DE102022211978A1

DE102022211978A1 - Pressure sensor for detecting the pressure of a fluid medium

Info

Publication number: DE102022211978A1
Application number: DE102022211978.9A
Authority: DE
Inventors: Alexander Lux; Peter Albrecht; Christian Hauer; Marius BORRAS
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-11-11
Filing date: 2022-11-11
Publication date: 2024-05-16

Abstract

Es wird ein Drucksensor (10) zur Erfassung eines Drucks eines fluiden Mediums vorgeschlagen. Der Drucksensor (10) umfasst ein Drucksensormodul (12) mit einem Trägerelement (14) und einem Drucksensorelement (16), wobei das Drucksensorelement (16) auf dem Trägerelement (14) angeordnet ist, einen Druckanschluss (35), wobei der Druckanschluss (35) eine Längsachse (36) definiert, wobei der Druckanschluss (35) eine Fluidkammer (38) aufweist, eine Membran (50), wobei die Membran (50) mit dem Druckanschluss (35) an einem medienseitigen Ende (44) verbunden ist. Die Fluidkammer (38) ist durch das Trägerelement (14), den Druckanschluss (35) und die Membran (50) begrenzt, wobei die Fluidkammer (38) mit einem inkompressiblen Fluid (52) gefüllt ist, wobei das Drucksensorelement (16) in der Fluidkammer (38) angeordnet ist. Das Drucksensormodul (12) ist mit dem Druckanschluss (35) formschlüssig verbunden, oder das Drucksensormodul (12) ist mit dem Druckanschluss (35) verschweißt, wobei das Trägerelement (14) eine Öffnung (20) aufweist, wobei die Öffnung (20) mittels eines Verschlusskörpers (22) verschlossen ist.

A pressure sensor (10) for detecting a pressure of a fluid medium is proposed. The pressure sensor (10) comprises a pressure sensor module (12) with a carrier element (14) and a pressure sensor element (16), wherein the pressure sensor element (16) is arranged on the carrier element (14), a pressure connection (35), wherein the pressure connection (35) defines a longitudinal axis (36), wherein the pressure connection (35) has a fluid chamber (38), a membrane (50), wherein the membrane (50) is connected to the pressure connection (35) at a media-side end (44). The fluid chamber (38) is delimited by the carrier element (14), the pressure connection (35) and the membrane (50), wherein the fluid chamber (38) is filled with an incompressible fluid (52), wherein the pressure sensor element (16) is arranged in the fluid chamber (38). The pressure sensor module (12) is positively connected to the pressure connection (35), or the pressure sensor module (12) is welded to the pressure connection (35), wherein the carrier element (14) has an opening (20), wherein the opening (20) is closed by means of a closure body (22).

Description

Stand der TechnikState of the art

In verschiedenen Bereichen der Technik, wie beispielsweise den Naturwissenschaften oder der Medizintechnik, müssen eine oder mehrere Eigenschaften fluider Medien erfasst werden. Hierbei kann es sich grundsätzlich um beliebige physikalische und/oder chemische Eigenschaften der fluiden Medien, also der Gase und/oder Flüssigkeiten, handeln, wie beispielsweise Temperatur, Druck, Strömungseigenschaften oder Ähnliches. Ein wichtiges Beispiel, auf welches die vorliegende Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, ist die Erfassung eines Drucks des fluiden Mediums. Drucksensoren sind beispielsweise aus Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 2. Auflage, 2012, Seiten 134-136 bekannt.In various areas of technology, such as the natural sciences or medical technology, one or more properties of fluid media must be recorded. In principle, this can be any physical and/or chemical properties of the fluid media, i.e. gases and/or liquids, such as temperature, pressure, flow properties or similar. An important example, to which the present invention is not limited, is the recording of a pressure of the fluid medium. Pressure sensors are known, for example, from Konrad Reif (ed.): Sensors in motor vehicles, 2nd edition, 2012, pages 134-136.

