DE102021113914A1 - Messgerät zum Bestimmen und/oder Überwachen zumindest einer physikalischen und/oder chemischen Messgröße - Google Patents

Messgerät zum Bestimmen und/oder Überwachen zumindest einer physikalischen und/oder chemischen Messgröße Download PDF

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Andreas Spitz
Elke Schmidt
Nils Ponath
Marcel Gfrörer
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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Messgerät (1) zum Bestimmen und/oder Überwachen zumindest einer physikalischen und/oder chemischen Messgröße, mit
- einem Sensorelement (2), wobei das Sensorelement (2) einen elektrischen Wandler (3) zum Bereitstellen von messgrößenabhängigen elektrischen Primärsignalen und einen Sensorkörper (4) mit zumindest einem metallisierten Oberflächenabschnitt (5) aufweist,
- einer Vor-Ort-Elektronik (6), wobei eine erste Fläche (6a) der Vor-Ort-Elektronik (6) mehrere erste Kontaktflächen (9a) aufweist, welche mit dem zumindest einen metallisierten Oberflächenabschnitt (5) des Sensorelements (2) mechanisch und elektrisch verbunden sind, wobei eine zweite Fläche (6b) der Vor-Ort-Elektronik (6) mehrere zweite Kontaktflächen (9b) aufweist, und
- einer Leiterplatte (10), welche in einem ersten Bereich (10a) mehrere dritte Kontaktflächen (9c) aufweist, wobei die Leiterplatte (10) mittels den zweiten Kontaktflächen (9b) und den dritten Kontaktflächen (9c) mit der Vor-Ort-Elektronik (6) mechanisch und elektrisch verbunden ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Messgerät zum Bestimmen und/oder Überwachen zumindest einer physikalischen und/oder chemischen Messgröße.
  • Messgeräte bestimmen und/oder überwachen eine Messgröße, aus welcher eine Prozessgröße ermittelt wird. Messgeräte sind im Rahmen dieser Anmeldung als eine Komponente eines Feldgeräts der Prozess- und Automatisierungstechnik zu verstehen, welche der Überwachung und/oder Bestimmung mindestens einer, beispielsweise chemischen und/oder physikalischen, Prozessgröße eines Mediums dienen. Eine Vielzahl solcher Feldgeräte wird von Firmen der Endress+Hauser-Gruppe hergestellt und vertrieben.
  • Bei der von dem Feldgerät zu bestimmenden Prozessgröße kann es sich um den Füllstand, den Durchfluss, den Druck, die Temperatur, den pH-Wert, ein Redoxpotential oder die Leitfähigkeit des jeweiligen Mediums handeln. Die der Bestimmung der Prozessgröße zugrundeliegenden, unterschiedlichen möglichen Messprinzipien sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden hier nicht weiter erläutert. Feldgeräte zur Messung des Füllstands sind insbesondere als Mikrowellen-Füllstandsmessgeräte, Ultraschall-Füllstandsmessgeräte, zeitbereichsreflektometrische Füllstandsmessgeräte (TDR), radiometrische Füllstandsmessgeräte, kapazitive Füllstandsmessgeräte, konduktive Füllstandsmessgeräte und vibronische Füllstandsmessgeräte ausgestaltet. Feldgeräte zur Messung des Durchflusses dagegen arbeiten beispielsweise nach dem Coriolis-, Ultraschall-, Vortex-, thermischen und/oder magnetisch induktiven Messprinzip. Bei Druckmessgeräten handelt es sich bevorzugt um sogenannte Absolut-, Relativ- oder Differenzdruckgeräte. Druckmessgeräte weisen beispielsweise ein Messgerät zur Bestimmung einer druckabhängigen Kapazität auf, anhand welcher schließlich der Druck des Mediums bestimmt wird.
  • Im Allgemeinen umfassen Messgeräte ein Sensorelement, welches mittels eines elektrischen Wandlers ein messgrößenabhängiges elektrisches Primärsignal bereitstellt, und eine Vor-Ort-Elektronik, welche für die Verarbeitung der elektrischen Primärsignale und das Betreiben des elektrischen Wandlers vorgesehen ist. An die Vor-Ort-Elektronik ist typischerweise eine Elektronikeinheit angeschlossen, welche u.a. für die Stromversorgung, die weitere Verarbeitung eines von der Vor-Ort-Elektronik erhaltenen elektrischen Sekundärsignals und/oder das Betreiben von Schnittstellen zuständig ist. Die Verbindung der Vor-Ort-Elektronik mit der Elektronikeinheit erfolgt in der Regel mittels eines Steckers.
