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Die Erfindung bezieht sich auf eine Drucksensoranordnung und ein Herstellungsverfahren für die Drucksensoranordnung.
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Drucksensoren werden zur Messung des Drucks in Fluiden eingesetzt. Die Drucksensoren und deren Ansteuerschaltungen sind empfindlich gegenüber Korrosion und elektromagnetischen Störungen. Die Drucksensoren müssen speziell für industrielle Anwendungen mit rauen Umgebungsbedingungen, z. B. in Bezug auf Temperatur, korrosive Umgebungen, elektromagnetische Störungen, Vibrationen usw., geschützt werden.
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Aus der
DE 10 2008 054 382 A1 ist ein Drucksensormodul bekannt, das ein Drucksensorelement umfasst, das an einem ersten Ende eines Druckverbinderkanals befestigt ist. Das zweite Ende des Kanals ist mit einer Medientrennmembran verschlossen, und in den Kanal ist eine Druckübertragungsflüssigkeit eingefüllt. Eine am Druckverbinder befestigte Metallgrundplatte und ein zylindrisches Metallgehäuseteil bilden einen Raum, der das Drucksensorelement enthält und eine EMV-Abschirmung (elektromagnetische Verträglichkeit) aufweist. Das zylindrische Metallgehäuseteil ist mit einem elektrischen Verbindungsteil aus isolierendem Kunststoff vergossen, das auch in den Raum führende elektrische Leitungen enthält.
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US 6,457,368 B1 zeigt einen weiteren Drucksensor. Ein Drucksensorelement ist in einem hermetischen Referenzdruckraum angeordnet, der von einem Sensorträger und einem Metallgehäuse begrenzt wird, die beide mit einem Metallhalterteil verschweißt sind. In Öffnungen des Metallgehäuses sind rohrförmige dielektrische Kondensatoren eingelötet, in die elektrische Leitungen, die den Sensorausgang zu einem elektrischen Anschluss führen, eingelötet sind. Sensorträger, Metallhalterteil und Metallgehäuse bilden ein inneres Gehäuse und sind von einem äußeren Metallgehäuse, das einen Druckverbinder enthält, elektrisch isoliert. Der Sensor mit dem hermetischen Druckraum weist Korrosionsbeständigkeit und EMV-Abschirmung auf. Es besteht jedoch der Bedarf, eine Drucksensoranordnung mit reduzierten Herstellungskosten und verbesserter Korrosionsbeständigkeit und EMV-Abschirmung bereitzustellen.
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Die technische Aufgabe kann daher sein, eine verbesserte Drucksensoranordnung und ein verbessertes Herstellungsverfahren für die Drucksensoranordnung mit reduzierten Kosten, verbessertem Korrosionsschutz und verbesserter EMV-Abschirmung bereitzustellen.
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In den Ansprüchen 1 und 11 sind die Hauptmerkmale der Erfindung angegeben. Merkmale von Ausführungsbeispielen der Erfindung sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 10 und 12 bis 14 sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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In einem Aspekt der Erfindung wird eine Drucksensoranordnung zur Messung des Drucks eines Fluids bereitgestellt, wobei die Drucksensoranordnung umfasst: mindestens eine Drucksensorvorrichtung; einen Druckanschluss mit mindestens einem Fluiddurchlass zum Verbinden eines Volumens eines zu messenden Fluids mit der mindestens einen Drucksensorvorrichtung; mindestens ein Gehäuseelement, das hermetisch abdichtend an dem Druckanschluss befestigt ist, wobei das mindestens eine Gehäuseelement einen elektrischen Anschlussabschnitt zum Anschluss an ein dem Druckanschluss gegenüberliegendes elektrisches Anschlussmodul aufweist, wobei mindestens ein Wandelement mindestens eine hermetische Durchführung mindestens einer Signalleitung aufweist, wobei die mindestens eine Signalleitung mit der mindestens einen Drucksensorvorrichtung elektrisch verbunden ist und zwischen dem elektrischen Anschlussabschnitt und dem Druckanschluss hermetisch abdichtend an dem mindestens einen Gehäuseelement befestigt ist, so dass der Druckanschluss, das mindestens eine Gehäuseelement und das mindestens eine Wandelement eine hermetisch dichte und EMV-geschirmte Sensorkammer einschließen, wobei die mindestens eine Drucksensorvorrichtung in der Sensorkammer angeordnet ist.