Dabei sind aus diversen Anwendungen Drucksensoren bekannt, bei denen das Drucksensorelement, beispielsweise ein Sensorchip auf Siliziumbasis, vor dem zu erfassenden fluiden Medium durch eine sogenannte Ölvorlage geschützt wird. Als Beispiel kann hierbei auf DE 10 2017 213 129 A1 , EP 2 831 555 B1 , WO 02/066948 A1 oder US 5.222.397 A verwiesen werden. Das Drucksensorelement ist in einer Kammer, im Folgenden auch als Gehäuse bezeichnet, eingeschlossen und dort von der Ölvorlage umgeben. Das Gehäuse ist in der Regel durch eine Membran gegenüber dem fluiden Medium abgegrenzt, welche auch als Ölmembran bezeichnet wird. Ein Druck des fluiden Mediums wird über eine Verformung der Membran an die Ölvorlage weitergegeben. Der Druck in der Ölvorlage wird dann von dem Drucksensorelement erfasst.Pressure sensors are known from various applications in which the pressure sensor element, for example a silicon-based sensor chip, is protected from the fluid medium to be detected by a so-called oil reservoir. An example of this can be EN 10 2017 213 129 A1 , EP 2 831 555 B1 , WO 02/066948 A1 or US 5,222,397 A The pressure sensor element is enclosed in a chamber, also referred to below as the housing, and is surrounded by the oil reservoir. The housing is usually separated from the fluid medium by a membrane, which is also referred to as the oil membrane. The pressure of the fluid medium is passed on to the oil reservoir via a deformation of the membrane. The pressure in the oil reservoir is then recorded by the pressure sensor element.

Ein Vorteil einer solchen Ölvorlage besteht unter anderem darin, dass die Membran das Drucksensorelement schützt, beispielsweise vor korrodierenden Einflüssen des fluiden Mediums oder vor Ablagerungen, die sich im Laufe des Gebrauchs auf dem Drucksensorelement ablagern könnten und so ein Signal des Drucksensorelements beeinflussen könnten, so dass beispielsweise Messfehler auftreten könnten.One advantage of such an oil reservoir is that the membrane protects the pressure sensor element, for example from corrosive influences of the fluid medium or from deposits that could build up on the pressure sensor element during use and thus influence a signal from the pressure sensor element, so that, for example, measurement errors could occur.

Trotz der durch diese Drucksensoren bewirkten Verbesserungen besteht nach wie vor ein Optimierungspotenzial bekannter Drucksensoren. Drücke im Niederdruckbereich von Vakuum bis < 10 bar in Kraftfahrzeugapplikationen werden mittels mikromechanischen Druckaufnehmern erfasst. Diese werden in unterschiedlichen Sensormodulen verbaut. Grundsätzlich gibt es dabei 2 Varianten der Aufbau- und Verbindungstechnik.Despite the improvements brought about by these pressure sensors, there is still potential for optimization of known pressure sensors. Pressures in the low pressure range from vacuum to < 10 bar in automotive applications are recorded using micromechanical pressure sensors. These are installed in different sensor modules. There are basically two variants of the construction and connection technology.

Zum einen wird ein mikromechanischer Relativdruckaufnehmer (MEMS) auf Glassockel zur mechanischen Entkopplung auf einen Kovar-Träger gelötet). Bei diesem Aufbaukonzept wird der Messdruck auf die MEMS Rückseite angelegt. Das Sensormodul kann an den Druckstutzen bzw. Druckanschluss angeschweißt werden. Diese Verbindungstechnik ist sehr robust, jedoch ist durch mechanische Spannungen ist die Genauigkeit oder Toleranz des Drucksignals limitiert. Der Relativdruck-MEMS kann nur mittels zusätzlichem Aufwand als Absolutdrucksensor verwendet werden, die Sensormembran kann bei mechanischer Überbelastung bersten, so dass eine Leckage ins Messmedium nach außen droht.On the one hand, a micromechanical relative pressure sensor (MEMS) is soldered to a Kovar carrier on a glass base for mechanical decoupling. In this design concept, the measuring pressure is applied to the back of the MEMS. The sensor module can be welded to the pressure port or pressure connection. This connection technology is very robust, but the accuracy or tolerance of the pressure signal is limited by mechanical stress. The relative pressure MEMS can only be used as an absolute pressure sensor with additional effort; the sensor membrane can burst if mechanically overloaded, threatening a leak into the measuring medium to the outside.

