DE102020210051A1 - Sensor and method for manufacturing a sensor - Google Patents

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DE102020210051A1 DE102020210051.9A DE102020210051A DE102020210051A1 DE 102020210051 A1 DE102020210051 A1 DE 102020210051A1 DE 102020210051 A DE102020210051 A DE 102020210051A DE 102020210051 A1 DE102020210051 A1 DE 102020210051A1
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Joachim Friedl
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor, insbesondere Drucksensor, umfassendein Gehäuse, welches einen Innenraum aufweist, der mit einer flexiblen Abdeckung gegenüber einem Umgebungsmedium abgeschlossen ist,ein in dem Innenraum angeordnetes Sensierelement zur Detektion einer Eigenschaft und/oder Zusammensetzung eines Umgebungsmediums des Sensors,ein den Innenraum ausfüllendes Übertragungsmedium zur Übertragung von einer Eigenschaft und/oder Zusammensetzung des Umgebungsmediums auf das Sensierelement, undeine Kompensationseinrichtung, wobei die Kompensationseinrichtung ausgebildet ist, Volumen- und/oder Druckänderungen des Übertragungsmediums, insbesondere bedingt durch Temperaturänderungen, zumindest teilweise zu kompensieren.The present invention relates to a sensor, in particular a pressure sensor, comprising a housing which has an interior space which is closed off from a surrounding medium with a flexible cover, a sensing element arranged in the interior space for detecting a property and/or composition of a surrounding medium of the sensor, a den Transmission medium filling the interior space for transmitting a property and/or composition of the surrounding medium to the sensing element, anda compensation device, wherein the compensation device is designed to at least partially compensate for volume and/or pressure changes in the transmission medium, in particular caused by temperature changes.

Description

Technisches Gebiettechnical field

Die Erfindung betrifft einen Sensor, insbesondere Drucksensor, umfassend ein Gehäuse, welches einen Innenraum aufweist, der mit einer flexiblen Abdeckung gegenüber einem Umgebungsmedium abgeschlossen ist, und ein in dem Innenraum angeordnetes Sensierelement zur Detektion einer Eigenschaft und/oder Zusammensetzung eines Umgebungsmediums des Sensors.The invention relates to a sensor, in particular a pressure sensor, comprising a housing which has an interior space which is sealed off from a surrounding medium by a flexible cover, and a sensing element arranged in the interior space for detecting a property and/or composition of a surrounding medium of the sensor.

Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Herstellen eines Sensors, insbesondere eines Drucksensors, umfassend die Schritte

  • - Bereitstellen eines Gehäuses, welches einen Innenraum aufweist, der mit einer flexiblen Abdeckung gegenüber einem Umgebungsmedium abgeschlossen ist,
  • - Einbringen eines Sensierelements in den Innenraum zur Detektion einer Eigenschaft und/oder Zusammensetzung eines Umgebungsmediums des Sensors, und
  • - Einbringen eines Übertragungsmediums in den Innenraum zur Übertragung von einer Eigenschaft und/oder Zusammensetzung des Umgebungsmediums auf das Sensierelement.
The invention further relates to a method for producing a sensor, in particular a pressure sensor, comprising the steps
  • - Providing a housing which has an interior space which is closed off with a flexible cover with respect to an ambient medium,
  • - Introducing a sensing element into the interior space for detecting a property and/or composition of a medium surrounding the sensor, and
  • - Introducing a transmission medium into the interior space for the transmission of a property and/or composition of the surrounding medium to the sensing element.

Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Betreiben eines Sensors.The invention further relates to a method for operating a sensor.

Stand der TechnikState of the art

Obwohl die vorliegende Erfindung allgemein auf beliebige Sensoren anwendbar ist, wird die vorliegende Erfindung in Bezug auf Sensoren in Form von hermetisch dicht gekapselten Drucksensoren erläutert.Although the present invention is generally applicable to any sensors, the present invention will be explained with reference to sensors in the form of hermetically sealed pressure sensors.

Hermetisch dicht gekapselte Drucksensorpackages nach dem Prinzip der Ölvorlage werden verwendet, wenn in korrosiven Umgebungen, wie beispielsweise in Hydrauliksystemen, Drücke gemessen werden müssen. Das hermetische Package schützt dabei die in ihrem Inneren eines Gehäuses angeordnete Sensier- und Auswerteelektronik vor der korrosiven Umgebung und ermöglicht dennoch die Bestimmung des äußeren Druckes. Die Übertragung des Drucksignals von der Außenseite des Gehäuses zum innenliegenden Sensierelement erfolgt hier über eine nachgiebige Membran, die als Teil der Gehäuseaußenoberfläche ausgeführt ist und über ein inkompressibles Fluid, durch welches das Innere des Gehäuses vollständig gefüllt ist.Hermetically sealed pressure sensor packages based on the oil reservoir principle are used when pressures have to be measured in corrosive environments, such as in hydraulic systems. The hermetic package protects the sensor and evaluation electronics located inside a housing from the corrosive environment and still allows the external pressure to be determined. The transmission of the pressure signal from the outside of the housing to the internal sensing element takes place here via a flexible membrane, which is designed as part of the outer surface of the housing, and via an incompressible fluid, through which the interior of the housing is completely filled.

Problematisch hierbei ist, dass das inkompressible Fluid im Inneren des Gehäuses einen anderen, insbesondere größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten CTE - coefficient of thermal expansion - aufweist als die übrigen Teile des Sensors. Aus diesem Grund führt ein Temperaturanstieg im Inneren des Gehäuses zu einer Änderung, insbesondere einer Vergrößerung des Innendrucks im Innenraum des Gehäuses, was zu Fehlmessungen führt.The problem here is that the incompressible fluid inside the housing has a different, in particular larger coefficient of thermal expansion CTE than the other parts of the sensor. For this reason, an increase in the temperature inside the case causes a change, particularly an increase in the internal pressure inside the case, resulting in erroneous measurements.

