zum Beispiel Siliziumdioxid, Montmorillonit oder Al₂O₃ enthalten. Die Füllmaterialien können außerdem Nitride wie zum Beispiel A1N und BN umfassen. Neben diesen können auch Carbide wie zum Beispiel SiC verwendet werden. Mithilfe der Füllmaterialien können die Eigenschaften des Gehäuses verbessert oder modifiziert werden. Beispiele der Eigenschaften, die durch die Füllmaterialien modifiziert werden können, sind die Zugfestigkeit, die Härte, die Durchschlagfestigkeit, die Wärmeleitfähigkeit und die Wärmeausdehnung des Gehäusematerials.
Da der LSR die Hauptkomponente ist, liegt der Anteil des Füllmaterials in dem Gehäusematerial unter 50 Gew.-%. Die Durchmesser der Partikel des Füllmaterials liegen vorzugsweise zwischen 10 nm und 20 µm.
In einer Ausführungsform umfasst das Sensorelement ein temperaturempfindliches Bauteil.
Das temperaturempfindliche Bauteil kann ein Thermistormaterial zum Detektieren einer Temperatur umfassen.
Da die elektrische Leitfähigkeit der Thermistormaterialien von der Temperatur abhängig ist, kann ein solches Material in einem Temperatursensor verwendet werden. Das Thermistormaterial kann einen negativen Temperaturkoeffizienten (Negative Temperature Coefficient, NTC) aufweisen. Bei einer weiteren Ausführungsform kann das Thermistormaterial einen positiven Temperaturkoeffizienten (Positive Temperature Coefficient, PTC) aufweisen.
In einer Ausführungsform umfasst das Sensorelement ein Anschlusselement, das mit dem temperaturempfindlichen Bauteil verbunden ist. Das Anschlusselement ermöglicht eine elektrische Verbindung des Sensorelements.
In einer Ausführungsform ist ein Paar an Anschlusselementen mit dem temperaturempfindlichen Bauteil verbunden.
In einer Ausführungsform umfasst das Verbindungselement einen elektrischen Draht.
In einer Ausführungsform ist der Draht ein Einzeldraht. In einer Ausführungsform ist der Draht ein Mehrfachlitzendraht. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind zwei elektrische Drähte mit dem Sensorelement verbunden.
In einer Ausführungsform ist der elektrische Draht mit einem Isoliermaterial, z.B. Silikon, isoliert. Der Draht kann ein Einzeldraht oder ein Mehrfachlitzendraht sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind zwei elektrische Drähte mit den Anschlusselementen des Sensorelements verbunden. Die Verbindung zwischen den elektrischen Drähten und den Anschlusselementen des Sensorelements kann durch Crimpen der Drähte oder durch Löten erfolgen.
Das Sensorelement kann zwei Abschnitte mit unterschiedlichen Querschnitten umfassen. Ein Querschnitt ist größer als der andere. In einer Ausführungsform ist der elektrische Draht an der Seite des Abschnitts mit dem größeren Querschnitt befestigt.
Das Gehäuse kann enganliegend auf einen Abschnitt des Verbindungselements aufgebracht werden. Der abgedeckte Abschnitt kann in der Nähe des Sensorelements positioniert sein. In einer weiteren Ausführungsform ist ein Abschnitt des Verbindungselements abgedeckt, der sich nicht in der Nähe des Sensorelements befindet.
Ein enganliegendes, undurchlässiges Gehäuse ist notwendig, um den Sensor einschließlich des Sensorelements und des Verbindungselements vor chemischen Einflüssen durch das zu messende Medium zu schützen. Beispiele, bei denen undurchlässige Gehäuse erforderlich sind, sind Sensoren für die Temperaturmessung von Chemikalien wie Automatikgetriebeflüssigkeiten (Automatic Transmission Fluids, ATFs) oder Frostschutzmittelchemikalien.
Am anderen Ende des Drahts kann ein elektrischer Stecker bereitgestellt werden, um das Sensorelement mit einer elektrischen Schaltung zu verbinden.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verbindungselement einen Leadframe.
Das Gehäuse kann auf mindestens einen Abschnitt des Leadframes aufgebracht werden. Der abgedeckte Abschnitt kann sich in der Nähe des Sensorelements befinden.