Zum anderen wird ein mikromechanische Druckaufnehmer (MEMS) ohne Glassockel zur mechanischen Entkopplung mit einem elastischen Silikonklebstoff in das Modulgehäuse geklebt (bare die). Mit dieser Technologie sind höhere Genauigkeiten oder geringere Sensortoleranzen zu erreichen. Bei der Verwendung von Porsi-Chips ist eine Überdruckfestigkeit gegeben, es besteht kein Risiko von Leckage durch Bersten. Jedoch werden diese Sensormodule mittels einer Klebung mit dem Sensorgehäuse bzw. Druckstutzen verbunden. Diese Klebeverbindung hat eine geringere Robustheit gegenüber Medien und mechanischer Belastung als eine vollmetallische, geschweißte Ausführung.On the other hand, a micromechanical pressure sensor (MEMS) without a glass base is glued into the module housing with an elastic silicone adhesive for mechanical decoupling (bare die). This technology can be used to achieve higher levels of accuracy or lower sensor tolerances. When using Porsi chips, overpressure resistance is ensured and there is no risk of leakage due to bursting. However, these sensor modules are connected to the sensor housing or pressure port using an adhesive. This adhesive connection is less robust against media and mechanical stress than a fully metallic, welded version.

Die Befüllung des Sensors mit Öl und der Verschluss der Ölkammer sind die Hauptherausforderungen bei Ölvorlage Sensoren. Beide Aspekte Beeinflussen das Design, die Kosten, den Fertigungsprozess. Die Befüllung und der Verschluss müssen so stattfinden, dass keine Luft in der Ölkammer eingeschlossen wird. Wenn im Öl sich Luftblasen bilden, ist das Öl nicht mehr inkompressibel und der Druck kann nicht eins zu eins zum Sensorelement übertragen werden. Darüber hinaus muss der Verschluss der Ölkammer so dicht sein, dass über Lebensdauer und Betriebstemperaturen keine Luft in der Ölkammer reinkommt.Filling the sensor with oil and closing the oil chamber are the main challenges with oil-filled sensors. Both aspects affect the design, the costs and the manufacturing process. Filling and closing must be done in such a way that no air is trapped in the oil chamber. If air bubbles form in the oil, the oil is no longer incompressible and the pressure cannot be transferred one-to-one to the sensor element. In addition, the oil chamber must be closed so tightly that no air can get into the oil chamber over its service life and operating temperatures.

Es sind folgende Befüllung und Verschluss Methoden bekannt. Der Sensor wird vor der Befüllung in einer Vakuumkammer platziert. Die Luft aus der leeren Ölkammer wird evakuiert. Die Ölkammer des Sensors wird mit vorevakuiertem Öl befüllt. Die mit Öl befüllten Kammer wird mit einer eingepressten Stahlkugel dicht verschlossen. Alternativ wird die mit Öl befüllte Kammer mit einem speziellen Verguss dicht verschlossen, verstemmt oder zugelötet bzw. zugeschweißt. Alternativ wird die mit Öl befüllte Kammer zugeschweißt. In diesem Fall hat die Kammer keinen Befüllkanal. Der Nachteil ist, dass schweißen unter Öl recht anspruchsvoll ist.The following filling and sealing methods are known. The sensor is placed in a vacuum chamber before filling. The air from the empty oil chamber is evacuated. The oil chamber of the sensor is filled with pre-evacuated oil. The chamber filled with oil is sealed tightly with a pressed-in steel ball. Alternatively, the chamber filled with oil is sealed tightly with a special casting, caulked or soldered or welded shut. Alternatively, the chamber filled with oil is welded shut. In this case, the chamber has no filling channel. The disadvantage is that welding under oil is quite difficult.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es wird dementsprechend ein Drucksensor zur Erfassung eines Drucks eines fluiden Mediums vorgeschlagen, welcher die Nachteile bekannter Drucksensoren zumindest weitgehend vermeidet und eine öldichte Verbindung über die Lebensdauer zu gewährleistet. Optional soll der Drucksensor ohne Verwendung eines zusätzlichen Verschlusskörpers mit einem inkompressiblen Fluid, wie beispielsweise Öl, befüllbar sein.Accordingly, a pressure sensor for detecting the pressure of a fluid medium is proposed, which at least largely avoids the disadvantages of known pressure sensors and ensures an oil-tight connection over the service life. Optionally, the pressure sensor should be able to be filled with an incompressible fluid, such as oil, without using an additional closure body.