Zur Lösung dieses Problems ist es bekannt geworden, eine Temperaturmessung im Inneren des Gehäuses vorzunehmen zur rechnerischen Kompensation des Messfehlers, basierend auf einer zuvor empirisch durch Kalibration bestimmten Korrekturfunktion. Problematisch hierbei ist, dass die rechnerische Kompensation ungenau ist. Weiter kann beispielsweise dadurch nicht verhindert werden, dass durch Temperaturänderung das eigentliche Sensierelement aus seiner Neutrallage heraus bewegt wird. Das kann zur Folge haben, dass das Sensierelement an einem suboptimalen Betriebspunkt ausgelesen werden muss, beispielsweise am Rand des spezifizierten Messbereichs, in einem Bereich, in dem seine Sensitivität bereits nachlässt.In order to solve this problem, it has become known to carry out a temperature measurement inside the housing in order to calculate the compensation for the measurement error, based on a correction function previously determined empirically by calibration. The problem here is that the calculated compensation is imprecise. Furthermore, it cannot be prevented, for example, that the actual sensing element is moved out of its neutral position as a result of a change in temperature. This can result in the sensing element having to be read out at a suboptimal operating point, for example at the edge of the specified measuring range, in a range in which its sensitivity is already decreasing.

Aus der DE 10 2006 055 484 A1 ist ein Selbsttest bei einem mikromechanischen Sensor offenbart. Für einen derartigen Selbsttest ist erforderlich, dass die Membran ein Heizmittel sowie ein Mittel zur Erfassung der Auslenkung der Membran aufweist. Für den Test wird dabei die Membran mittels des Heizmittels erwärmt, so dass diese sich aufgrund der thermischen Ausdehnung des Membranmaterials durchbiegt. Diese Durchbiegung erzeugt in einem entsprechenden Erfassungsmittel eine messbare Größe in Abhängigkeit von der Auslenkung der Membran. Wird bei einer vorgegebenen Erwärmung eine vorgegebene Auslenkung der Membran erreicht, so kann auf eine funktionsfähige Membran geschlossen werden. Wird andererseits jedoch diese vorgegebene Auslenkung nicht erreicht, so kann von einem Membrandefekt ausgegangen werden.From the DE 10 2006 055 484 A1 discloses a self-test for a micromechanical sensor. For such a self-test, it is necessary for the membrane to have a heating means and a means for detecting the deflection of the membrane. For the test, the membrane is heated by the heating means so that it bends due to the thermal expansion of the membrane material. This deflection generates a measurable variable in a corresponding detection means depending on the deflection of the membrane. If a predetermined deflection of the membrane is achieved with a predetermined heating, then it can be concluded that the membrane is functional. On the other hand, if this specified deflection is not reached, a diaphragm defect can be assumed.

Aus der DE 101 54 867 A1 ist ein Halbleiterbauelement, insbesondere ein mikromechanischer Drucksensor auf Basis von Silizium bekannt geworden, der eine Grundschicht, eine zumindest weitgehend freitragende Membran und eine auf der Membran befindliche Deckschicht aufweist, wobei die Membran und die Grundschicht zumindest bereichsweise einen Hohlraum begrenzen. Weiter ist zumindest bereichsweise über der Membran ein Leitbereich in der gegenüber dem Leitbereich elektrisch schlecht leitenden Deckschicht vorgesehen, mit dem die der Deckschicht zugewandte Oberfläche der Membran elektrisch kontaktierbar ist.From the DE 101 54 867 A1 a semiconductor component, in particular a micromechanical pressure sensor based on silicon, has become known, which has a base layer, an at least largely self-supporting membrane and a cover layer located on the membrane, the membrane and the base layer delimiting a cavity at least in regions. Furthermore, a conductive area is provided at least in regions above the membrane in the cover layer, which is electrically poorly conductive compared to the conductive area, with which the surface of the membrane facing the cover layer can be electrically contacted.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

In einer Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung einen Sensor, insbesondere Drucksensor, bereit,
umfassend
ein Gehäuse, welches einen Innenraum aufweist, der mit einer flexiblen Abdeckung gegenüber einem Umgebungsmedium abgeschlossen ist,
ein in dem Innenraum angeordnetes Sensierelement zur Detektion einer Eigenschaft und/oder Zusammensetzung eines Umgebungsmediums des Sensors,
ein den Innenraum ausfüllendes Übertragungsmedium zur Übertragung von einer Eigenschaft und/oder Zusammensetzung des Umgebungsmediums auf das Sensierelement, und
eine Kompensationseinrichtung, wobei die Kompensationseinrichtung ausgebildet ist, Volumen- und/oder Druckänderungen des Übertragungsmediums, insbesondere bedingt durch Temperaturänderungen, zumindest teilweise zu kompensieren.In one embodiment, the present invention provides a sensor, in particular a pressure sensor,
full
a housing which has an interior space which is sealed off from an ambient medium with a flexible cover,
a sensing element arranged in the interior for detecting a property and/or composition of a medium surrounding the sensor,
a transmission medium filling the interior for transmitting a property and/or composition of the surrounding medium to the sensing element, and
a compensation device, wherein the compensation device is designed to at least partially compensate for volume and/or pressure changes in the transmission medium, in particular caused by temperature changes.

