-
Technisches Gebiet
-
Die Erfindung betrifft einen Sensor, insbesondere Drucksensor, umfassend ein Sensierelement zur Detektion einer Eigenschaft und/oder Zusammensetzung eines Umgebungsmediums des Sensors.
-
Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Herstellen eines Sensors, insbesondere eines Drucksensors, umfassend die Schritte
- - Bereitstellen eines Gehäuses mit einer Öffnung,
- - Einbringen des Sensierelements in das Gehäuse und
- - Verschließen der Öffnung des Gehäuses mittels einer Abdeckung.
-
Stand der Technik
-
Obwohl die vorliegende Erfindung allgemein auf beliebige Sensoren anwendbar ist, wird die vorliegende Erfindung in Bezug auf Sensoren in Form von medienrobusten, gekapselten Drucksensoren erläutert.
-
Medienrobuste, dicht gekapselte Drucksensoren beziehungsweise -packages, beipielsweise nach dem Prinzip der Ölvorlage, werden verwendet, wenn in korrosiven Umgebungen wie beispielsweise in Hydrauliksystemen, Drücke gemessen werden müssen. Das medienrobuste, vollständig geschlossene Package schützt dabei die in ihrem Inneren befindliche Sensier- und Auswerteelektronik vor der korrosiven Umgebung und ermöglicht dennoch die Bestimmung des äußeren Druckes. Die Übertragung des Drucksignals von der Packageaußenseite zum innenliegenden Sensierelement erfolgt bei diesem Packagetyp über eine nachgiebige Membran, die als Teil der Packageaußenoberfläche ausgeführt ist und über ein inkompressibles Fluid, durch welches das Innere des Packages vollständig gefüllt ist.
-
Die beiden Zielsetzungen „Übertragung des Außendrucks zum Sensierelement“ und „Schutz der elektronischen Komponenten vor der Umgebung“ stehen dabei in Konflikt zueinander. Hierzu sind zwei konstruktive Lösungen bekannt geworden, diesen Konflikt aufzulösen.
-
Bei der ersten Lösung wird der Packageinnenraum vor Fügen der nachgiebigen Membran vollständig mit inkompressiblem Fluid geflutet. In diesem Zustand wird dann die nachgiebige Membran auf das Gehäuse gefügt. Um zu gewährleisten, dass der gesamte Packageinnenraum mit inkompressiblem Fluid geflutet ist, muss sich die Fügestelle Gehäuse/Membran unter dem Fluidspiegel des inkompressiblen Fluids befinden. Um sicher zu stellen, dass der gesamte Packageinnenraum mit dem inkompressiblem Fluid gefüllt ist, das heißt keine Luftblasen im Package verbleiben, erfolgt das Befüllen üblicherweise in einer abgeschlossenen Kammer unter Vakuum.
-
Bei der zweiten Lösung sind Befüllöffnungen für das inkompressible Fluid und die Fügestelle für die nachgiebige Membran räumlich getrennt: die Baugruppe wird zunächst vollständig im trockenen Zustand aufgebaut. Dabei kann die nachgiebige Membran beispielsweise per Schweißen auf das Gehäuse gefügt werden. Danach erst erfolgt unter Vakuum das Befüllen des Packageinnenraums mit inkompressiblem Fluid durch eine oder mehrere Befüllöffnungen. Das anschließende Verschließen der Befüllöffnungen erfolgt ebenfalls unter Vakuum und kann beispielsweise durch Einpressen von geeigneten Stopfen erfolgen.
-
Problematisch hierbei ist jedoch, dass das Befüllen unter Vakuum aufwendig und kostenintensiv ist beziehungsweise der erhöhte Platzbedarf und die eingeschränkte Flexibilität hinsichtlich der elektrischen Signalführung durch die räumlich von der Fügestelle Gehäuse/Membran getrennten Befüllöffnungen.
-
Offenbarung der Erfindung
-
In einer Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung einen Sensor, insbesondere Drucksensor, bereit
umfassend
ein Sensierelement zur Detektion einer Eigenschaft und/oder Zusammensetzung eines Umgebungsmediums des Sensors,
ein Übertragungsmedium zur Übertragung von einer Eigenschaft und/oder Zusammensetzung des Umgebungsmediums auf das Sensierelement, wobei das Übertragungsmedium so angeordnet ist, dass das Sensierelement von dem Übertragungsmedium beaufschlagt ist, und
eine Abdeckung, die das Übertragungsmedium von dem Umgebungsmedium beabstandet und wobei die Abdeckung aus einem selbstheilenden Material hergestellt ist, insbesondere wobei die Abdeckung als nachgiebige Membran ausgebildet ist.