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Die Erfindung stellt eine Drucksensoranordnung mit einer hermetisch abgeschlossenen und EMV-geschirmten Sensorkammer bereit, die die mindestens eine in der Sensorkammer angeordnete Drucksensorvorrichtung vor Korrosion und elektromagnetischen Störungen schützt. Der Druckanschluss, mindestens ein Abschnitt des mindestens einen Gehäuseelements und das mindestens eine Wandelement definieren die Grenzen der Sensorkammer. Das Wandelement kann z. B. als Trägerplatte ausgeführt sein. Weiter ist das Wandelement zwischen dem Druckanschluss und einem elektrischen Anschlussabschnitt des Gehäuseelements angeordnet. Das bedeutet, dass nur ein Abschnitt des Gehäuseelements eine Wand für die Sensorkammer bereitstellt. Der verbleibende Abschnitt des Gehäuseelements stellt keine Wand für die Sensorkammer bereit. In diesem verbleibenden Abschnitt kann das Gehäuseelement mit einem elektrischen Anschlussmodul verbunden werden. Das Wandelement ist daher zwischen dem elektrischen Anschlussabschnitt des Gehäuseelements und dem Druckanschluss angeordnet. Das Gehäuseelement ist hermetisch abdichtend mit dem Wandelement und dem Druckanschluss verbunden. Das bedeutet, dass die Verbindung zwischen dem Wandelement und dem Gehäuseelement so beschaffen ist, dass keine Fluide durch die Verbindung zwischen dem Wandelement und dem Gehäuseelement in die Sensorkammer eindringen können. Auch die Verbindung zwischen dem Gehäuseelement und dem Druckanschluss ist derart ausgebildet, dass sie hermetisch dicht ist, d.h. dass kein Fluid durch die Verbindung zwischen dem Druckanschluss und dem Gehäuseelement in die Sensorkammer gelangen kann. Weiter sind der Druckanschluss, das Gehäuseelement und das Wandelement aus einem Material gefertigt, das keinen Durchtritt von Fluiden in die Sensorkammer zulässt. Der Druckanschluss, das Gehäuseelement und das Wandelement sind aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt, so dass elektrische Störungen von der Sensorkammer abgeschirmt werden. Weiter können das Wandelement, das Gehäuseelement und der Druckanschluss derart angeordnet sein, dass sie die Sensorkammer vollständig umschließen. Die Drucksensorvorrichtung kann den Druck des Fluids über den mindestens einen Fluiddurchlass messen, der im Druckanschluss angeordnet ist. Der Fluidkanal verbindet ein Volumen mit einem Fluid, dessen Druck gemessen werden soll, mit dem Inneren der Druckkammer. Die Drucksensorvorrichtung ist an dem Ende des Fluidkanals angebracht, das im Inneren der Sensorkammer angeordnet ist. Die Drucksensorvorrichtung verschließt den Fluiddurchgang, so dass kein Fluid durch den Fluiddurchgang in die Sensorkammer eintreten kann. Elektrische Signale von der Drucksensorvorrichtung werden durch die mindestens eine hermetische Durchführung durch das mindestens eine Wandelement geführt. Die hermetische Durchführung umfasst mindestens eine Signalleitung, die sich durch das Wandelement erstreckt. Die hermetische Durchführung ist hermetisch dicht am Wandelement befestigt. Ein erster Endabschnitt der Signalleitung, der innerhalb der Sensorkammer angeordnet ist, ist elektrisch mit der Drucksensorvorrichtung verbunden. Außerhalb der Druckkammer ist ein zweiter Endabschnitt der Signalleitung mit einem elektrischen Anschlussmodul verbindbar, das die elektrischen Signale bereitstellen kann, um Informationen über den Druck in dem zu messenden Fluid zu liefern. Daher stellt die Erfindung eine Sensorkammer zur Verfügung, die hermetisch dicht und EMV-geschirmt ist. Die Sensorkammer ist einfach herzustellen, da die hermetisch dichte Verbindung zwischen dem Gehäuseelement und dem Wandelement sowie dem Gehäuseelement und dem Druckanschluss einfach herzustellen ist. Damit steht eine Drucksensoranordnung zur Verfügung, die modular aufgebaut ist und dadurch die Herstellungskosten reduziert.
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Die mindestens eine Zuleitung der hermetischen Durchführung ist derart ausgebildet, dass sie mindestens ein elektrisches Signal von und zu der mindestens einen Drucksensorvorrichtung überträgt.
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Die hermetische Durchführung kann ferner Versorgungsleitungen, die die Drucksensorvorrichtung mit Spannung oder Strom versorgen, und Masseleitungen zur Erdung umfassen. Die Versorgungsleitungen können in der gleichen Weise ausgebildet sein wie die mindestens eine Signalleitung.
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In einem Beispiel kann das mindestens eine Gehäuseelement ein zylindrisches Gehäuse sein, wobei das Gehäuseelement vorzugsweise mit dem Druckanschluss verschweißt ist.
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Durch die Bereitstellung eines zylindrischen Gehäuses als Gehäuseelement kann die Sensorkammer einfach durch hermetisches Verschließen eines Abschnitts des zylindrischen Gehäuses mit dem Wandelement und dem Druckanschluss geschaffen werden. Ein zylindrisches Gehäuse kann auf einfache Weise um eine Drucksensorvorrichtung herum angeordnet werden, die am Druckanschluss angeordnet ist. Ein Wandelement, das einen Abschnitt des zylindrischen Gehäuses verschließt, kann auf einfache Weise die Sensorkammer verschließen.
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Das Gehäuseelement kann vorzugsweise mit dem Druckanschluss verschweißt sein. Dies ist besonders sinnvoll, wenn das Gehäuseelement ein zylindrisches Gehäuse ist. Das Gehäuseelement kann aber auch eine andere Form haben und trotzdem mit dem Druckanschluss verschweißt werden.