In einer weiteren Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Sensors, insbesondere eines Drucksensors, bereit umfassend die Schritte

  • - Bereitstellen eines Gehäuses, welches einen Innenraum aufweist, der mit einer flexiblen Abdeckung gegenüber einem Umgebungsmedium abgeschlossen ist,
  • - Einbringen eines Sensierelements in den Innenraum zur Detektion einer Eigenschaft und/oder Zusammensetzung eines Umgebungsmediums des Sensors,
  • - Einbringen eines Übertragungsmediums in den Innenraum zur Übertragung von einer Eigenschaft und/oder Zusammensetzung des Umgebungsmediums auf das Sensierelement, und
  • - Anordnen einer Kompensationseinrichtung, die ausgebildet ist, Volumenänderungen des Übertragungsmediums, insbesondere bedingt durch Temperaturänderungen, zumindest teilweise zu kompensieren.
In a further embodiment, the present invention provides a method for producing a sensor, in particular a pressure sensor, comprising the steps
  • - Providing a housing which has an interior space which is closed off with a flexible cover with respect to an ambient medium,
  • - Introduction of a sensing element in the interior to detect a property and / or composition of a medium surrounding the sensor,
  • - Introducing a transmission medium into the interior for the transmission of a property and/or composition of the surrounding medium to the sensing element, and
  • - Arranging a compensation device, which is designed to at least partially compensate for changes in volume of the transmission medium, in particular due to temperature changes.

In einer weiteren Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Sensors gemäß einem der Ansprüche 1-7 bereit, wobei die Kompensationseinrichtung bei einer Änderung des Volumens und/oder des Drucks des Übertragungsmediums im Innenraum die Änderung zumindest teilweise kompensiert.In a further embodiment, the present invention provides a method for operating a sensor according to any one of claims 1-7, wherein the compensation device at least partially compensates for a change in the volume and/or the pressure of the transmission medium in the interior.

Ein möglicher Vorteil kann dabei sein, dass eine Kompensation einer insbesondere temperaturinduzierten Volumenänderung und somit der resultierenden Innendruckänderung ermöglicht wird: durch die Kompensationseinrichtung kann die Volumenänderung von inkompressiblem Fluid und Gehäuse kompensiert werden, so dass das Sensierelement trotz Temperaturänderung im Innenraum des Gehäuses weiterhin in seiner Neutrallage und damit an seinem optimalen Betriebspunkt ausgelesen werden kann.A possible advantage can be that a compensation of a temperature-induced volume change in particular and thus the resulting internal pressure change is made possible: the compensation device can compensate for the volume change of incompressible fluid and housing, so that the sensing element continues to be in its neutral position despite the temperature change in the interior of the housing and can thus be read out at its optimum operating point.

Ein möglicher weiterer Vorteil kann die Möglichkeit einer In-Field-Rekalibrierung sein: durch Einstellen definierter Betriebszustände der Kompensationseinrichtung können definierte Änderungen des Innendrucks des Übertragungsmediums im Innenraum des Gehäuses erzeugt werden. Diese Innendruckänderungen werden dann vom Sensierelement detektiert, auf deren Basis eine Kalibrierfunktion erstellt werden kann. Im Gegensatz zu bekannten Methoden der In-Field-Rekalibrierung ist diese nicht auf das Sensierelement beschränkt, sondern ermöglicht eine Neuevaluierung sämtlicher Komponenten wie Gehäuse, flexibler Abdeckung, etc. Beispielsweise können dadurch ebenfalls Alterungseffekte der flexiblen Abdeckung als Teil der Außenoberfläche des Gehäuses ermittelt und berücksichtigt werden.Another possible advantage can be the possibility of an in-field recalibration: defined changes in the internal pressure of the transmission medium in the interior of the housing can be generated by setting defined operating states of the compensation device. These changes in internal pressure are then detected by the sensing element, on the basis of which a calibration function can be created. In contrast to known methods of in-field recalibration, this is not limited to the sensing element, but enables all components such as the housing, flexible cover, etc. to be re-evaluated. For example, aging effects of the flexible cover as part of the outer surface of the housing can also be determined and taken into account will.

Ein möglicher weiterer Vorteil kann die Möglichkeit eines In-Field-Selbsttests sein: analog zur In-Field-Rekalibrierung kann die Kompensationseinrichtung auch zum Funktionstest des Gesamtsystems inklusive Gehäuse und flexibler Abdeckung verwendet werden: wenn beispielsweise die Kompensationseinrichtung eine Kompensation vornimmt, dergestalt, dass ein zu kleiner Innendruck und/oder ein zu kleines Volumen des Übertragungsmediums ausgeglichen wird und das Sensierelement keine Erhöhung des Innendrucks detektiert, kann dies auf ein defektes Sensierelement hindeuten oder aber auf eine Leckage im Gehäuse.Another possible advantage can be the possibility of an in-field self-test: analogous to the in-field recalibration, the compensation device can also be used for a functional test of the entire system including the housing and flexible cover: if, for example, the compensation device carries out a compensation in such a way that a If the internal pressure is too low and/or the volume of the transmission medium is too small and the sensing element does not detect an increase in the internal pressure, this can indicate a defective sensing element or a leak in the housing.

Ein weiterer möglicher Vorteil ist die Messbereichserweiterung: durch die Kompensation von Volumen- und/oder Druckänderungen des Übertragungsmediums kann das Sensierelement beziehungsweise der Sensor allgemein über einen größeren Bereich im optimalen Betriebspunkt betrieben werden.Another possible advantage is the extension of the measuring range: by compensating for volume and/or pressure changes in the transmission medium, the sensing element or the sensor can generally be operated over a larger range at the optimum operating point.

Weitere Merkmale, Vorteile und weiterer Ausführungsformen der Erfindung sind im Folgenden beschrieben oder werden dadurch offenbar.Other features, advantages, and other embodiments of the invention are described below or will become apparent thereby.