Der vorgeschlagene Drucksensor umfasst ein Drucksensormodul mit einem Trägerelement und einem Drucksensorelement. Das Drucksensorelement ist auf dem Trägerelement angeordnet. Der vorgeschlagene Drucksensor umfasst weiterhin einen Druckanschluss. Der Druckanschluss definiert eine Längsachse. The proposed pressure sensor comprises a pressure sensor module with a carrier element and a pressure sensor element. The pressure sensor element is arranged on the carrier element. The proposed pressure sensor further comprises a pressure connection. The pressure connection defines a longitudinal axis.

Der Druckanschluss weist eine Fluidkammer auf. Der vorgeschlagene Drucksensor umfasst weiterhin eine Membran. Die Membran ist mit dem Druckanschluss an einem medienseitigen Ende verbunden. Die Fluidkammer ist durch das Trägerelement, den Druckanschluss und die Membran begrenzt. Die Fluidkammer ist mit einem inkompressiblen Fluid gefüllt. Das Drucksensorelement ist in der Fluidkammer angeordnet. Das Drucksensormodul ist mit dem Druckanschluss formschlüssig verbunden ist. Beispielsweise ist das Drucksensormodul mit dem Druckanschluss verschraubt. Dadurch wird ein öldichter Verschluss realisiert. Es wird kein Verschlusskörper benötigt, was eine aufwändige Einpressung einer Verschlusskugel mit Kraft- und Wegüberwachung vermeidet, und erlaubt, den Druckanschluss kleiner bzw. kürzer zu gestalten. Die Verschraubung kann mit einer Drehmomentüberwachung gebildet werden, um Beschädigungen zu vermeiden. Außerdem erlaubt das Design eine vereinfachte Befüllung.The pressure connection has a fluid chamber. The proposed pressure sensor further comprises a membrane. The membrane is connected to the pressure connection at a media-side end. The fluid chamber is delimited by the carrier element, the pressure connection and the membrane. The fluid chamber is filled with an incompressible fluid. The pressure sensor element is arranged in the fluid chamber. The pressure sensor module is positively connected to the pressure connection. For example, the pressure sensor module is screwed to the pressure connection. This creates an oil-tight seal. No sealing body is required, which avoids the complex pressing in of a sealing ball with force and displacement monitoring, and allows the pressure connection to be made smaller or shorter. The screw connection can be formed with a torque monitor to avoid damage. The design also allows for simplified filling.

Alternativ ist das Drucksensormodul mit dem Druckanschluss verschweißt. Dabei weist das Trägerelement eine Öffnung auf. Die Öffnung ist mittels eines Verschlusskörpers verschlossen. In dieser Konfiguration kann das Drucksensorelement, wie beispielsweise ein MEMS, ohne zusätzliche Verspannungen geklebt werden (bare die). Dadurch werden hohe Genauigkeiten und geringe Toleranzen erreicht. Es können alle vorhandene Sensorelemente (MEMS) ohne Glassockel eingesetzt werden. Das Risiko von Leckagen durch geborstene MEMS-Membranen wird vermieden. Das Sensormodul wird gegenüber dem aktuellem TO-Zellen-Design mit Druckanschlussröhrchen an der Unterseite ohne Gehäusekappe über Kopf direkt an den Druckstutzen geschweißt. Das Sensormodul kann elektrisch mit einer im Sensorgehäuse darüberliegenden Leiterplatte kontaktiert werden.Alternatively, the pressure sensor module is welded to the pressure connection. The carrier element has an opening. The opening is closed using a closure body. In this configuration, the pressure sensor element, such as a MEMS, can be glued without additional tension (bare die). This achieves high levels of accuracy and low tolerances. All existing sensor elements (MEMS) can be used without a glass base. The risk of leaks due to burst MEMS membranes is avoided. In contrast to the current TO cell design with pressure connection tubes on the underside, the sensor module is welded overhead directly to the pressure port without a housing cap. The sensor module can be electrically contacted with a circuit board located above in the sensor housing.