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In einem weiteren Beispiel kann das mindestens eine Gehäuseelement und/oder das mindestens eine Wandelement aus Edelstahlblech bestehen, das vorzugsweise durch Tiefziehen hergestellt wird. Das mindestens eine Wandelement kann auch durch Stanzen hergestellt werden.
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Durch die Erstellung des Gehäuseelements und/oder des Wandelements aus Edelstahlblechen, die vorzugsweise durch Tiefziehen hergestellt werden, kann ein kostengünstiges Gehäuseelement und/oder Wandelement bereitgestellt werden, das hervorragende EMV-Abschirmeigenschaften aufweist.
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Beispielsweise können das mindestens eine Gehäuseelement und das mindestens eine Wandelement als separate Teile gefertigt werden, wobei das mindestens eine Wandelement vorzugsweise mit dem mindestens einen Gehäuseelement verschweißt ist.
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Die Bereitstellung des mindestens einen Gehäuseelements und des mindestens einen Wandelements als separate Teile verbessert die Modularität der Drucksensoranordnung und vereinfacht die Herstellung der Sensorkammer. Außerdem können für das Wandelement und das Gehäuseelement unterschiedliche Materialien gewählt werden.
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In einem anderen Beispiel können das mindestens eine Gehäuseelement und das mindestens eine Wandelement als integriertes Teil hergestellt werden.
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Wenn das Gehäuseelement und das Wandelement als ein integriertes Teil vorgesehen sind, reduziert sich die Anzahl der Teile der Drucksensoranordnung. Dies reduziert die Fertigungszeit und damit die Kosten der Drucksensoranordnung.
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Die mindestens eine hermetische Durchführung kann z. B. ein Transistor Outline Kopfteil sein, das an dem mindestens einen Wandelement befestigt ist.
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Transistor Outline Kopfteile sind Standard-Kopfteile, die für die Montage und/oder Verkapselung von Halbleitern, Sensoren oder anderen MEMS-Komponenten (Mikroelektromechanische Systeme) weit verbreitet sind. Sie werden in großen Mengen hergestellt, so dass die Kosten relativ gering sind. Darüber hinaus sind Transistor Outline Kopfteile einfache und platzsparende Durchführungsvorrichtungen für die Sensorausgangssignale.
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Das Transistor Outline Kopfteil kann z. B. vorzugsweise aus Kovar-Material bestehen, das sich leicht durch Widerstandsschweißen mit Edelstahl verbinden lässt, z. B. mit dem Wandelement der Drucksensoranordnung.
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In einem Beispiel kann die hermetische Durchführung eine Masseleitung umfassen, die elektrisch nicht von der hermetischen Durchführung isoliert ist. Die Masseleitung kann elektrisch mit der Drucksensorvorrichtung verbunden sein und auf die gleiche Weise wie die mindestens eine Signalleitung angebracht werden.
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In einem weiteren Beispiel kann es vorkommen, dass eine einzelne Signalleitung der mindestens zwei Signalleitungen des Transistor Outline Kopfteils elektrisch von der hermetischen Durchführung nicht getrennt ist und somit eine elektrische Masseverbindung ermöglicht.
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Die Drucksensoranordnung kann ferner z. B. mindestens eine gedruckte Leiterplatte umfassen, die innerhalb der Sensorkammer angeordnet ist, wobei die gedruckte Leiterplatte die mindestens eine Signalleitung mit der mindestens einen Drucksensorvorrichtung elektrisch verbindet, und wobei ein erster flexibler Leiterplattenverbinder vorzugsweise die mindestens eine Drucksensorvorrichtung mit der mindestens einen gedruckten Leiterplatte innerhalb der Sensorkammer elektrisch verbindet.
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Die mindestens eine gedruckte Leiterplatte kann das Ausgangssignal der Drucksensorvorrichtung für die weitere Verarbeitung aufbereiten. Die gedruckte Leiterplatte liefert die aufbereiteten Signale an die Signalleitung. Somit ist die Signalleitung elektrisch mit der gedruckten Leiterplatte verbunden. Weiter ist die gedruckte Leiterplatte elektrisch mit der Drucksensorvorrichtung verbunden. Das bedeutet, dass die Signalleitung über die gedruckte Leiterplatte elektrisch mit der Drucksensorvorrichtung verbunden ist. Durch die Anordnung der gedruckten Leiterplatte innerhalb der Sensorkammer ist auch die gedruckte Leiterplatte vor Korrosion und elektromagnetischen Störungen geschützt.
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Der flexible Leiterplattenverbinder kann z. B. faltbar sein.
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Im Inneren der Sensorkammer kann z. B. mindestens ein Trägerteil angeordnet sein, wobei die mindestens eine gedruckte Leiterplatte an dem mindestens einen Trägerteil befestigt ist.
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Das Trägerteil kann die gedruckte Leiterplatte in der Sensorkammer so abstützen, dass die gedruckte Leiterplatte in der Sensorkammer gesichert ist. Außerdem kann das Trägerteil die gedruckte Leiterplatte in einer vorgegebenen Position innerhalb der Sensorkammer anordnen. Das Trägerteil kann aus einem elektrisch isolierenden Material, z. B. einem Kunststoff, bestehen.