-
In einer weiteren Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Sensors, insbesondere eines Drucksensors, bereit,
umfassend die Schritte
- - Bereitstellen eines Gehäuses mit einer Öffnung,
- - Einbringen des Sensierelements in das Gehäuse,
- - Verschließen der Öffnung des Gehäuses mittels einer Abdeckung, insbesondere ausgebildet als nachgiebige Membran, wobei die Abdeckung aus einem selbstheilenden Material hergestellt ist und wobei ein Innenraum im Gehäuse gebildet wird,
- - Herstellen zumindest einer temporären Öffnung in der Abdeckung,
- - Einbringen des Übertragungsmediums in den Innenraum durch die zumindest eine temporäre Öffnung in der Abdeckung und
- - Verschließen der temporären Öffnung.
-
Ein möglicher Vorteil kann dabei sein, dass auf einfache und kostengünstige Weise ein Befüllen des Sensors mit dem inkompressiblen Fluid ermöglicht wird. Ein möglicher weiterer Vorteil kann die hohe Flexibilität sein, da keine Befüllöffnungen die elektrische Signalführung für den Sensor behindern oder einschränken. Ein möglicher weiterer Vorteil kann sein, dass der Platzbedarf bei der Herstellung gesenkt werden kann.
-
Unter dem Begriff „selbstheilendes Material“ sind sämtliche Materialien zu verstehen, die selbst (aktiv) oder durch Initiierung (passiv) zumindest physikalische Beschädigungen zumindest teilweise kompensieren. Beispiele für selbstheilende Materialien sind in der Nicht-Patent-Literatur Ghosh S. „Self-healing Materials: Fundamentals, Design Strategies, and Applications“, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, ISBN: 978-3-527-31829-2, und in der Nicht-Patent-Literatur von Bartlett M. et al. „Self-healing materials for soft-matter machines and electronics“, NPG Asia Materials (2019) 11:21, https://doi.org/10.1038/s41427-019-0122-1, aufgeführt, welche hiermit durch Verweis einbezogen sind.
-
Weitere Merkmale, Vorteile und weiterer Ausführungsformen der Erfindung sind im Folgenden beschrieben oder werden dadurch offenbar.
-
Gemäß einer Weiterbildung ist das Übertragungsmedium ein inkompressibles Fluid, insbesondere ein Öl. Auf diese Weise kann auf einfache und kostengünstige Weise ein Übertragungsmedium bereitgestellt werden, um insbesondere Eigenschaften des Umgebungsmediums auf das Sensierelement zu übertragen.
-
Gemäß einer weiteren Weiterbildung ist auf der Abdeckung eine Schutzschicht, insbesondere in Form einer Metallschicht, angeordnet. Vorteil einer Schutzschicht ist, dass die Abdeckung, insbesondere in Form der nachgiebigen Membran, vor Umwelteinflüssen wie dem Umgebungsmedium oder auch elektromagnetischer Strahlung wie Licht oder dergleichen geschützt wird. Insgesamt wird damit die Lebensdauer des Sensors erhöht.
-
Gemäß einer weiteren Weiterbildung umfasst der Sensor ein Gehäuse, in welchem das Sensierelement und das Übertragungsmedium angeordnet sind und wobei die Abdeckung das Gehäuse nach zumindest einer Seite abschließt und wobei auf einer Außenseite des Gehäuses eine insbesondere umlaufende Dichtung angeordnet ist. Vorteil hiervon ist eine einfachere Integration des Sensors in ein Endprodukt.
-
Gemäß einer weiteren Weiterbildung des Verfahrens erfolgt das Verschließen der zumindest einen temporären Öffnung selbsttätig und/oder erst nach einer entsprechender Initiierung mit Initiierungsmitteln. Vorteil eines selbsttätigen Verschließens ist die Einfachheit des Vorgangs. Es muss nichts weiter vorgenommen werden, um die Öffnung zu verschließen. Bei einem zu initiierenden Verschließen der Öffnung ist der Vorteil, dass dies zu passender Zeit und gesteuert vorgenommen kann.
-
Gemäß einer weiteren Weiterbildung des Verfahrens erfolgt das Herstellen der zumindest einen temporären Öffnung in der Abdeckung mittels Durchstoßen der Abdeckung mittels eines spitzen und/oder schmalen Gegenstands, insbesondere in Form einer Kanüle. Vorteil hiervon ist eine besonders einfache und schnelle Herstellung einer temporären Öffnung. „Schmal“ und „spitz“ bedeutet insbesondere, dass die „selbstheilende“ Eigenschaft‟ des Materials der Membran nicht durch die Ausbildung des Gegenstands beeinträchtigt wird, denn üblicherweise geht die „selbstheilende Eigenschaft“ bei zu großen Beschädigungen für diese verloren. Insoweit ist „schmal“ und „spitz“ im Hinblick auf das selbstheilende Material zu verstehen: ein Material mit geringen selbstheilenden Eigenschaften erfordert beispielsweise eine schmalere und/oder spitzere Kanüle als ein Material mit großen selbstheilenden Eigenschaften.