In einer Ausführungsform weist das Gehäusematerial eine Wärmeleitfähigkeit von 0,2 - 0,3 W/(m·K) bei 100°C auf.
Abhängig von den Anwendungen kann die Wärmeleitfähigkeit durch das Hinzufügen von Füllmaterialien angepasst werden. Eine hohe Wärmeleitfähigkeit des Gehäuses kann durch ein Füllmaterial erreicht werden, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist wie zum Beispiel durch Al₂O₃ und h-BN. Dies stellt eine kurze Antwortzeit des Sensors sicher.
In einer Ausführungsform weist das Gehäusematerial einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 2 × 10^-4 bis 4 × 10^-4 K^-1 auf.
Ein niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient stellt ein gleichmäßiges Funktionieren des Sensors in einem großen Temperaturbereich sicher. Der Wärmeausdehnungskoeffizient kann durch Füllmaterialien an die Anforderungen der Anwendung angepasst werden.
In einer Ausführungsform weist das Gehäusematerial eine Härte von 10 bis 90 Shore-A auf.
Die Härte kann durch Füllmaterialien an die Anforderungen der Anwendung angepasst werden. Daher stellt das Gehäuse einen guten Schutz gegen mechanische Umgebungseinflüsse bereit.
In einer Ausführungsform weist das Gehäusematerial eine Durchschlagfestigkeit von 20 kV/mm oder mehr auf.
Daher stellt das Gehäuse einen guten Schutz gegen elektrische Umgebungseinflüsse bereit und bedeckt das Sensorelement als ein elektrisch isolierendes Gehäuse.
In einer Ausführungsform weist das Gehäuse, welches das Sensorelement schützt, eine Wandstärke von mehr als oder gleich 0,2 mm auf. In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Gehäuse eine Wandstärke zwischen 0,3 mm und 0,2 mm auf. Bei einer noch bevorzugteren Ausführungsform weist das Gehäuse eine Wandstärke zwischen 0,21 mm und 0,20 mm auf.
Aufgrund seiner vorteilhaften Eigenschaften wie einer hohe Fließfähigkeit und eine niedrigen Viskosität kann der LSR enganliegend auf die Außenfläche des Sensorelements aufgebracht werden, um ein Gehäuse mit einer geringen Wandstärke zu bilden, welches das Sensorelement enganliegend umschließt. Das enganliegende Aufbringen und die geringe Wandstärke verkürzen die Antwortzeit des Sensors.
In einer Ausführungsform wird das Verbindungselement von dem Gehäuse bedeckt.
Bei dieser Ausführungsform wird das Gehäuse sowohl auf das Sensorelement als auch auf das Verbindungselement aufgebracht. Dabei ist keine Lücke in dem Gehäuse zwischen dem Sensorelement und dem Verbindungselement vorhanden. Ein solches enganliegendes, undurchlässiges Abdichten ist zumindest erforderlich, wenn der Sensor für das Messen der Temperatur eines chemisch aggressiven Mediums verwendet wird. Das Gehäuse sollte zumindest undurchlässig für Flüssigkeiten und chemisch aggressive Dämpfe und Gase sein.
In einer Ausführungsform wird das Gehäuse durch Spritzgießen aufgebracht.
Wenn das Gehäuse durch Spritzgießen aufgebracht wird, kann es in einem Schritt auf den Sensor aufgebracht werden. Die Innenfläche des Gehäusematerials passt sich während des Spritzgießens geschmeidig an die Form des Sensorelements an. Die äußere Form des Gehäuses wird durch eine Gießform gebildet.
In einer Ausführungsform wird das Gehäuse durch Flüssigspritzgießen aufgebracht.
Bei einem Flüssigspritzgießprozess für LSR werden zwei viskose Flüssigreaktant-Komponenten A und B bereitgestellt, die Polymere mit unterschiedlichen Kettenlängen enthalten.
Die Komponente B kann ein erstes Reaktantpolymer und ein Vernetzungsmittel umfassen. Hierbei stimuliert das Vernetzungsmittel eine Vernetzungsreaktion zwischen den bereitgestellten Reaktanten. Durch das Vernetzen bilden die Reaktantpolymere ein dreidimensionales Netz.
Die Komponente A kann ein zweites Reaktantpolymer und einen Katalysator umfassen. Der Katalysator kann ein Edelmetall umfassen. Der Katalysator ist zum Beispiel ein Platinkatalysator.