Das Drucksensormodul kann eingerichtet sein, um ein Signal zu erzeugen, insbesondere mindestens ein elektrisches Signal, wobei das Signal eine Korrelation zum Druck des fluiden Mediums aufweisen kann. Das Sensormodul kann mindestens einen elektrischen Anschluss zur elektrischen Kontaktierung des Drucksensorelements aufweisen.The pressure sensor module can be configured to generate a signal, in particular at least one electrical signal, wherein the signal can have a correlation to the pressure of the fluid medium. The sensor module can have at least one electrical connection for electrically contacting the pressure sensor element.

Das Drucksensorelement kann mit dem Trägerelement stoffschlüssig verbunden sein. Insbesondere kann das Drucksensorelement mit dem Trägerelement verklebt sein. Dieser Aufbau, mit geklebten Sensorelementen (MEMS), ermöglicht außerdem eine größere Variabilität bzgl. des eingesetzten metallischen Trägermaterials. Kovar ist nicht zwingend notwendig. So kann ein mikromechanischer Druckaufnehmer (MEMS) ohne Glassockel zur mechanischen Entkopplung mit einem elastischen Silikonklebstoff in das Modulgehäuse geklebt werden (bare die). Mit dieser Technologie sind höhere Genauigkeiten und geringere Sensortoleranzen zu erreichen. Bei der Verwendung von Porsi-Chips ist eine Überdruckfestigkeit gegeben, es besteht kein Risiko von Leckage durch Bersten. Porsi-Chips sind durch poröses Silizium hergestellte MEMS-Chips, bei denen kein Glassockel für den Absolutdrucksensor notwendig ist.The pressure sensor element can be firmly bonded to the carrier element. In particular, the pressure sensor element can be glued to the carrier element. This structure, with glued sensor elements (MEMS), also allows greater variability in terms of the metallic carrier material used. Kovar is not absolutely necessary. For example, a micromechanical pressure sensor (MEMS) without a glass base can be glued into the module housing with an elastic silicone adhesive for mechanical decoupling (bare die). This technology enables higher levels of accuracy and lower sensor tolerances. When using Porsi chips, there is overpressure resistance and there is no risk of leakage due to bursting. Porsi chips are MEMS chips made from porous silicon, which do not require a glass base for the absolute pressure sensor.

Das Trägerelement kann an einem radial oder seitlich äußeren Ende mit dem Druckanschluss verschweißt sein. Dadurch wird eine dauerhaft stabile Verbindung zwischen Trägerelement und Druckanschluss realisiert.The support element can be welded to the pressure connection at a radial or lateral outer end. This creates a permanently stable connection between the support element and the pressure connection.

Der Verschlusskörper kann eine Kugel oder eine Vergussmasse sein. Dadurch wird ein gegenüber dem Fluid in der Fluidkammer befindlichen Fluid dichte Verschluss realisiert.The closure body can be a ball or a casting compound. This creates a fluid-tight closure against the fluid in the fluid chamber.

Das Trägerelement kann mit dem Druckanschluss verschraubt sein. Dies erlaubt eine einfache Befüllung der Fluidkammer mit anschließendem Verschluss ohne separaten Verschlusskörper.The carrier element can be screwed to the pressure connection. This allows the fluid chamber to be easily filled and then closed without a separate closure body.