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In einem Beispiel kann die mindestens eine gedruckte Leiterplatte Komponenten und/oder Schaltungen zur Temperaturkompensation, Signalverstärkung oder -prüfung, Wandler, Regler und/oder elektromagnetische Interferenz (EMI)-Filter enthalten.
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Die Drucksensoranordnung kann beispielsweise weiter mindestens ein elektrisches Anschlussmodul umfassen, das an dem elektrischen Anschlussabschnitt angebracht ist, wobei ein weiterer flexibler Leiterplattenanschluss die mindestens eine Signalleitung mit mindestens einem elektrischen Anschlussmodul außerhalb der Sensorkammer elektrisch verbindet.
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In einem Beispiel wird das elektrische Anschlussmodul durch lokale Verformung, z. B. Bördeln, an dem elektrischen Anschlussabschnitt des mindestens einen Gehäuseelements befestigt. Durch die Verbindung des elektrischen Anschlussmoduls mit der mindestens einen Signalleitung außerhalb der Sensorkammer, z. B. dem zweiten Endabschnitt der mindestens einen Signalleitung, mit einem flexiblen Leiterplattenstecker, kann der Abstand zwischen dem elektrischen Anschlussmodul und der Signalleitung variieren. Dies ermöglicht höhere Toleranzen bei der Fertigung der Teile der Drucksensoranordnung. Der flexible Leiterplattensteckverbinder kann die Toleranzen der gefertigten Teile ausgleichen. Außerdem bietet dies Flexibilität bei der Auswahl der Komponenten für den Zusammenbau der Drucksensoranordnung.
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Weiter kann die hermetische Durchführung als Standard-Schnittstellenstruktur für die Drucksensorvorrichtung ausgeführt werden. Verschiedene Konfigurationen des Ausgangssignals des elektrischen Anschlussmoduls können durch das Layout des weiteren flexiblen Leiterplattensteckers übernommen werden. Das kann die Montagekosten senken und die Komplexität der erforderlichen Kompensationseinrichtung verringern.
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In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Drucksensoranordnung zur Messung des Drucks eines Fluids bereitgestellt, wobei das Verfahren mindestens die Schritte umfasst: Elektrisches Verbinden einer Signalleitung einer hermetischen Durchführung eines Wandelements mit einer Drucksensorvorrichtung, die an einem Fluidkanal zum Anschluss eines Volumens eines zu messenden Fluids eines Druckanschlusses angebracht ist; Anordnen eines Gehäuseelements, vorzugsweise eines zylindrischen Gehäuses, um die Drucksensorvorrichtung und das Wandelement herum; und Befestigen des Gehäuseelements an dem Druckanschluss und an dem Wandelement jeweils hermetisch abdichtend, vorzugsweise durch Schweißen, so dass der Druckanschluss, das Gehäuseelement und das Wandelement die Drucksensorvorrichtung in einer hermetisch dichten und EMV-geschirmten Sensorkammer einschließen.
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Die Wirkungen und weiteren Ausführungsbeispiele des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung sind analog zu den Wirkungen und Ausführungsbeispielen der Drucksensoranordnung gemäß der oben genannten Beschreibung. Es wird daher auf die vorangegangene Beschreibung der Drucksensoranordnung verwiesen.
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In einem Beispiel kann der Schritt: Elektrisches Verbinden einer Signalleitung einer hermetischen Durchführung eines Wandelements mit einer Drucksensorvorrichtung, den Unterschritt umfassen: Elektrisches Verbinden eines ersten flexiblen Leiterplattensteckers mit der Drucksensorvorrichtung innerhalb der Sensorkammer, vorzugsweise durch Löten oder Schweißen.
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Weiter kann der Schritt: Elektrisches Verbinden einer Signalleitung einer hermetischen Durchführung eines Wandelements mit einer Drucksensorvorrichtung, zum Beispiel die Unterschritte umfassen: Montieren einer gedruckten Leiterplatte auf einem Trägerteil, wobei die gedruckte Leiterplatte den ersten flexiblen Leiterplattenanschluss aufweist; Befestigen des Trägerteils an dem Druckanschluss, vorzugsweise durch Kleben.
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Das Verfahren kann z. B. weiter den Schritt umfassen: Elektrisches Verbinden eines elektrischen Anschlussmoduls mit der Signalleitung außerhalb der Sensorkammer, vorzugsweise über einen weiteren flexiblen Leiterplattenanschluss; und Anbringen des elektrischen Anschlussmoduls an dem Gehäuseelement, so dass das Wandelement zwischen dem elektrischen Anschlussmodul und dem Druckanschluss angeordnet ist.
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Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Wortlaut der Ansprüche sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von beispielhaften Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Die Figuren zeigen:
- 1a, b schematische Darstellungen einer Drucksensoranordnung;
- 2a-e schematische Darstellung einer Unterbaugruppe der Drucksensoranordnung;
- 3a, b schematische Darstellungen der Baugruppe, die mit einem Druckanschluss verbunden ist;
- 4 eine schematische Darstellung aller Baugruppen der Drucksensoranordnung;
- 5 eine schematische Darstellung eines weiteren beispielhaften Ausführungsbeispiel der Drucksensoranordnung; und
- 6 ein Flussdiagramm des Verfahrens zur Herstellung einer Drucksensoranordnung.