Das erste und das zweite Reaktantpolymer können den gleichen Molekültyp oder unterschiedliche Molekültypen umfassen. Die Reaktantpolymere umfassen Polysiloxane.
In einer Ausführungsform können die Komponenten A und B den gleichen Polysiloxan-Typ mit organischen Substituenten umfassen. Die organischen Substituenten können einen oder mehrere aus der Gruppe von Methyl-, Vinyl-, Phenyl- oder ähnlichen organischen Substituenten umfassen.
Hierbei ist das Vernetzungsmittel erforderlich, um eine Vernetzungsreaktion zwischen den bereitgestellten Reaktantpolymeren zu stimulieren, um den Rohkautschuk in einen gehärteten Silikonkautschuk umzuwandeln. Durch das Vernetzen bilden die Polymere ein dreidimensionales Netz.
Der Katalysator beschleunigt die Vernetzungsreaktion. Edelmetallkatalysatoren und insbesondere Platinkatalysatoren zeigen eine hohe Leistungsfähigkeit beim Beschleunigen der Vernetzungsreaktion.
Vor dem Spritzgießen werden beide Komponenten zu einer Reaktionsmischung gemischt und abgekühlt, um die Vernetzungsreaktion zu verzögern.
Zum Härten der gemischten Komponenten wird die Vernetzungsreaktion durch Erwärmen während oder nach dem Spritzgießen ausgelöst. Alternativ wird die Vernetzungsreaktion durch das Einwirken von UV-Strahlung gestartet. Welche Alternative ausgewählt wird, hängt von den Eigenschaften der verwendeten Reaktantmaterialien ab. Nach dem Härten ist das Gehäusematerial unschmelzbar.
Der beschriebene Flüssigspritzgießprozess wird bevorzugt, da Flüssigreaktanten verwendet werden. Für das Spritzgießen von Flüssigreaktanten ist ein vergleichsweise niedriger Spritzgießdruck erforderlich. Daher können empfindliche Sensorelemente mit empfindlicheren Strukturen an ihrer Außenfläche durch dieses Verfahren bedeckt werden ohne das Risiko, dass der Sensor während des Spritzgießens beschädigt wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden Reaktantkomponenten mit einer niedrigen Viskosität gewählt. Je niedriger die Viskosität ist, desto niedriger ist der erforderliche Druck für das Spritzgießen.
Die Viskosität der Reaktionsmischung liegt abhängig von dem verwendeten LSR zwischen 50.000 und 500.000 [mPa·s]. Die Reaktionsmischung kann thixotrope Eigenschaften aufweisen. Daher kann die Viskosität während des Spritzgießprozesses abnehmen.
Nachfolgend werden weitere beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren ausführlicher beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt. In den Figuren können ähnliche Elemente, Elemente der gleichen Art und identisch funktionierende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bereitgestellt werden.

1 zeigt eine erste Ausführungsform des Sensors mit einem quaderförmigen Gehäuse und mit einem Verbindungselement;
2 zeigt eine Schnittansicht der ersten Ausführungsform, wobei Anschlusselemente des Sensorelements an Drähte des Verbindungselements gelötet sind;
3 zeigt die erste Ausführungsform in einer anderen perspektivischen Ansicht;
4 zeigt eine zweite Ausführungsform des Sensors mit einem zweiteiligen zylindrischen Gehäuse und mit einem Verbindungselement;
5 zeigt eine Schnittansicht der zweiten Ausführungsform, wobei Anschlusselemente des Sensorelements an Drähte des Verbindungselements gecrimpt sind.

Der Sensor 1 in den 1 bis 3 umfasst ein Sensorelement 2, das ein temperaturempfindliches Bauteil 21 und ein Paar Anschlusselemente 22 umfasst. Das Paar Anschlusselemente 22 für eine elektrische Verbindung ist zwischen dem temperaturempfindlichen Bauteil 21 und einem Verbindungselement angeordnet.
Das gesamte Sensorelement 2 ist von einem einteiligen, enganliegenden und undurchlässigen Gehäuse 8 bedeckt, welches das Sensorelement 2 vollständig einkapselt. In einer Ausführungsform weist das Gehäuse 8 eine Quaderform auf. Die Form und die Struktur des Gehäuses 8 können gemäß der Anwendung des Sensors modifiziert werden.