  • In der Patentanmeldung DE 10 2019 104 841 A1 wird ein Drucksensorelement mit einer als System-in-Package ausgestaltete Vor-Ort-Elektronik beschrieben. System-in-Package-Verfahren sind anspruchsvolle Herstellungsverfahren, die im Reinraum erfolgen, und gegenüber herkömmlichen Leiterplatten mit dünneren Substraten als Trägermaterial für die darauf anzuordnenden Bauteile arbeiten. Das Gehäuse wird mittels eines Spritzgussverfahrens auf die Mess- und Betriebsschaltung aufgetragen und besteht aus Kunststoff. Dabei sind insbesondere die Wärmeausdehnungskoeffizienten des Drucksensorelements und der Vor-Ort-Elektronik aufeinander anzupassen, da es sonst leicht zu einer thermomechanischen Spannung und Hysterese im Drucksensorelement kommt.
  • Die Vor-Ort-Elektronik ist jedoch ein relativ kleines Bauelement, so dass nur wenig Fläche für die Anbringung eines Steckers zur Verfügung steht. Der dementsprechend kleine Stecker ist folglich schwer zu bedienen. Darüber hinaus sind herkömmliche Stecker, welche eine Verbindung zu beispielsweise einer Leiterplatte schaffen, nur für Temperaturen bis ca. 100°C ausgelegt, wohingegen Messgeräte häufig deutlich höheren Temperaturen, z.B. bis 200°C, ausgesetzt sind. Auch im Bereich der Elektronik des Messgeräts treten noch Temperaturen bis zu 150°C auf.
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Messgerät anzugeben, welches für höhere Temperaturen ausgelegt ist. Höhere Temperaturen sind insbesondere Temperaturen bis ca. 150°C.
  • Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird gelöst durch ein Messgerät zum Bestimmen und/oder Überwachen zumindest einer physikalischen und/oder chemischen Messgröße, mit
    • - einem Sensorelement, wobei das Sensorelement einen elektrischen Wandler zum Bereitstellen von messgrößenabhängigen elektrischen Primärsignalen und einen Sensorkörper mit zumindest einem metallisierten Oberflächenabschnitt aufweist,
    • - einer Vor-Ort-Elektronik mit einem Gehäuse und einer in einem Innenraum des Gehäuses angeordneten Mess- und Betriebsschaltung zum Betreiben des elektrischen Wandlers und zum Verarbeiten der Primärsignale, wobei eine erste Fläche der Vor-Ort-Elektronik mehrere erste Kontaktflächen aufweist, welche mit dem zumindest einen metallisierten Oberflächenabschnitt des Sensorelements mechanisch und elektrisch verbunden sind, wobei eine zweite Fläche der Vor-Ort-Elektronik mehrere zweite Kontaktflächen aufweist, und
    • - einer Leiterplatte, welche in einem ersten Bereich mehrere dritte Kontaktflächen aufweist, wobei die Leiterplatte mittels der zweiten Kontaktflächen und der dritten Kontaktflächen mit der Vor-Ort-Elektronik mechanisch und elektrisch verbunden ist.
  • Das erfindungsgemäße Messgerät umgeht den Stecker und die damit verbundenen Probleme, indem die Leiterplatte ohne Zwischenelement mit der Vor-Ort-Elektronik verbunden wird. Dazu wird die Vor-Ort-Elektronik auf den, insbesondere gegenüberliegenden, ersten und zweiten Flächen mit den ersten und zweiten Kontaktflächen ausgestattet. In der Fertigung wird in der Regel zunächst die Vor-Ort-Elektronik mit dem Sensorelement verbunden, bspw. verlötet, bevor in einem späteren Schritt die Leiterplatte an die Vor-Ort-Elektronik gelötet wird. Dies bietet den zusätzlichen Vorteil, dass die Leiterplatte auf Kundenanforderungen angepasst werden kann. Die mehreren ersten, zweiten und dritten Kontaktflächen sind als metallisierte Bereiche auf einer jeweiligen Fläche des jeweiligen Bauteils ausgestaltet. Die mehreren Kontaktflächen können dabei zwei oder mehr - mitunter auch eine Vielzahl von - Kontaktflächen sein. Für die Leiterplatte und die Lötpaste für die Verbindung von Leiterplatte und Vor-Ort-Elektronik stehen herkömmliche Varianten bereit, die bei hohen Temperaturen einsatzfähig sind. Die Leiterplatte dient beispielsweise zur Energieversorgung der Vor-Ort-Elektronik und/oder der Verarbeitung von elektrischen Sekundärsignalen, welche bei der Verarbeitung der elektrischen Primärsignale erzeugt und von der Vor-Ort-Elektronik übermittelt werden.