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Gemäß 1a ist die Gesamtheit der Drucksensoranordnung mit dem Referenzzeichen 10 bezeichnet.
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Die Drucksensoranordnung 10 weist einen Druckanschluss 12, mindestens ein Gehäuseelement 14 und ein elektrisches Anschlussmodul 16 auf.
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Der Druckanschluss 12 ist derart ausgebildet, dass er an einen Druckanschlussverbinder (nicht dargestellt) angeschlossen werden kann, der eine Fluidverbindung zu einem zu messenden Fluid herstellt.
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Das Gehäuseelement 14 ist mit dem Druckanschluss 12 verbunden. Das Gehäuseelement 14 hat die Form eines zylindrischen Gehäuses und umfasst einen elektrischen Anschlussabschnitt 15. Das elektrische Anschlussmodul 16 ist an dem elektrischen Anschlussabschnitt 15 des Gehäuseelements 14 befestigt. Die Befestigung des elektrischen Anschlussmoduls 16 am Gehäuseelement 14 kann durch Bördeln erfolgen, d. h. durch eine lokale Verformung des elektrischen Anschlussabschnitts 15.
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Das elektrische Anschlussmodul 16 ist derart ausgebildet, dass es elektrische Signale von der Drucksensoranordnung 10 bereitstellt. Weiter kann das elektrische Anschlussmodul 16 aus einem Kabel bestehen.
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1b zeigt eine Schnittdarstellung entlang einer Längsachse 13 der Drucksensoranordnung 10.
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Die Drucksensoranordnung 10 umfasst eine hermetisch dichte und EMV-geschirmte Sensorkammer 46. Das Gehäuseelement 14, der Druckanschluss 12 und ein Wandelement 32 begrenzen die Sensorkammer 46. In diesem Beispiel bildet das Wandelement 32 eine obere Wand der Sensorkammer 46. Der Druckanschluss 12 bildet eine Bodenwand der Sensorkammer 46. Ein Abschnitt des Gehäuseelements 14 bildet eine Seitenwand, die die Sensorkammer 46 umschließt und das Wandelement 32 mit dem Druckanschluss 12 verbindet. Die Seitenwand erstreckt sich um die Längsachse 13 der Drucksensoranordnung 10.
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Das Gehäuseelement 14 ist hermetisch dicht am Druckanschluss 12 befestigt. Weiter ist das Gehäuseelement 14 an dem Wandelement 32 hermetisch abdichtend befestigt. Die Befestigung des Gehäuseelements 14 am Druckanschluss 12 und am Wandelement 32 kann durch Schwei-ßen, insbesondere durch Laserschweißen, erfolgen.
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Das Wandelement 32 wird zwischen dem elektrischen Anschlussabschnitt 15 und dem Druckanschluss 12 am Gehäuseelement 14 befestigt. In diesem Beispiel, in dem das Gehäuseelement 14 ein zylindrisches Gehäuse ist, ist das Wandelement 32 in das zylindrische Gehäuse eingesetzt. Es ist an einer Innenwand des zylindrischen Gehäuses befestigt. Das Wandelement 32 trennt den elektrischen Anschlussabschnitt 15 des Gehäuseelements 14 von dem Abschnitt des Gehäuseelements 14, der als Seitenwand der Sensorkammer 46 zugeordnet ist.
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In der Sensorkammer 46 sind eine Drucksensorvorrichtung 24 und eine gedruckte Leiterplatte 26 angeordnet. Die gedruckte Leiterplatte 26 und die Drucksensorvorrichtung 24 sind über einen ersten flexiblen Leiterplattenverbinder 28 elektrisch miteinander verbunden.
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Die Drucksensorvorrichtung 24 umfasst mindestens ein druckempfindliches Element, z. B. ein piezoresistives oder piezoelektrisches Sensorelement. Vorzugsweise sind die druckempfindlichen Elemente in Dünnschicht- oder Dickschichttechnologie ausgeführt. Es können jedoch auch andere Technologien, z. B. MEMS-Sensorchips, verwendet werden.
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Die gedruckte Leiterplatte 26 kann eine Signalaufbereitungselektronik zur Aufbereitung des Ausgangssignals der Drucksensorvorrichtung 24 aufweisen. Die Signalkonditionierungselektronik kann Komponenten oder Schaltungen zur Temperaturkompensation, Signalverstärkung oder -prüfung, Wandler, Regler oder EMI-Filter umfassen.
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Der Druckanschluss 12 umfasst einen Fluiddurchlass 18 mit einem ersten Ende 20 und einem zweiten Ende 22, das dem ersten Ende 20 gegenüberliegt. Das erste Ende 20 ist derart ausgebildet, dass es in Fluidverbindung mit dem zu messenden Fluid steht. Das zweite Ende 22 ist innerhalb der Drucksensoranordnung 10 in der Sensorkammer 46 angeordnet. Die Drucksensorvorrichtung 24 überdeckt das zweite Ende 22 und dichtet es hermetisch ab.