Das temperaturempfindliche Bauteil 21 ist innerhalb des Gehäuses 8 an einem ersten Ende, das als Sensorkopf 3 bezeichnet wird, des Sensorelements 2 angeordnet.
Das temperaturempfindliche Bauteil 21 besteht aus einem Thermistormaterial. Bei der ersten Ausführungsform weist das Thermistormaterial einen negativen Wärmekoeffizienten auf. Bei einer weiteren Ausführungsform kann das Thermistormaterial einen positiven Wärmekoeffizienten aufweisen.
Die Anschlusselemente 22 bestehen aus einem elektrisch leitfähigen Material wie zum Beispiel Nickel, Kupfer, Silber, einem ähnlichen leitfähigen Metall oder einer ihrer Legierungen. Die Anschlusselemente 22 werden an dem temperaturempfindlichen Bauteil 21 an einer zum Sensorkopf 3 entgegengesetzten Seite befestigt. Die Anschlusselemente 22 sind von dem Sensorkopf 3 weggerichtet.
Das Sensorelement der ersten Ausführungsform hat eine zylindrische Form und einen Durchmesser von ≤ 2,4 mm.
Der Sensor 1 der ersten Ausführungsform wird für Temperaturmessungen verwendet. Mögliche Anwendungen sind zum Beispiel Temperaturmessungen von chemischen Fluiden oder festen Oberflächen. Der Sensor 1 ist ausgelegt für Temperaturmessungen in einem erweiterten Messbereich von -40°C bis zu 250°C.
Darum steht der Sensorkopf 3 an dem ersten Ende des Sensorgehäuses 8 in einem Kontakt mit einer zu messenden Oberfläche.
Die Wärme des Mediums 4 wird durch das dünne Gehäuse 8 an dem Sensorkopf 3 schnell zu dem temperaturempfindlichen Bauteil geleitet.
An einem zweiten Ende 5 des Sensorgehäuses 8 sind zwei isolierte Drähte 6 an den Anschlusselementen des Sensorelements 2 als ein elektrisches Verbindungselement befestigt. Die Drähte 6 sind durch Lötverbindungen 62 an den Anschlusselementen befestigt. Der Teil der Drähte 6, der in einem Kontakt mit den Anschlusselementen 22 steht, ist nicht isoliert. Die Isolation der verbleibenden Drähte besteht aus einem Silikonmaterial.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist das zweite Ende 5 die Seite des Gehäuses 8 mit dem größten Abstand zu dem Sensorkopf 3.
In der Figur wird nur ein Teil der isolierten Drähte 6 gezeigt. Weitere Abschnitte der isolierten Drähte 6 werden in der Figur nicht gezeigt. An dem Ende der isolierten Drähte 6, der nicht in den Figuren gezeigt wird, kann ein Stecker befestigt werden, um die isolierten Drähte 6 mit einer elektrischen Schaltung zu verbinden.
Bei der gezeigten Ausführungsform werden ein Abschnitt 7 der isolierten Drähte 6 in der Nachbarschaft zu dem Sensorelement 2, die Lötverbindung 62 und das Sensorelement 2 von dem Gehäuse 8 bedeckt.
Das Gehäuse 8 umfasst flüssigen Silikonkautschuk (Liquid Silicone Rubber, LSR) als Hauptkomponente. Das Gehäuse wird durch Spritzgießen auf den Sensor aufgebracht. Das geformte Gehäuse 8 besteht aus nur einer Schicht, deren Innenfläche sich geschmeidig und enganliegend an die Form des Sensorelements 2 anpasst. Daher passt das Gehäuse 8 genau auf das Sensorelement 2. Die Außenfläche des Gehäuses wird durch eine Gießform gebildet.
Das Gehäusematerial kann weitere Komponenten umfassen. Da der LSR die Hauptkomponente ist, liegt der Anteil des LSR in dem Gehäusematerial bei mindestens 50 Gew.-%. Das Gehäusematerial umfasst außerdem Zusatzstoffe und Füllmaterialien. Mögliche Füllmaterialien sind Oxidkeramiken, die Oxide von Silizium und/oder Aluminium enthalten. Außerdem können Nitride wie zum Beispiel A1N und BN oder Carbide wie zum Beispiel SiC als Füllmaterialien verwendet werden.