Das Trägerelement kann ein Außengewinde aufweisen. Der Druckanschluss kann ein Innengewinde aufweisen. Das Außengewinde kann in das Innengewinde eingreifen. Dadurch kann eine Schraubverbindung mit Selbsthemmung realisiert werden.The support element can have an external thread. The pressure connection can have an internal thread. The external thread can engage with the internal thread. This allows a self-locking screw connection to be created.

Das Außengewinde kann an einem radial oder seitlich äußeren Ende des Trägerelements angeordnet sein. Dadurch kann beim Verschrauben das überflüssige Fluid herausgedrückt werden und das ganze Volumen der Fluidkammer mit Fluid befüllt werden.The external thread can be arranged at a radial or lateral outer end of the carrier element. This allows the excess fluid to be pressed out when screwing and the entire volume of the fluid chamber to be filled with fluid.

Das Trägerelement kann einen ersten Dichtkonus aufweisen. Der Druckanschluss kann einen zweiten Dichtkonus aufweisen. Der erste Dichtkonus kann den zweiten Dichtkonus berühren. Insbesondere kann der erste Dichtkonus auf den zweiten Dichtkonus auf den zweiten Dichtkonus gepresst sein.
Damit wird eine dichte Verbindung zwischen Trägerelement und Druckanschluss realisiert.The carrier element can have a first sealing cone. The pressure connection can have a second sealing cone. The first sealing cone can touch the second sealing cone. In particular, the first sealing cone can be pressed onto the second sealing cone.
This creates a tight connection between the carrier element and the pressure connection.

Der erste Dichtkonus kann näher zu einer der Fluidkammer zugewandten Seite des Trägerelements angeordnet sein als das Außengewinde. Damit wird eine besonders dichte Verbindung zwischen Trägerelement und Druckanschluss realisiert.The first sealing cone can be arranged closer to a side of the carrier element facing the fluid chamber than the external thread. This creates a particularly tight connection between the carrier element and the pressure connection.

Das Drucksensormodul kann weiterhin einen Kontaktstift aufweisen. Der Kontaktstift kann das Trägerelement in einer Richtung im Wesentlichen parallel zu der Längsachse des Druckanschlusses durchdringen. Dadurch ist eine axiale Kontaktierung möglich, was Bauraum einspart.The pressure sensor module can also have a contact pin. The contact pin can penetrate the carrier element in a direction essentially parallel to the longitudinal axis of the pressure connection. This enables axial contact, which saves installation space.

Der Kontaktstift kann teilweise in einem Glaskörper angeordnet sein. Der Glaskörper kann in einer Glaskörperöffnung des Trägerelements angeordnet sein. Dadurch wird eine Abdichtung geschaffen.The contact pin can be partially arranged in a glass body. The glass body can be arranged in a glass body opening of the carrier element. This creates a seal.

Das inkompressible Fluid kann ein Öl sein. Entsprechend kann dann die Fluidkammer mit Öl gefüllt sein. Öl hat den Vorteil, dass es kostengünstig, langlebig und inkompressibel ist.The incompressible fluid can be an oil. The fluid chamber can then be filled with oil. Oil has the advantage of being inexpensive, durable and incompressible.

Unter einem „Drucksensormodul zur Bestimmung eines Druckes eines fluiden Mediums“ kann im Sinne der vorliegenden Erfindung eine beliebige Vorrichtung zur Erfassung mindestens einer Messgröße verstanden werden, welche einen Druck eines fluiden Mediums quantifiziert. Insbesondere kann das Sensormodul mindestens ein elektrisches Messsignal erzeugen, beispielsweise eine elektrische Spannung und/oder einen elektrischen Strom, wobei das elektrische Messsignal eine Korrelation zu dem zu messenden Druck des fluiden Mediums aufweist.In the context of the present invention, a "pressure sensor module for determining a pressure of a fluid medium" can be understood as any device for detecting at least one measured variable that quantifies a pressure of a fluid medium. In particular, the sensor module can generate at least one electrical measurement signal, for example an electrical voltage and/or an electrical current, wherein the electrical measurement signal has a correlation to the pressure of the fluid medium to be measured.