Gemäß einer Weiterbildung ist die Kompensationseinrichtung im Innenraum angeordnet. Ein möglicher Vorteil hiervon ist, dass einerseits eine aufwendige Anbindung der Kompensationseinrichtung entfallen kann, andererseits auch Bauraum gespart werden kann.According to a development, the compensation device is arranged in the interior. A possible advantage of this is that, on the one hand, there is no need for a complex connection of the compensation device, and on the other hand, installation space can also be saved.

Gemäß einer weiteren Weiterbildung weist die Kompensationseinrichtung eine Volumenänderungseinrichtung auf, mit der das Eigenvolumen der Kompensationseinrichtung veränderbar ist und die derart ausgebildet ist, den Druck und/oder das Volumen des Übertragungsmediums durch eine Veränderung des Eigenvolumens anzupassen. Vorteil hiervon ist, dass damit auf einfache Weise der Druck im Innenraum beziehungsweise das Volumen des durch das Übertragungsmedium eingenommenen Innenraums angepasst werden kann.According to a further development, the compensation device has a volume change device with which the intrinsic volume of the compensation device can be changed and which is designed to adapt the pressure and/or the volume of the transmission medium by changing the intrinsic volume. The advantage of this is that the pressure in the interior or the volume of the interior occupied by the transmission medium can thus be adjusted in a simple manner.

Gemäß einer weiteren Weiterbildung weist die Kompensationseinrichtung ein Reservoir an Übertragungsmedium auf, derart, dass bei einer Eigenvolumenänderung der Volumenänderungseinrichtung, entsprechend Übertragungsmedium aus dem Reservoir in den Innenraum oder umgekehrt fließt, insbesondere wobei die Volumenänderungseinrichtung im Reservoir angeordnet ist. Ein möglicher Vorteil hiervon ist, dass damit eine Ergänzung mit Volumen des Übertragungsmediums erfolgen kann, was die Lebensdauer der Kompensationseinrichtung erhöht, da diese nicht direkt dem Übertragungsmedium zur Druckerhöhung ausgesetzt werden muss.According to a further development, the compensation device has a reservoir of transmission medium such that when the volume changing device changes its own volume, transmission medium flows from the reservoir into the interior or vice versa, in particular with the volume changing device being arranged in the reservoir. A possible advantage of this is that the volume of the transmission medium can thus be supplemented, which increases the service life of the compensation device, since it does not have to be exposed directly to the transmission medium to increase the pressure.

Gemäß einer weiteren Weiterbildung weist das Reservoir zumindest einen schaltbaren Verschluss gegenüber dem Innenraum auf. Vorteil hiervon ist, dass nach Ausgleich von Übertragungsmedium in dem Innenraum das Reservoir verschlossen werden kann, sodass die Kompensationseinrichtung abgeschaltet werden kann. Dies spart Energie und verlängert die Lebensdauer der Kompensationseinrichtung.According to a further development, the reservoir has at least one switchable closure relative to the interior. The advantage of this is that the reservoir can be closed after equalization of the transmission medium in the interior space, so that the compensation device can be switched off. This saves energy and extends the service life of the compensation device.

Gemäß einer weiteren Weiterbildung weist die Kompensationseinrichtung einen MEMS-Aktor in Form einer auslenkbaren Membran und/oder eine Mikropumpe und/ oder eine elektroosmotische Pumpe auf. Ein möglicher Vorteil des MEMS-Aktors ist, dass direkt der Innenraum für das Übertragungsmedium verkleinert oder vergrößert wird und so eine schnelle Kompensation erfolgen kann. Ein möglicher Vorteil einer Mikropumpe und/oder einer elektroosmotischen Pumpe ist, dass damit die Menge des Übertragungsmediums im Innenraum ausgeglichen werden kann, was eine genauere Kompensation ermöglicht.According to a further development, the compensation device has a MEMS actuator in the form of a deflectable membrane and/or a micropump and/or an electroosmotic pump. A possible advantage of the MEMS actuator is that the interior space for the transmission medium is directly reduced or enlarged, so that quick compensation can take place. A possible advantage of a micropump and/or an electroosmotic pump is that it can compensate for the amount of transfer medium in the interior space, allowing for more accurate compensation.

Gemäß einer weiteren Weiterbildung sind das Sensierelement und die Kompensationseinrichtung gemeinsam in einem Chip oder in separaten Chips angeordnet. Vorteil der Herstellung auf einem gemeinsamen Chip ist der geringere Bauraum insgesamt, Vorteil der Herstellung auf zwei verschiedenen Chips ist die höhere Flexibilität bei der Wahl des Orts.According to a further development, the sensing element and the compensation device are arranged together in one chip or in separate chips. The advantage of manufacturing on a common chip is the smaller installation space overall, the advantage of manufacturing on two different chips is greater flexibility when choosing the location.

Gemäß einer weiteren Weiterbildung des Verfahrens zur Herstellung werden Kompensationseinrichtung und Sensierelement in dem gleichen Chip oder in verschiedenen Chips angeordnet. Vorteil der Herstellung auf einem gemeinsamen Chip ist der geringere Bauraum insgesamt, Vorteil der Herstellung auf zwei verschiedenen Chips ist die höhere Flexibilität bei der Wahl des Orts.According to a further development of the manufacturing method, the compensation device and sensing element are arranged in the same chip or in different chips. The advantage of manufacturing on a common chip is the smaller installation space overall, the advantage of manufacturing on two different chips is greater flexibility when choosing the location.