Diese Füllmaterialien können mehrere Eigenschaften des Gehäusematerials beeinflussen wie zum Beispiel seine Zugfestigkeit, seine Härte, seine Durchschlagfestigkeit, seine Wärmeausdehnung und seine Wärmeleitfähigkeit.
Daneben können Farbstoffe hinzugefügt werden, um das transparente LSR-Material zu färben.
Das Gehäusematerial besteht jedoch aus einer einzigen homogenen Schicht, wobei die hinzugefügten Stoffe in der LSR-Phase homogen aufgelöst werden.
Das Gehäusematerial der ersten Ausführungsform wird durch Flüssigspritzgießen auf den Sensor 1 aufgebracht. Aufgrund der niedrigen Viskosität der Flüssigreaktanten kann an dem Sensorkopf 3 eine geringe Gehäusewandstärke ≥ 0,2 mm erreicht werden. Die niedrige Gehäusewandstärke verkürzt die Antwortzeit des Sensors.
Darüber hinaus weist das Gehäusematerial stark hydrophobe Eigenschaften auf und stellt somit einen guten Schutz für die elektrischen Komponenten gegen Wasser und Feuchtigkeit bereit.
Die mögliche Ausdehnung vor dem Zerbrechen des gewählten Gehäusematerials liegt bei mehr als 100 %. Die Ausdehnung wird als die mögliche elastische Verformung einer Komponente in Bezug auf seine ursprüngliche Länge definiert. Aufgrund seiner Straffheit und seiner Elastizität stellt das Gehäuse einen starken mechanischen Schutz insbesondere bei der Stoßdämpfung bereit.
Darüber hinaus weist der LSR eine hohe chemische Widerstandsfähigkeit auf. Daher ist er geeignet zum Schützen des Sensors während der Temperaturmessungen in aggressiven chemischen Medien.
Die Viskosität des ungehärteten LSR hängt von der jeweiligen Anwendung ab und liegt in einem Bereich zwischen 50.000 und 500.000 [mPa·s]. Die Viskosität nimmt während des Spritzgießprozesses aufgrund des strukturviskosen Verhaltens des LSR-Materials ab.
Der ungehärtete LSR ist eine Mischung von flüssigen Komponenten, die eine Komponente A und eine Komponente B umfassen. Die Komponente A umfasst ein Polysiloxan mit organischen Substituenten und einen Platinkatalysator. Die Komponente B umfasst auch ein Polysiloxan mit organischen Substituenten und ein Vernetzungsmittel.
Die Komponenten A und B können den gleichen Polysiloxan-Typ mit den gleichen organischen Gruppen oder unterschiedliche Polysiloxan-Typen mit unterschiedlichen organischen Gruppen umfassen. Die organischen Substituenten können Methyl-, Vinyl-, Phenyl- oder ähnliche Substituenten sein.
Durch Einwirken von UV-Strahlung oder durch Erwärmen wird die Vernetzungsreaktion des Polysiloxans ausgelöst. Die Vernetzungsreaktion wandelt die flüssige Mischung in ein festes Gehäusematerial.
Der gehärtete LSR weist die folgenden Eigenschaften auf: Die Wärmeleitfähigkeit von LSR ohne einen Zusatzstoff liegt bei 100°C typischerweise zwischen 0,2 und 0,5 W/(m·K). Der Wärmeausdehnungskoeffizient beträgt ungefähr 2 × 10^-4 bis 4 × 10^-4 K. Die eingestellt Komprimierung erreicht typischerweise 5 bis 25 %. Die Härte erreicht typischerweise 10 bis 90 Shore-A. Die Durchschlagfestigkeit gemäß DIN-IEC 243-2 liegt bei 20 kV/mm oder mehr.
3 zeigt die erste Ausführungsform des Sensors 1 aus einer anderen Perspektive. Die Elemente, die weiter oben beschrieben wurden, werden nicht erneut beschrieben.
In der ersten Ausführungsform bestehen die isolierten Drähte 6 jeweils aus einem einzigen Draht. In einer weiteren Ausführungsform sind die Drähte 6 Litzendrähte.
In einer weiteren Ausführungsform kann das Sensorelement in Kontakt mit mehr als zwei isolierten Drähten stehen.