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Das Wandelement 32 umfasst eine hermetische Durchführung 34. Die hermetische Durchführung 34 umfasst mindestens eine Signalleitung 36, die sich durch das Wandelement 32 erstreckt. Mindestens eine Signalleitung 36 der hermetischen Durchführung 34 kann mit der hermetischen Durchführung 34 elektrisch leitend verbunden sein, um eine Erdung bereitzustellen. Die weiteren Signalleitungen 36 der hermetischen Durchführung 34 können elektrisch isolierend mit der hermetischen Durchführung 34 verbunden sein.
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Ein erster Endabschnitt 38 der Signalleitung 36 ist innerhalb der Sensorkammer 46 angeordnet. Ein zweiter Endabschnitt 40 der Signalleitung 36 ist auf der gegenüberliegenden Seite des Wandelements 32 außerhalb der Sensorkammer 46 angeordnet. Der erste Endabschnitt 38 ist mit der gedruckten Leiterplatte 26 verbunden. In diesem Beispiel sind die ersten Endabschnitte 38 der Signalleitungen 36 in elektrische Anschlüsse 56 der gedruckten Leiterplatte 26 eingesetzt.
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Die zweiten Endabschnitte 40 der Signalleitungen 36 sind über einen weiteren flexiblen Leiterplattenverbinder 42 elektrisch mit dem elektrischen Anschlussmodul 16 verbunden.
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2a zeigt eine Explosionsansicht einer ersten Unterbaugruppe der Drucksensoranordnung 10. Die erste Unterbaugruppe besteht aus einem Trägerteil 30, der gedruckten Leiterplatte 26 mit dem ersten flexiblen Leiterplattenanschluss 28, der hermetischen Durchführung 34 und dem Wandelement 32. Die 2b bis 2e zeigen den Montagevorgang der ersten Unterbaugruppe der Drucksensoranordnung 10.
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Die hermetische Durchführung 34 ist als Transistor Outline Kopfteil ausgeführt. Es ist erkennbar, dass die ersten Endabschnitte 38 der Signalleitungen 36 länger sind als die zweiten Endabschnitte 40 der Signalleitungen 36. Die ersten Endabschnitte 38 und die zweiten Endabschnitte 40 der Signalleitungen 36 ragen in entgegengesetzter Richtung aus der hermetischen Durchführung 34 heraus.
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Das Wandelement 32 umfasst eine Durchlass 50, die eine Form und Größe hat, die der Form und Größe der hermetischen Durchführung 34 entspricht. Das Wandelement 32 umfasst ferner einen Flansch 48, der sich um das Wandelement 32 herum erstreckt.
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Das Trägerteil 30 umfasst einen Aufnahmeabschnitt 31 mit einer radialen und axialen Auflagefläche für die gedruckte Leiterplatte 26, wobei der Aufnahmeabschnitt 31 eine Größe und Form aufweist, die der gedruckten Leiterplatte 26 entspricht. Der Aufnahmeabschnitt 31 ist zur Aufnahme der gedruckten Leiterplatte 26 ausgebildet. Weiter umfasst das Trägerteil 30 eine Öffnung 33. Die Öffnung 33 hat eine Form, die das Durchführen des ersten flexiblen Leiterplattenverbinders 28 von der gedruckten Leiterplatte 26 ermöglicht.
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Die gedruckte Leiterplatte 26 umfasst mindestens ein elektronisches Modul 52, das derart ausgebildet ist, dass es Signale von der Drucksensorvorrichtung 24 aufbereitet. Weiter umfasst die gedruckte Leiterplatte 26 elektrische Anschlüsse 56, die zur Aufnahme und Verbindung mit den ersten Endabschnitten 38 der hermetischen Durchführung 34 geeignet sind.
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Gemäß 2b ist die hermetische Durchführung 34 in die Durchlass 50 eingesetzt und darin befestigt. Die Verbindung zwischen der hermetischen Durchführung 34 und der Durchlass 50 erfolgt hermetisch abdichtend, z. B. durch Schweißen oder Löten. Eine der Leitungen ist eine Masseleitung 36', die von der hermetischen Durchführung 34 nicht elektrisch isoliert ist.
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2c zeigt, dass die gedruckte Leiterplatte 26 an dem Aufnahmeabschnitt 31 des Trägerteils 30 befestigt ist. Die Befestigung der gedruckten Leiterplatte 26 kann z. B. durch eine Klebeverbindung erfolgen.
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Der erste flexible Leiterplattensteckverbinder 28 ist mit einem Endbereich an der gedruckten Leiterplatte 26 befestigt. Ein weiterer Endbereich des ersten flexiblen Leiterplattensteckers 28 umfasst elektrische Anschlüsse 54.
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Gemäß 2d wird die erste Baugruppe montiert. Das Wandelement 32 ist auf dem Trägerteil 30 angeordnet. Eine Innenseite des Flansches 48 nimmt einen Abschnitt des Trägerteils 30 auf. Beim Anordnen des Wandelements 32 auf dem Trägerteil 30 werden die ersten Endabschnitte 38 der Signalleitungen 36 mit den elektrischen Anschlüssen 56 der gedruckten Leiterplatte 26 verbunden. Der erste flexible Leiterplattenverbinder 28 ragt durch die Öffnung 33. Weiter umfasst das Trägerteil 30 einen Flansch 35 an einer Seite, die der Seite gegenüberliegt, die das Wandelement 32 aufnimmt.