-
Gemäß einer weiteren Weiterbildung des Verfahrens erfolgt das Einbringen des Übertragungsmediums durch den spitzen und/oder schmalen Gegenstand in Form einer Kanüle. Vorteil hiervon ist, dass besonders einfach das Übertragungsmedium in den Innenraum eingebracht werden kann. Ein aufwendiges Absetzen des spitzen und/ oder schmalen Gegenstands und Einbringen des Übertragungsmediums über eine weitere Zuführeinrichtung entfällt.
-
Gemäß einer weiteren Weiterbildung des Verfahrens werden zumindest zwei temporäre Öffnungen in der Abdeckung gebildet und das Einbringen des Übertragungsmediums erfolgt über eine der zumindest zwei temporären Öffnungen und der Innenraum wird über die zweite der zumindest zwei temporären Öffnungen entlüftet, insbesondere aktiv. Vorteil hiervon ist, dass damit ein schnelles und gleichzeitig blasenfreies Befüllen des Innenraums mit inkompressiblem Fluid ermöglicht wird. Eine aktive Entlüftung kann dadurch erfolgen, dass über die zweite Öffnung beispielsweise mittels einer zweiten Kanüle der Innenraum mit Unterdruck beaufschlagt wird. Befüllt wird dann soweit, bis inkompressibles Fluid aus der Öffnung heraustritt beziehungsweise sich in der zweiten Kanüle außerhalb des Innenraums sammelt.
-
Gemäß einer weiteren Weiterbildung des Verfahrens erfolgt die Initiierung mittels optischer und/oder thermischer Beaufschlagung der Abdeckung. Damit kann auf einfache und gleichzeitig zuverlässige Weise ein Verschließen der Öffnungen initiiert werden.
-
Gemäß einer weiteren Weiterbildung des Verfahrens wird auf der Abdeckung eine Schutzschicht, insbesondere eine dünne Metallschicht, aufgebracht, vorzugsweise mittels physikalischer Dampfphasenabscheidung. Vorteil einer Schutzschicht ist, dass die Abdeckung, insbesondere in Form der nachgiebigen Membran vor Umwelteinflüssen, wie dem Umgebungsmedium oder auch Licht oder dergleichen, geschützt wird. Insgesamt wird damit die Lebensdauer des Sensors erhöht.
-
Gemäß einer weiteren Weiterbildung des Verfahrens wird auf der Außenseite des Gehäuses eine Dichtung bereitgestellt, insbesondere wobei mittels eines Zweikomponentenspritzgießverfahrens in einem ersten Schritt das Gehäuse hergestellt wird und in einem zweiten Schritt die Abdeckung und die Dichtung gemeinsam hergestellt werden. Vorteil hiervon ist zum einen eine einfachere Integration des Sensors in ein Endprodukt, zum anderen wird eine einfache und schnelle Herstellung des Sensors mit Dichtung bereitgestellt.
-
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.
-
Figurenliste
-
Dabei zeigt in schematischer Form
- 1 einen Sensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Querschnitt vor dem Befüllen;
- 2 den Sensor gemäß 1 mit durch die Membran hindurchgestoßenen Kanülen;
- 3 den Sensor gemäß 2 mit durch die Membran hindurchgestoßenen Kanülen nach dem vollständigen Befüllen;
- 4 den Sensor gemäß 3 im Endzustand;
- 5 einen Sensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Endzustand; und
- 6 Schritte eines Verfahrens zur Herstellung eines Sensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
-
Ausführungsformen der Erfindung
-
1 zeigt einen Sensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Querschnitt vor dem Befüllen, 2 den Sensor gemäß 1 mit durch die Membran hindurchgestoßenen Kanülen, 3 den Sensor gemäß 2 mit durch die Membran hindurchgestoßenen Kanülen nach dem vollständigen Befüllen und 4 den Sensor gemäß 3 im Endzustand.
-
Im Detail zeigen die 1-4 jeweils einen Sensor 1, der ein Substrat 2 und eine im Substrat 2 angeordnete Umverdrahtungsebene (nicht dargestellt) aufweist. In einem auf dem Substrat 2 angeordneten Gehäuse in Form einer Hülse 6 ist ein Chipset 4 mit zumindest einem Sensierelement 4a angeordnet. Das Chipset 4 umfasst beispielsweise eine Auswerteelektronik für das Sensierelement 4a. Das Sensierelement 4a kann als MEMS-Sensierelement 4a ausgeführt sein.