In einer noch weiteren Ausführungsform umfasst der Sensor zwei oder mehr Sensorelemente, die von dem gleichen oder von mehreren Gehäusen bedeckt werden.
Die 4 und 5 zeigen eine zweite Ausführungsform des Sensors 1. Grundsätzlich ist die zweite Ausführungsform ähnlich wie die erste Ausführungsform des Sensors 1 ausgeführt.
Im Unterschied zur ersten Ausführungsform ist das Sensorgehäuse 8 hier als ein zweiteiliger Zylinder gestaltet. Der Abschnitt 9 des Zylinders an der Seite des zweiten Endes 5 weist einen größeren Durchmesser als der Abschnitt 10 an der Seite des ersten Endes 3 auf.
Daher kann der Abschnitt 9 an der Seite des zweiten Endes 5 eine gecrimpte Verbindung 62 zwischen den Drähten 6 und den Anschlusselementen 22 beherbergen. Ein Abschnitt der Drähte 6, der in Kontakt mit den Anschlusselementen steht, ist nicht isoliert. Die Anschlusselemente sind an der Seite des zweiten Endes 5 des temperaturempfindlichen Bauteils 21 angeordnet und von dem Sensorkopf 3 weggerichtet.
Das Sensorelement 2, die gecrimpte Verbindung 62 und ein Abschnitt 7 der Drähte 6 werden durch das Gehäuse 8 bedeckt.
Ein zu messendes Fluidmedium 4 steht zumindest mit dem dünneren Abschnitt 10 des Sensorgehäuses 8, das den Sensorkopf 3 enthält, in Kontakt. Die dünne Wandstärke an dem dünneren Abschnitt 10 des Gehäuses 8 erlaubt eine kurze Antwortzeit für Temperaturmessungen. In einer weiteren Ausführungsform stehen das gesamte Gehäuse 8 und die isolierten Drähte 6 in Kontakt mit dem zu messenden Medium 4.
In einer weiteren Ausführungsform, die nicht in den Figuren gezeigt wird, ist das Verbindungselement für eine elektrische Verbindung ein Leadframe anstelle von Drähten.
Bezugszeichenliste

1: Sensor
2: Sensorelement
21: temperaturempfindliches Bauteil
22: Anschlusselement
3: erstes Ende des Sensorelements 2
4: zu messendes Medium
5: zweites Ende des Sensorelements 2
6: Draht
62: Verbindung zwischen Anschlusselement und Draht
7: bedeckter Abschnitt der isolierten Drähte 6
8: Gehäuse
9: Breiter Abschnitt des Sensorgehäuses 8
10: Dünner Abschnitt des Sensorgehäuses 8

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 69323126 T2 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN-IEC 243-2 [0089]

Claims

Sensor (1) der ein Sensorelement (2), ein Verbindungselement zur elektrischen Verbindung und ein Gehäuse (8) umfasst, das auf das Sensorelement aufgebracht wird, wobei das Gehäuse (8) ein Gehäusematerial mit einem gehärteten flüssigen Silikonkautschuk (Liquid Silicone Rubber, LSR) als Hauptkomponente umfasst.
Sensor (1) nach Anspruch 1, wobei das Sensorelement (2) ein temperaturempfindliches Bauteil umfasst.
Sensor (1) nach Anspruch 2, wobei das temperaturempfindliche Bauteil ein Thermistormaterial umfasst.
Sensor (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 3, wobei das Verbindungselement einen elektrischen Draht (6) umfasst.
Sensor (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 3, wobei das Verbindungselement einen Leadframe umfasst.
Sensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Gehäusematerial eine Wärmeleitfähigkeit von 0,2 bis 0,3 W/(m·K) bei 100°C aufweist.
Sensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Gehäusematerial einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 2 × 10^-4 bis 4 × 10^-4 K aufweist.
Sensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Gehäusematerial eine Härte von 10 bis 90 Shore-A aufweist.
Sensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Gehäusematerial eine Durchschlagfestigkeit von 20 kV/mm oder mehr aufweist.
Sensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Gehäuse (8) auf einen Teil des Verbindungselements aufgebracht wird.
Sensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Gehäuse (8) durch Spritzgießen aufgebracht wird.
Sensor (1) nach Anspruch 11, wobei das Gehäuse (8) durch Flüssigspritzgießen aufgebracht wird.