Gemäß einer weiteren Weiterbildung des Verfahrens zum Betreiben kompensiert die Kompensationseinrichtung durch Änderung des Eigenvolumens und/oder durch Zuführen oder Abführen von Übertragungsmedium aus einem Reservoir in den Innenraum die Änderung des Volumens und/oder des Drucks des Übertragungsmediums im Innenraum. Vorteil hiervon ist einerseits eine flexible Kompensation, gegebenenfalls auch beide Arten der Kompensation gleichzeitig, wobei Letzteres den Vorteil hat, dass größere Druck- und/oder Volumenänderungen ausgeglichen werden können. According to a further development of the operating method, the compensation device compensates for the change in volume and/or pressure of the transmission medium in the interior by changing the intrinsic volume and/or by supplying or removing transmission medium from a reservoir into the interior. The advantage of this is, on the one hand, flexible compensation, possibly also both types of compensation simultaneously, with the latter having the advantage that larger changes in pressure and/or volume can be compensated for.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus dazugehöriger Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.Further important features and advantages of the invention result from the dependent claims, from the drawings and from the associated description of the figures based on the drawings.

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.It goes without saying that the features mentioned above and those still to be explained below can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the present invention.

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.Preferred designs and embodiments of the invention are shown in the drawings and are explained in more detail in the following description, with the same reference symbols referring to identical or similar or functionally identical components or elements.

Figurenlistecharacter list

Dabei zeigt in schematischer Form

  • 1a-c einen Sensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Querschnitt mit Kompensationseinrichtung in Neutralstellung (1a), bei Vergrößerung des Eigenvolumens (1b) und bei Verkleinerung des Eigenvolumens (1c);
  • 2a-c einen Sensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Querschnitt mit Kompensationseinrichtung und Reservoir in Neutralstellung (2a), beim Pumpen von Volumen des Übertragungsmediums aus dem Reservoir in den Innenraum (2b) und beim Abführen von Volumen des Übertragungsmediums aus dem Reservoir in den Innenraum (2c); und
  • 3 Schritte eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
It shows in schematic form
  • 1a-c a sensor according to an embodiment of the present invention in cross section with the compensation device in the neutral position (1a), when the intrinsic volume increases (1b) and when the intrinsic volume decreases (1c);
  • 2a-c a sensor according to an embodiment of the present invention in cross-section with the compensation device and reservoir in the neutral position (2a), when volumes of the transmission medium are pumped from the reservoir into the interior (2b) and when volumes of the transmission medium are discharged from the reservoir into the interior (2c ); and
  • 3 Steps of a method according to an embodiment of the present invention.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

1a-c zeigt einen Sensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Querschnitt mit Kompensationseinrichtung in Neutralstellung (1a), bei Vergrößerung des Eigenvolumens (1b) und bei Verkleinerung des Eigenvolumens (1c). 1a-c shows a sensor according to an embodiment of the present invention in cross section with the compensation device in the neutral position (1a), when the intrinsic volume is increased (1b) and when the intrinsic volume is reduced (1c).

Im Detail ist in den 1a-c ein Sensor 1 gezeigt, der ein Substrat 2 und eine im Substrat angeordnete Umverdrahtungsebene 3 aufweist. In einem auf dem Substrat 2 angeordneten Gehäuse in Form einer Hülse 6 ist ein Chip 4' mit zumindest einem Sensierelement 4 angeordnet. Der Chip 4' ist wiederum auf einem Chip 11 angeordnet, welcher die Auswerteelektronik und optional einen Temperatursensor umfasst. 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 verschlossen. Dadurch wird ein Innenraum 20 gebildet. Im Innenraum 20 ist ein Übertragungsmedium in Form eines inkompressiblen Fluids 10, beispielsweise Öl oder Gel angeordnet, welches den Innenraum 20 vollständig ausfüllt. Weiterhin ist auf dem Chip 11 ein weiterer Chip 5' angeordnet, der einen Aktor 5 mit einer flexiblen Membran aufweist. Die flexible Membran kann dabei konvexe (siehe 1 b) oder konkave (siehe 1c) oder eine neutrale Position (siehe 1a) einnehmen. Die flexible Membran des Aktors 5 kann dabei das Volumen des Innenraum 20 ändern. Wird das Volumen des inkompressiblen Fluids 10 kleiner oder nimmt der Druck des inkompressiblen Fluids 10 ab, wird die flexible Membran des Aktors 5 konvex gewölbt (siehe 1b) und durch die Wölbung der flexiblen Membran des Aktors 5 wird die Volumenverkleinerung und/oder Druckverminderung kompensiert. Wird das Volumen des inkompressiblen Fluids 10 größer oder nimmt der Druck des inkompressiblen Fluids 10 im Innenraum 20 zu, wird die flexible Membran des Aktors 5 konkav, also nach innen gewölbt (siehe 1c) und durch die Wölbung der flexiblen Membran des Aktors 5 wird die Volumenvergrößerung und/oder Druckerhöhung kompensiert. Die Membranauslenkung kann dabei beispielsweise auf kapazitivem Weg durch Spannungsänderung oder dergleichen erfolgen.In detail is in the 1a-c a sensor 1 is shown, which has a substrate 2 and a rewiring level 3 arranged in the substrate. A chip 4 ′ with at least one sensing element 4 is arranged in a housing in the form of a sleeve 6 arranged on the substrate 2 . The chip 4' is in turn arranged on a chip 11, which includes the evaluation electronics and optionally a temperature sensor. The sleeve 6 is thus closed off on one side by the substrate 2 and on the other side the sleeve 6 is closed by means of a flexible membrane 7 . An interior space 20 is thereby formed. A transmission medium in the form of an incompressible fluid 10 , for example oil or gel, is arranged in the interior 20 and completely fills the interior 20 . Furthermore, a further chip 5' is arranged on the chip 11, which has an actuator 5 with a flexible membrane. The flexible membrane can be convex (see 1 b) or concave (see 1c) or a neutral position (see 1a) take in. The flexible membrane of the actuator 5 can change the volume of the interior space 20 . If the volume of the incompressible fluid 10 decreases or if the pressure of the incompressible fluid 10 decreases, the flexible membrane of the actuator 5 becomes convex (see Fig 1b) and the curvature of the flexible membrane of the actuator 5 compensates for the reduction in volume and/or pressure reduction. If the volume of the incompressible fluid 10 increases or if the pressure of the incompressible fluid 10 in the interior space 20 increases, the flexible membrane of the actuator 5 becomes concave, i.e. curved inwards (see Fig 1c ) and the curvature of the flexible membrane of the actuator 5 compensates for the increase in volume and/or pressure increase. The membrane deflection can take place, for example, capacitively by changing the voltage or the like.