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2e zeigt eine weitere Ansicht der ersten Unterbaugruppe. Die zweiten Endabschnitte 40 der Signalleitungen 36 ragen von der ersten Baugruppe weg. Außerdem erstreckt sich der erste flexible Leiterplattenverbinder 28 durch die Öffnung 33 des Trägerteils 30.
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Die 3a und 3b zeigen die Verbindung der ersten Unterbaugruppe mit einer zweiten Unterbaugruppe. Die zweite Unterbaugruppe weist den Druckanschluss 12 und die Sensorvorrichtung 24 auf. Die Sensorvorrichtung 24 wird auf den Druckanschluss 12 montiert, der die zweite Unterbaugruppe bildet.
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Gemäß 3a ist der erste flexible Leiterplattenverbinder 28 elektrisch mit der Drucksensorvorrichtung 24 verbunden. Die in 2e dargestellten elektrischen Anschlüsse 54 sind elektrisch mit elektrischen Anschlüssen der Drucksensorvorrichtung 24 verbunden. Somit verbindet der flexible Leiterplattenverbinder 28 die gedruckte Leiterplatte 26 elektrisch mit der Drucksensorvorrichtung 24. Folglich sind die Signalleitungen 36 über die gedruckte Leiterplatte 26 und den flexiblen Leiterplattenverbinder 28 mit der Drucksensorvorrichtung 24 elektrisch verbunden. Der Flansch 35 des Trägerteils 30 kann an einem entsprechenden Aufnahmebereich 11 des Druckanschlusses 12 befestigt werden. Der Flansch 35 hat einen Außendurchmesser, der einem Innendurchmesser des Aufnahmebereichs 11 entspricht.
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In 3b ist die erste Unterbaugruppe mit der zweiten Unterbaugruppe verbunden. Das Trägerteil 30 ist an einer axialen Endfläche des Druckanschlusses 12 befestigt.
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4 zeigt die Drucksensoranordnung 10 mit einer dritten Baugruppe, bestehend aus dem elektrischen Anschlussmodul 16 und einem weiteren flexiblen Leiterplattenanschluss 42. Weiter ist das Gehäuseelement 14 dargestellt.
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Das Gehäuseelement 14 hat die Form eines zylindrischen Gehäuses. Das zylindrische Gehäuse ist um das Trägerteil 50 angeordnet, das sich um die Drucksensorvorrichtung 24 herum erstreckt. Das Gehäuseelement 14 ist hermetisch abdichtend mit dem Druckanschluss 12 verbunden. Der Flansch 48 des Wandelements 32 hat einen Außendurchmesser, der einem Innendurchmesser des Gehäuseelements 14 entspricht. Die äußere radiale Fläche des Flansches 48 ist hermetisch abdichtend an dem Gehäuseelement 14 befestigt.
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Das Gehäuseelement 14 und das Wandelement 32 können aus rostfreiem Stahl gefertigt sein. Weiter können das Gehäuseelement 14 und das Wandelement 32 durch Tiefziehen hergestellt werden.
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Die Befestigung des Gehäuseelements 14 am Druckanschluss 12 und dem Wandelement 32 kann z. B. durch Schweißen erfolgen.
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Das Gehäuseelement 14, das Wandelement 32 und der Druckanschluss 12 definieren eine Sensorkammer 46, die gegenüber der Umgebung hermetisch abgeschlossen ist. Außerdem bilden das Gehäuseelement 14, das Wandelement 32 und der Druckanschluss 12 eine EMV-Abschirmung für die Sensorkammer 46.
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Das Trägerteil 30, die Drucksensorvorrichtung, die Leiterplatte, die ersten Endabschnitte der Signalleitungen 36 und der erste flexible Leiterplattenstecker sind innerhalb der Sensorkammer 46 angeordnet.
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Ein Ende des weiteren flexiblen Leiterplattensteckers 42 ist mit den zweiten Endabschnitten 40 der Signalleitungen 36 verbunden. Das gegenüberliegende Ende des weiteren flexiblen Leiterplattensteckers 42 umfasst elektrische Steckverbinder 58, die zum Anschluss an das elektrische Anschlussmodul 16 ausgebildet sind. Durch die elektrische Verbindung des elektrischen Anschlussmoduls 16 mit den zweiten Endabschnitten 40 über den weiteren flexiblen Leiterplattenstecker 42 wird das elektrische Anschlussmodul 16 elektrisch mit einer Drucksensorvorrichtung verbunden.
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Alternativ kann die elektrische Verbindung zwischen dem elektrischen Anschlussmodul 16 und den zweiten Endabschnitten 40 auch durch das Anlöten von Drahtleitungen oder die Anordnung von Metallfederelementen zwischen den zweiten Endabschnitten 40 und dem elektrischen Anschlussmodul 16 hergestellt werden.