-
Die Hülse 6 wird somit auf der einen Seite durch das Substrat 2 abgeschlossen, auf der anderen Seite wird die Hülse 6 mittels einer nachgiebigen Membran 7 aus selbstheilendem Material verschlossen. Dadurch wird ein Innenraum 5 gebildet. Die selbstheilende Membran 7 kann dabei mittels Schweißen gefügt werden oder aber Gehäuse 6 und Membran 7 durch Zweikomponentenspritzguß gemeinsam hergestellt werden.
-
Zur Befüllung des Innenraums 5 werden nun in hinreichendem Abstand voneinander zwei schmale Kanülen 8 durch die nachgiebige Membran 7 gestoßen. Es werden somit zwei temporäre Öffnungen 12 gebildet. Dieser Schritt kann optional unter Vakuum durchgeführt werden.
-
Über die eine der beiden Kanülen 8 - in 3 die linke Kanüle - wird nun ein inkompressibles Fluid 9 in den Innenraum 5 gefüllt. Hierbei kann aktiv über die zweite Kanüle 8 der Innenraum entlüftet werden und/oder mit Unterdruck beaufschlagt werden. Der Innenraum 5 ist vollständig gefüllt, wenn der Pegel in der rechten Kanüle 8 oberhalb der Ebene der nachgiebigen Membran 7 steht. Anschließend werden die beiden Kanülen 8 entfernt.
-
Nach dem Entfernen der Kanülen 8 erfolgt die Selbstheilung der nachgiebigen Membran 7 entweder ohne weiteres Zutun oder unterstützt durch einen geeigneten Stimulus, beispielsweise mittels optischer und/oder thermischer Bestrahlung oder allgemein durch eine thermische Umordnung der Membranbestandteile. Die temporären Öffnungen 12 werden somit verschlossen.
-
In einem weiteren optionalen Prozessschritt erfolgt das Auftragen einer dünnen Metallschicht 10, beispielsweise mittels physikalischer Dampfphasenabscheidung, um Diffusionsvorgänge durch die nachgiebige Membran 7 zu unterbinden und die nachgiebige Membran 7 vor Umwelteinflüssen wie beispielsweise UV-Licht zu schützen.
-
5 zeigt einen Sensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Endzustand.
-
5 zeigt im Wesentlichen einen Sensor 1 gemäß 4. Im Unterschied zum Sensor 1 gemäß 4 fehlt beim Sensor 1 gemäß 5 die Metallschicht 10. Weiterhin ist auf der Außenseite der Hülse 6 eine umlaufende Dichtung 11 angeordnet. Die Dichtung 11 kann dazu dienen, im Weiterverbau, das heißt bei Systemintegration des Sensors 1 in beispielsweise ein Consumerelektronikprodukt, wie beispielsweise ein Smartphone, die Fügestelle zwischen Gehäuse 6 des Sensors 1 und Gehäuse des übergeordneten Systems, beispielsweise eines Smartphones oder dergleichen abzudichten. Hierzu kann das Herstellungsverfahren Zweikomponentenspritzguss angewendet werden: im ersten Moldschuss wird das Gehäuse 6 des Sensors 1 als Hartkomponente erzeugt. Anschließend wird im zweiten Moldschuss die nachgiebige Membran 7 sowie die äußere Dichtung 11 gemeinsam erzeugt.
-
6 zeigt Schritte eines Verfahrens zur Herstellung eines Sensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
-
Im Detail ist in 6 Schritte eines Verfahrens zum Herstellen eines Sensors, insbesondere eines Drucksensors gezeigt.
-
Dieses umfasst die Schritte
- - Bereitstellen S1 eines Gehäuses mit einer Öffnung,
- - Einbringen S2 des Sensierelements in das Gehäuse,
- - Verschließen S3 der Öffnung des Gehäuses mittels einer Abdeckung, insbesondere ausgebildet als nachgiebige Membran, wobei die Abdeckung aus einem selbstheilenden Material hergestellt ist und wobei ein Innenraum im Gehäuse gebildet wird,
- - Herstellen S4 zumindest einer temporären Öffnung in der Abdeckung,
- - Einbringen S5 des Übertragungsmediums in den Innenraum durch die zumindest eine temporäre Öffnung in der Abdeckung und
- - Verschließen S6 der temporären Öffnung.
-
Zusammenfassend kann zumindest eine der Ausführungsformen der Erfindung zumindest eines der folgenden Merkmale und/oder einen der folgenden Vorteile bereitstellen:
- - Einfache Herstellung, insbesondere einer Vielzahl von Sensoren, insbesondere von medienresistenten verschlossenen Drucksensoren
- - Geringer Bauraum
- - Zuverlässige und schnelle Befüllung mit dem inkompressiblen Fluid
- - Geringe Herstellungskosten
-
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