Insgesamt wird in 1a-c ein Aktor 5 gezeigt, der durch eine auslenkbare flexible Membran sein äußeres Volumen, das heißt sein Boxmaß gezielt ändern kann. Dies kann beispielsweise wegkontrolliert, zur Einstellung einer definierten Volumenänderung, oder kraftkontrolliert, zur Erzeugung einer definierten Druckänderung erfolgen. Hierzu kann eine entsprechende Steuer- und Regeleinrichtung vorgesehen sein.Overall, in 1a-c an actuator 5 is shown, which can change its outer volume, i.e. its box size, in a targeted manner by means of a deflectable, flexible membrane. This can, for example, be displacement-controlled to set a defined volume change, or force-controlled to generate a defined pressure change. A corresponding control and regulation device can be provided for this purpose.

In 1a-c sind Aktor 5 und Sensierelement 4 auf getrennten Chips 4', 5' angeordnet. Es ist aber ebenso denkbar, beide auf einem gemeinsamen Chip 4', also monolithisch, anzuordnen.In 1a-c actuator 5 and sensing element 4 are arranged on separate chips 4', 5'. However, it is also conceivable to arrange both on a common chip 4', ie monolithically.

2a-c zeigt einen Sensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Querschnitt mit Kompensationseinrichtung und Reservoir in Neutralstellung (2a), beim Pumpen von Volumen des Übertragungsmediums aus dem Reservoir in den Innenraum (2b) und beim Abführen von Volumen des Übertragungsmediums aus dem Reservoir in den Innenraum (2c). 2a-c shows a sensor according to an embodiment of the present invention in cross section with the compensation device and reservoir in the neutral position ( 2a) , when pumping volume of the transmission medium from the reservoir into the inner space ( 2 B) and when discharging volume of the transmission medium from the reservoir into the interior ( 2c ).

Im Detail ist in 2a-c ein Sensor 1 gemäß 1 gezeigt. Im Unterschied zum Sensor 1 gemäß 1 ist beim Sensor 1 gemäß 2 Sensierelement 4 und Kompensationseinrichtung auf einem gemeinsamen Chip 4' angeordnet. Ein weiterer Unterschied ist, dass die Kompensationseinrichtung ein Reservoir 8 umfasst, welches über einen schaltbaren Verschluss 9 verfügt, über den das im Innenraum 20 befindliche inkompressible Fluid 10 und das Reservoir 8 fluidisch verbindbar sind. Weiterhin umfasst die Kompensationseinrichtung im Reservoir 8 eine Mikropumpe 13 oder eine osmotische Pumpe.In detail is in 2a-c a sensor 1 according to 1 shown. In contrast to the sensor 1 according to 1 is according to sensor 1 2 Sensing element 4 and compensation device on a common chip 4 'arranged. A further difference is that the compensation device comprises a reservoir 8 which has a switchable closure 9 via which the incompressible fluid 10 located in the interior 20 and the reservoir 8 can be fluidically connected. Furthermore, the compensation device in the reservoir 8 includes a micropump 13 or an osmotic pump.

Ausgehend von einem Ausgangsfüllstand des Reservoirs 8, gezeigt in 2a, erfolgt nun eine Kompensation einer Volumen- und/oder Druckänderung des Übertragungsmediums 10 im Innenraum 20 folgendermaßen.Starting from an initial filling level of the reservoir 8, shown in 2a , a change in volume and/or pressure of the transmission medium 10 in the interior 20 is now compensated as follows.

Sinkt der Druck des Übertragungsmediums 10 im Innenraum 20, wird die Mikropumpe 13 betätigt und der schaltbare Verschluss 9 geöffnet, sodass die Mikropumpe 13 Übertragungsmedium 10 vom Reservoir 8 in den Innenraum 20 fördert und so die Menge an Übertragungsmedium 10 im Innenraum 20 erhöht. Die Volumen- und/oder Druckverminderung wird damit ganz oder zumindest teilweise kompensiert. Nach entsprechender Kompensation wird der schaltbare Verschluss 9 verschlossen und die Mikropumpe 13 abgeschaltet.If the pressure of the transmission medium 10 in the interior 20 drops, the micropump 13 is actuated and the switchable closure 9 is opened, so that the micropump 13 delivers transmission medium 10 from the reservoir 8 into the interior 20 and thus increases the amount of transmission medium 10 in the interior 20. The reduction in volume and/or pressure is thus fully or at least partially compensated. After appropriate compensation, the switchable closure 9 is closed and the micropump 13 is switched off.