  • Vorteilhafterweise ist die Leiterplatte als flexible Leiterplatte ausgestaltet.
  • In einer möglichen Ausgestaltung sind die ersten Kontaktflächen und die zweiten Kontaktflächen als QFN-, LGA-, DFN- oder BGA-Anordnung ausgestaltet. Die dritten Kontaktflächen der Leiterplatte sind bevorzugt korrespondierend zu den zweiten Kontaktflächen der Vor-Ort-Elektronik ausgestaltet. QFN (Quad Flat No Leads), LGA (Land Grid Array) und DFN (Dual Flat No-Lead) beschreiben Anordnungen, bei denen die Kontaktflächen plan auf der Fläche der jeweiligen Leiterplatte oder des Gehäuses integriert sind. Bei der BGA (Ball Grid Array) Anordnung hingegen sind die Kontaktflächen als Lotperlen ausgeformt. Zur Weiterverarbeitung muss zunächst Lötpaste auf zumindest einen Teil der Kontaktflächen aufgetragen werden.
  • In einer weiteren Ausgestaltung ist das Sensorelement ein Drucksensorelement.
  • Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass das Drucksensorelement einen Grundkörper und eine unter Einschluss einer Druckkammer mit dem Grundkörper verbundene Messmembran aufweist. Das Drucksensorelement ist in der Regel so empfindlich, dass bereits kleine Abweichungen der Wärmeausdehnungskoeffizienten des Drucksensorelements und/oder mit dem Drucksensorelement verbundener Elemente zu thermomechanischen Spannungen und nachfolgend zu einer Hysterese im Drucksignal führen. Dies gilt nicht nur für die betreffenden Fügestellen zwischen dem Drucksensorelement und der Vor-Ort-Elektronik, sondern auch für die Vor-Ort-Elektronik selbst. Das Drucksensorelement ist beispielsweise aus einer Keramik, insbesondere Korund, gefertigt, welche einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizient aufweist.
  • In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das Drucksensorelement einen kapazitiven Messwandler, der mindestens eine an der Messmembran angeordnete erste Elektrode und mindestens eine an dem Grundkörper angeordnete zweite Elektrode aufweist, die einander zugewandt sind, wobei die Kapazität zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode von einer druckabhängigen Auslenkung der Messmembran abhängt, wobei zumindest die zweite Elektrode über mindestens eine Durchführung durch den Grundkörper mit der Mess- und Betriebsschaltung verbunden ist.
  • Bevorzugterweise ist die Vor-Ort-Elektronik in einem System-in-Package-Verfahren herstellbar. Details zum System-in-Package-Verfahren finden sich auch in der Einleitung dieser Anmeldung. Die Mess- und Betriebsschaltung weist zumindest eine integrierte Schaltung und mindestens ein passives Element auf. Die Vor-Ort-Elektronik stellt damit ein komplexes integriertes Bauteil dar. Im Rahmen des System-in-Package-Verfahren wird der Wärmeausdehnungskoeffizient der Vor-Ort-Elektronik an den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Sensorelements angepasst, so dass die Vor-Ort-Elektronik und das Sensorelement einen im Wesentlichen übereinstimmenden Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen.
  • Die Erfindung soll anhand der nachfolgenden Figuren 1 - 2 näher erläutert werden. Sie zeigen:
    • 1: eine schematische Darstellung der Verbindung zwischen dem Sensorelement und der Vor-Ort-Elektronik am Beispiels eines Drucksensorelements.
    • 2: eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Messgeräts am Beispiels eines Drucksensorelements.