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5 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsbeispiel der Drucksensoranordnung 10 für einen Manometer-Transmitter. In diesem Beispiel weist das Wandelement 32 eine Öffnung 44 auf. Ein mikroporöses Membranelement 45, z. B. Goretex, verschließt diese Öffnung 44. Das mikroporöse Membranelement 45 ermöglicht die Entlüftung der Sensorkammer 46, verhindert aber das Eindringen von Wasser, Staub oder anderen korrosiven Flüssigkeiten und Verunreinigungen in die Sensorkammer 46. Das mikroporöse Membranelement 45 kann an der im Wandelement 32 ausgebildeten Öffnung 44 angebracht werden, z. B. durch Kleben oder Schweißen.
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6 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 100 zur Herstellung einer Drucksensoranordnung.
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Das Verfahren 100 umfasst den Schritt 102, in dem eine Signalleitung der hermetischen Durchführung elektrisch mit einer Drucksensorvorrichtung verbunden wird. Die Drucksensorvorrichtung ist an der Fluidpassage des Druckanschlusses angebracht. Der Fluiddurchgang ist zum Anschluss an ein Volumen eines zu messenden Fluids vorgesehen.
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In einem weiteren Schritt 104 wird das Gehäuseelement um die Drucksensorvorrichtung und das Wandelement angeordnet. Das Gehäuseelement kann über das Wandelement geschoben werden. Weiter kann das Gehäuseelement vorzugsweise ein zylindrisches Gehäuse sein.
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In einem weiteren Schritt 106 wird das Gehäuseelement an den Druckanschluss und an das Wandelement angebracht. Die Befestigung des Gehäuseelements an dem Wandelement und dem Druckanschluss erfolgt hermetisch abdichtend, vorzugsweise durch Schweißen. Weiter erfolgt die Befestigung so, dass das Gehäuseelement, das Wandelement und der Druckanschluss die Drucksensorvorrichtung in einer hermetisch dichten und EMV-geschirmten Sensorkammer einschließen.
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Schritt 102 kann den optionalen Schritt 112 umfassen, in dem ein erster flexibler Leiterplattenverbinder mit einer Drucksensorvorrichtung verbunden wird, die in einer Sensorkammer angeordnet ist. Die Verbindung kann vorzugsweise durch Löten oder Schweißen oder durch Verwendung von Schnappverriegelungsmitteln erfolgen.
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Darüber hinaus kann der Schritt 102 weitere optionale Unterschritte 114 und 116 umfassen. Im optionalen Unterschritt 114 wird eine gedruckte Leiterplatte auf einem Trägerteil montiert. Die gedruckte Leiterplatte kann den ersten flexiblen Leiterplattenverbinder umfassen. In dem weiteren optionalen Unterschritt 116 wird das Trägerteil an dem Druckanschluss befestigt. Die Befestigung des Trägerteils an dem Druckanschluss kann vorzugsweise durch Kleben erfolgen.
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Das Verfahren 100 kann weiter die optionalen Schritte 108 und 110 umfassen. Im optionalen Schritt 108 wird das elektrische Anschlussmodul mit der Signalleitung außerhalb der Sensorkammer verbunden. Die Verbindung zwischen dem elektrischen Anschlussmodul und der Signalleitung außerhalb der Sensorkammer kann über einen weiteren flexiblen Leiterplattenanschluss erfolgen.
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Gemäß dem optionalen Schritt 110 kann das elektrische Anschlussmodul derart an dem Gehäuseelement befestigt werden, dass das Wandelement zwischen dem elektrischen Anschlussmodul und dem Druckanschluss angeordnet ist. Das Wandelement trennt dann einen elektrischen Anschlussabschnitt des Gehäuseelements von einem Abschnitt des Gehäuseelements, der an der Sensorkammer angeordnet ist.
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Die Erfindung ist nicht auf eines der vorgenannten Ausführungsbeispiele beschränkt. Sie kann in vielerlei Hinsicht modifiziert werden.
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Alle sich aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung ergebenden Merkmale und Vorteile, einschließlich konstruktiver Details, räumlicher Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich genommen als auch in verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Drucksensoranordnung
- 11
- Aufnahmebereich
- 12
- Druckanschluss
- 13
- Längsachse
- 14
- Gehäuseelement
- 15
- elektrischer Anschlussabschnitt
- 16
- elektrisches Anschlussmodul
- 18
- Fluiddurchlass
- 20
- erstes Ende
- 22
- zweites Ende
- 24
- Drucksensorvorrichtung
- 26
- gedruckte Leiterplatte
- 28
- erster flexibler Leiterplattenverbinder
- 30
- Trägerteil
- 31
- Aufnahmeabschnitt
- 32
- Wandelement
- 33
- Öffnung
- 34
- hermetische Durchführung
- 35
- Flansch
- 36
- Signalleitung
- 38
- erster Endabschnitt
- 40
- zweiter Endabschnitt
- 42
- weiterer flexibler Leiterplattenverbinder
- 46
- Sensorkammer
- 48
- Flansch
- 50
- Durchlass
- 52
- elektronisches Modul
- 54
- elektrischer Anschluss
- 56
- elektrischer Anschluss
- 58
- elektrischer Steckverbinder
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008054382 A1 [0003]
- US 6457368 B1 [0004]