Erhöht sich umgekehrt der Druck des Übertragungsmediums 10 im Innenraum 20, wird der schaltbare Verschluss 9 geöffnet, sodass Übertragungsmedium 10 vom Innenraum 20 in das Reservoir 8 strömen kann. Alternativ oder zusätzlich kann die Mikropumpe 13 Übertragungsmedium 10 vom Innenraum 20 zum Reservoir 8 fördern, beispielsweise durch Erzeugung eines Unterdrucks und so die Menge an Übertragungsmedium 10 im Innenraum 20 vermindern. Die Volumen- und/oder Druckerhöhung wird damit ganz oder zumindest teilweise kompensiert. Nach entsprechender Kompensation wird der schaltbare Verschluss 9 verschlossen und gegebenenfalls die Mikropumpe 13 abgeschaltet.Conversely, if the pressure of the transmission medium 10 in the interior 20 increases, the switchable closure 9 is opened so that the transmission medium 10 can flow from the interior 20 into the reservoir 8 . Alternatively or additionally, the micropump 13 can convey transmission medium 10 from the interior space 20 to the reservoir 8 , for example by generating a negative pressure and thus reducing the amount of transmission medium 10 in the interior space 20 . The increase in volume and/or pressure is thus fully or at least partially compensated. After appropriate compensation the switchable closure 9 is closed and, if necessary, the micropump 13 is switched off.

Das vom Reservoir 8 bereitzustellende Volumen an Übertragungsmedium 10 kann entsprechend äußeren Bedingungen angepasst werden und das Reservoir entsprechend dimensioniert werden. Aktor 5, Reservoir 8 und Mikropumpe 13 können insbesondere als MEMS-Bauteile ausgeführt sein. Der Sensor 1 kann ebenfalls als MEMS-Sensor ausgeführt sein.The volume of transmission medium 10 to be provided by the reservoir 8 can be adapted according to external conditions and the reservoir can be dimensioned accordingly. Actuator 5, reservoir 8 and micropump 13 can be designed in particular as MEMS components. The sensor 1 can also be designed as a MEMS sensor.

3 zeigt Schritte eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 3 shows steps of a method according to an embodiment of the present invention.

Im Detail sind in 3 Schritte eines Verfahrens zur Herstellung eines Sensors, insbesondere eines Drucksensors, gezeigt.In detail are in 3 Steps of a method for producing a sensor, in particular a pressure sensor, shown.

Das Verfahren umfasst dabei die folgenden Schritte:

  • - Bereitstellen S1 eines Gehäuses, welches einen Innenraum aufweist, der mit einer flexiblen Abdeckung gegenüber einem Umgebungsmedium abgeschlossen ist,
  • - Einbringen S2 eines Sensierelements in den Innenraum zur Detektion einer Eigenschaft und/oder Zusammensetzung eines Umgebungsmediums des Sensors,
  • - Einbringen S3 eines Übertragungsmediums in den Innenraum zur Übertragung von einer Eigenschaft und/oder Zusammensetzung des Umgebungsmediums auf das Sensierelement, und
  • - Anordnen S4 einer Kompensationseinrichtung, die ausgebildet ist, Volumenänderungen des Übertragungsmediums, insbesondere bedingt durch Temperaturänderungen, zumindest teilweise zu kompensieren.
The procedure comprises the following steps:
  • - Provision S1 of a housing which has an interior space which is closed off with a flexible cover with respect to a surrounding medium,
  • - Introduction S2 of a sensing element in the interior for detecting a property and / or composition of a medium surrounding the sensor,
  • - Introduction S3 of a transmission medium into the interior space for the transmission of a property and/or composition of the surrounding medium to the sensing element, and
  • - Arranging S4 a compensation device, which is designed to at least partially compensate for changes in volume of the transmission medium, in particular caused by temperature changes.

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 Kompensation von Druck- und/oder Volumenänderungen des Übertragungsmediums
  • - Geringe Herstellungskosten
  • - Hohe Lebensdauer
  • - Erweiterter Messbereich
In summary, at least one of the embodiments of the invention can provide at least one of the following features and/or one of the following advantages:
  • - Simple production, in particular of a large number of sensors, in particular of media-resistant sealed pressure sensors
  • - Small installation space
  • - Reliable and fast compensation of changes in pressure and/or volume of the transmission medium
  • - Low manufacturing costs
  • - Long life span
  • - Extended measuring range

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.Although the present invention has been described on the basis of preferred exemplary embodiments, it is not limited thereto but can be modified in many different ways.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

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Claims (11)