  • Wie eingangs erwähnt, ist das erfindungsgemäße Messgerät 1 für eine Vielzahl von Feldgeräten einsetzbar, wie u.a. Druck- und Füllstandsmessgeräte. Die folgenden Figuren zeigen das erfindungsgemäße Messgerät 1 beispielhaft in Verbindung mit einem Drucksensorelement 2.
  • In 1 ist zunächst die Verbindung zwischen dem Drucksensorelement 2 mit der Vor-Ort-Elektronik 6 in einem Schema gezeigt. Das Drucksensorelement 2 umfasst einen Grundkörper 11, der dem Sensorkörper 4 entspricht, sowie eine Messmembran 12. Messmembran 12 und Grundkörper 11 sind unter Einschluss einer Druckkammer 20 mittels einer Fügung 15 verbunden und weisen auf einander zugewandten Flächen jeweils eine erste Elektrode 13a und mindestens eine zweite Elektrode 13b auf, welche den elektrische Wandler 3, bzw. in dem Fall des Drucksensorelements 2 einen kapazitiven Wandler 3, bilden. Der elektrische Wandler 3 dient zum Bereitstellen von messgrößenabhängigen elektrischen Primärsignalen. Auf die Messmembran 12 wirkt ein erster Druck p ein, wobei optional im Falle eines Referenz- oder Differenzdruckmessgeräts ein zweiter Druck durch die Druckzuführung 17 in die Druckkammer geführt werden kann. Eine druckabhängige Auslenkung der Messmembran 12 beeinflusst die Kapazität zwischen den beiden Elektroden 13a, 13b. Zumindest die zweite Elektrode 13b ist über eine Durchführung 14 mit den metallisierten Oberflächenabschnitt 5 des Grundkörpers 11 und darüber mit der Mess- und Betriebsschaltung 8 verbunden.
  • Die Vor-Ort-Elektronik 6 umfasst ein Gehäuse 7, in welchem eine Mess- und Betriebsschaltung 8 angeordnet ist, die den elektrischen Wandler 3 betreibt und die elektrischen Primärsignale verarbeitet. Auf der ersten Fläche 6a und auf einer ihr beispielhaft gegenüberliegenden zweiten Fläche 6b der Vor-Ort-Elektronik 6 sind jeweils mehrere erste Kontaktflächen 9a und mehrere zweite Kontaktflächen 9b angeordnet. Die erste Fläche 6a und die zweite Fläche 6b können auch benachbart oder senkrecht zueinander angeordnet sein. Die ersten Kontaktflächen 9a und die zweiten Kontaktflächen 9b sind beispielsweise als QFN-, LGA-, DFN- oder BGA-Anordnung ausgestaltet. Im in 1 gezeigten Beispiel sind die ersten Kontaktflächen 9a über Lotkugeln 16 mit dem metallisierten Oberflächenabschnitt 5 verlötet. Die Vor-Ort-Elektronik 6 ist optional nach einem System-in-Package-Verfahren herstellbar. Im Bereich der mehreren ersten Kontaktflächen 9a ist beispielsweise ein Substrat 21 angeordnet, auf welchem die Bauteile der Mess- und Betriebsschaltung 8 aufgebracht sind. Die Bauteile der Mess- und Betriebsschaltung 8 sind untereinander elektrisch verbunden.
  • Weiterhin gibt es mindestens eine elektrische Verbindung zwischen der Mess- und Betriebsschaltung 8 und den zweiten Kontaktflächen 9b, sowie mindestens eine elektrische Verbindung zwischen der Mess- und Betriebsschaltung 8 und den ersten Kontaktflächen 9a, so dass die Mess- und Betriebsschaltung 8 elektrische Sekundärsignale, z.B. die verarbeiteten Primärsignale betreffend, über die zweiten Kontaktflächen 9b an eine Leiterplatte 10 weiterleiten kann. Dies wird durch die Verbindung 18 dargestellt.
  • In 2 ist ein Beispiel des erfindungsgemäßen Messgeräts 1 gezeigt. Neben dem Sensorelement 2 und der Vor-Ort-Elektronik 6 umfasst das Messgerät 1 eine Leiterplatte 10. In einem ersten Bereich 10a der Leiterplatte 10 sind mehrere dritte Kontaktflächen 9c angeordnet, welche mit den mehreren zweiten Kontaktflächen 9b verlötet sind und so eine mechanische und elektrische Verbindung zwischen der Leiterplatte 10 und der Vor-Ort-Elektronik 6 bilden. Die Leiterplatte 10 ist beispielsweise flexibel ausgestaltet.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Messgerät
    2
    Sensorelement
    3
    elektrischer Wandler
    4
    Sensorkörper
    5
    metallisierter Oberflächenabschnitt
    6
    Vor-Ort-Elektronik
    6a
    erste Fläche
    6b
    zweite Fläche
    7
    Gehäuse
    8
    Mess- und Betriebsschaltung
    9a
    erste Kontaktflächen
    9b
    zweite Kontaktflächen
    9c
    dritte Kontaktflächen
    10
    Leiterplatte
    10a
    erster Bereich
    11
    Grundkörper
    12
    Messmembran
    13a
    erste Elektrode
    13b
    zweite Elektrode
    14
    Durchführung
    15
    Fügung
    16
    Lotkugeln
    17
    Druckzuführung
    18
    Verbindung
    19
    Lötpaste
    20
    Druckkammer
    21
    Substrat
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102019104841 A1 [0005]

Claims (7)

  1. Messgerät (1) zum Bestimmen und/oder Überwachen zumindest einer physikalischen und/oder chemischen Messgröße, mit - einem Sensorelement (2), wobei das Sensorelement (2) einen elektrischen Wandler (3) zum Bereitstellen von messgrößenabhängigen elektrischen Primärsignalen und einen Sensorkörper (4) mit zumindest einem metallisierten Oberflächenabschnitt (5) aufweist, - einer Vor-Ort-Elektronik (6) mit einem Gehäuse (7) und einer in einem Innenraum des Gehäuses (7) angeordneten Mess- und Betriebsschaltung (8) zum Betreiben des elektrischen Wandlers (3) und zum Verarbeiten der Primärsignale, wobei eine erste Fläche (6a) der Vor-Ort-Elektronik (6) mehrere erste Kontaktflächen (9a) aufweist, welche mit dem zumindest einen metallisierten Oberflächenabschnitt (5) des Sensorelements (2) mechanisch und elektrisch verbunden sind, wobei eine zweite Fläche (6b) der Vor-Ort-Elektronik (6) mehrere zweite Kontaktflächen (9b) aufweist, und - einer Leiterplatte (10), welche in einem ersten Bereich (10a) mehrere dritte Kontaktflächen (9c) aufweist, wobei die Leiterplatte (10) mittels den zweiten Kontaktflächen (9b) und den dritten Kontaktflächen (9c) mit der Vor-Ort-Elektronik (6) mechanisch und elektrisch verbunden ist.
  2. Messgerät nach Anspruch 1, wobei die ersten Kontaktflächen (9a) und die zweiten Kontaktflächen (9b) als QFN-, LGA-, DFN- oder BGA-Anordnung ausgestaltet sind.
  3. Messgerät nach mindestens einem der Ansprüche 1-2, wobei das Sensorelement (2) ein Drucksensorelement ist.
  4. Messgerät nach Anspruch 3, wobei das Drucksensorelement (2) einen Grundkörper (11) und eine unter Einschluss einer Druckkammer (20) mit dem Grundkörper (11) verbundene Messmembran (12) aufweist.
  5. Messgerät nach Anspruch 4, wobei das Drucksensorelement (2) einen kapazitiven Messwandler (3) umfasst, der mindestens eine an der Messmembran (12) angeordnete erste Elektrode (13a) und mindestens eine an dem Grundkörper (11) angeordnete zweite Elektrode (13b) aufweist, die einander zugewandt sind, wobei die Kapazität zwischen der ersten Elektrode (13a) und der zweiten Elektrode (13b) von einer druckabhängigen Auslenkung der Messmembran (12) abhängt, wobei zumindest die zweite Elektrode (13b) über mindestens eine Durchführung (14) durch den Grundkörper (11) mit der Mess- und Betriebsschaltung (8) verbunden ist.
  6. Messgerät nach mindestens einem der Ansprüche 1-5, wobei die Leiterplatte (10) eine flexible Leiterplatte ist.
  7. Messgerät nach mindestens einem der Ansprüche 1-6, wobei die Vor-Ort-Elektronik (6) in einem System-in-Package-Verfahren herstellbar ist.
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