Sensor (1), insbesondere Drucksensor, umfassend ein Gehäuse (6), welches einen Innenraum (20) aufweist, der mit einer flexiblen Abdeckung (7) gegenüber einem Umgebungsmedium abgeschlossen ist, ein in dem Innenraum (20) angeordnetes Sensierelement (4) zur Detektion einer Eigenschaft und/oder Zusammensetzung eines Umgebungsmediums des Sensors (1), ein den Innenraum (20) ausfüllendes Übertragungsmedium (10) zur Übertragung von einer Eigenschaft und/oder Zusammensetzung des Umgebungsmediums auf das Sensierelement (4), und eine Kompensationseinrichtung (5, 8, 13), wobei die Kompensationseinrichtung (5, 8, 13) ausgebildet ist, Volumen- und/oder Druckänderungen des Übertragungsmediums (10), insbesondere bedingt durch Temperaturänderungen, zumindest teilweise zu kompensieren.Sensor (1), in particular pressure sensor, full a housing (6) which has an interior space (20) which is sealed off from a surrounding medium by a flexible cover (7), a sensing element (4) arranged in the interior (20) for detecting a property and/or composition of a medium surrounding the sensor (1), a transmission medium (10) filling the interior (20) for transmitting a property and/or composition of the surrounding medium on the sensing element (4), and a compensation device (5, 8, 13), wherein the compensation device (5, 8, 13) is designed to at least partially compensate for volume and/or pressure changes in the transmission medium (10), in particular caused by temperature changes. Sensor (1) gemäß Anspruch 1, wobei die Kompensationseinrichtung (5, 8, 13) im Innenraum (20) angeordnet ist.Sensor (1) according to claim 1 , wherein the compensation device (5, 8, 13) is arranged in the interior (20). Sensor (1) gemäß einem der Ansprüche 1-2, wobei die Kompensationseinrichtung (5, 8, 13) eine Volumenänderungseinrichtung aufweist, mit der das Eigenvolumen der Kompensationseinrichtung (5, 8, 13) veränderbar ist und derart ausgebildet ist, den Druck und/oder das Volumen des Übertragungsmediums (10) durch eine Veränderung des Eigenvolumens anzupassen.Sensor (1) according to one of Claims 1 - 2 , wherein the compensation device (5, 8, 13) has a volume change device with which the intrinsic volume of the compensation device (5, 8, 13) can be changed and is designed in such a way that the pressure and/or the volume of the transmission medium (10) is changed by a change to adjust the own volume. Sensor (1) gemäß einem der Ansprüche 1-3, wobei die Kompensationseinrichtung (5, 8, 13) ein Reservoir (8) an Übertragungsmedium (10) aufweist, derart, dass bei einer Eigenvolumenänderung der Volumenänderungseinrichtung, entsprechend Übertragungsmedium (10) aus dem Reservoir (8) in den Innenraum (20) oder umgekehrt fließt, insbesondere wobei die Volumenänderungseinrichtung im Reservoir (8) angeordnet ist.Sensor (1) according to one of Claims 1 - 3 , wherein the compensation device (5, 8, 13) has a reservoir (8) of transmission medium (10), such that when there is a change in the volume of the volume change device itself, the corresponding transmission medium (10) flows out of the reservoir (8) into the interior (20) or flows in reverse, in particular with the volume change device being arranged in the reservoir (8). Sensor (1) gemäß einem der Ansprüche 1-4, wobei das Reservoir (8) zumindest einen schaltbaren Verschluss (9) gegenüber dem Innenraum (20) aufweist.Sensor (1) according to one of Claims 1 - 4 , wherein the reservoir (8) has at least one switchable closure (9) relative to the interior (20). Sensor (1) gemäß einem der Ansprüche 1-5, wobei die Kompensationseinrichtung (5, 8, 13) einen MEMS-Aktor (5) in Form einer auslenkbaren Membran und/oder eine Mikropumpe (13) und/oder eine elektroosmotische Pumpe aufweist.Sensor (1) according to one of Claims 1 - 5 , wherein the compensation device (5, 8, 13) has a MEMS actuator (5) in the form of a deflectable membrane and/or a micropump (13) and/or an electroosmotic pump. Sensor (1) gemäß einem der Ansprüche 1-6, wobei das Sensierelement (4) und die Kompensationseinrichtung (5, 8, 13) gemeinsam in einem Chip (4'; 5') oder in separaten Chips (4', 5') angeordnet sind.Sensor (1) according to one of Claims 1 - 6 , wherein the sensing element (4) and the compensation device (5, 8, 13) are arranged together in one chip (4';5') or in separate chips (4', 5'). Verfahren zum Herstellen eines Sensors (1), insbesondere eines Drucksensors, umfassend die Schritte - Bereitstellen (S1) eines Gehäuses (6) welches einen Innenraum (20) aufweist, der mit einer flexiblen Abdeckung (7) gegenüber einem Umgebungsmedium abgeschlossen ist, - Einbringen (S2) eines Sensierelements (4) in den Innenraum (20) zur Detektion einer Eigenschaft und/oder Zusammensetzung eines Umgebungsmediums des Sensors (1), - Einbringen (S3) eines Übertragungsmediums (10) in den Innenraum (20) zur Übertragung von einer Eigenschaft und/oder Zusammensetzung des Umgebungsmediums auf das Sensierelement (4), und - Anordnen (S4) einer Kompensationseinrichtung (5, 8, 13), die ausgebildet ist, Volumenänderungen des Übertragungsmediums, insbesondere bedingt durch Temperaturänderungen, zumindest teilweise zu kompensieren.Method for producing a sensor (1), in particular a pressure sensor, comprising the steps - Providing (S1) a housing (6) which has an interior (20) which is closed off with a flexible cover (7) with respect to an ambient medium, - introducing (S2) a sensing element (4) into the interior (20) for detecting a property and/or composition of a medium surrounding the sensor (1), - Introduction (S3) of a transmission medium (10) into the interior (20) for the transmission of a property and/or composition of the surrounding medium to the sensing element (4), and - Arranging (S4) a compensation device (5, 8, 13), which is designed to at least partially compensate for changes in volume of the transmission medium, in particular caused by temperature changes. Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei Kompensationseinrichtung (5, 8, 13) und Sensierelement (4) in dem gleichen Chip (4'; 5') oder in verschiedenen Chips (4', 5') angeordnet werden.procedure according to claim 8 , wherein the compensation device (5, 8, 13) and sensing element (4) are arranged in the same chip (4';5') or in different chips (4', 5'). Verfahren zum Betreiben eines Sensors (1) gemäß einem der Ansprüche 1-7, wobei die Kompensationseinrichtung (5, 8, 13) bei einer Änderung des Volumens und/oder des Drucks des Übertragungsmediums (10) im Innenraum (20) die Änderung zumindest teilweise kompensiert.Method for operating a sensor (1) according to one of Claims 1 - 7 , wherein the compensation device (5, 8, 13) in the event of a change in the volume and/or the pressure of the transmission medium (10) in the interior (20) at least partially compensates for the change. Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei die Kompensationseinrichtung (5, 8, 13) durch Änderung des Eigenvolumens und/oder durch Zuführen oder Abführen von Übertragungsmedium (10) aus einem Reservoir (8) in den Innenraum (20), die Änderung des Volumens und/oder des Drucks des Übertragungsmediums (10) im Innenraum (20) kompensiert.procedure according to claim 10 , wherein the compensation device (5, 8, 13) changes the volume and/or the pressure of the Transmission medium (10) compensated in the interior (20).
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