Unter einem „Druck“ kann im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere ein Partialdruck und/oder ein Absolutdruck und/oder eine Druckdifferenz und/oder ein Druckprofil und/oder eine Druckentwicklung, beispielsweise als Funktion der Zeit, verstanden werden. Insbesondere kann es sich um eine Druckdifferenz zwischen einem Druck p₁, beispielsweise einem Umgebungsdruck, und einem anderen Druck p₂, beispielsweise einem Referenzdruck des Drucksensorelements, handeln.In the context of the present invention, a "pressure" can be understood to mean in particular a partial pressure and/or an absolute pressure and/or a pressure difference and/or a pressure profile and/or a pressure development, for example as a function of time. In particular, it can be a pressure difference between a pressure p ₁ , for example an ambient pressure, and another pressure p ₂ , for example a reference pressure of the pressure sensor element.

Unter einem „fluiden Medium“ kann im Sinne der vorliegenden Erfindung ein Stoff in einem fluiden, insbesondere gasförmigen und/oder flüssigen, Zustand verstanden werden. Das fluide Medium kann als Reinstoff oder als Stoffgemisch vorliegen. So kann das fluide Medium beispielsweise ein beliebiges gasförmiges Stoffgemisch, beispielsweise Luft, insbesondere Umgebungsluft, umfassen.For the purposes of the present invention, a "fluid medium" can be understood as a substance in a fluid, in particular gaseous and/or liquid, state. The fluid medium can be present as a pure substance or as a mixture of substances. For example, the fluid medium can comprise any gaseous mixture of substances, for example air, in particular ambient air.

Unter einem „Gehäuse“ kann im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere ein beliebig geformtes Bauteil zur vollständigen oder teilweisen Aufnahme eines oder mehrerer Elemente verstanden werden, wobei das mindestens eine aufgenommene Element insbesondere in mindestens einem Innenraum des Gehäuses aufgenommen sein kann. Insbesondere kann unter einem Gehäuse ein beliebig geformtes Bauteil zur Abgrenzung eines oder mehrerer von dem Gehäuse umschlossener Elemente von der Umgebung verstanden werden. Das Gehäuse kann beispielsweise eingerichtet sein, um eine mechanische Stabilität, einen mechanischen Schutz und/oder einen Schutz gegenüber Umwelteinflüssen bereitzustellen. Das Gehäuse kann im vorliegenden Fall beispielsweise mindestens ein Material umfassen, welches ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: einem Kunststoff, einem Metall, einer Metalllegierung, einer Keramik.In the sense of the present invention, a “housing” can be understood in particular as a component of any shape for completely or partially accommodating one or more elements, wherein the at least one accommodated element can in particular be accommodated in at least one interior space of the housing. In particular, a housing can be understood as a component of any shape for separating one or more elements enclosed by the housing from the environment. The housing can, for example, be designed to provide mechanical stability, mechanical protection and/or protection against environmental influences. In the present case, the housing can, for example, comprise at least one material selected from the group consisting of: a plastic, a metal, a metal alloy, a ceramic.

Unter einem „Fluidkammer“ kann im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere ein beliebiger Raum verstanden werden, welcher zumindest gegenüber einem Außenraum oder einer Umgebung abgegrenzt ist. Insbesondere kann im vorliegenden Fall der Innenraum beispielsweise zumindest teilweise von dem fluiden Medium oder einem Messraum, in welchem das fluide Medium aufgenommen ist, abgegrenzt sein. Beispielsweise kann der Fluidraum ganz oder teilweise mit einem sich von dem fluiden Medium unterscheidenden inkompressiblen Fluid gefüllt sein. Insbesondere kann der Innenraum ein beliebiger Raum sein, in welchem mindestens ein Druck des fluiden Mediums herrscht, welcher von der Vorrichtung erfasst wird.In the context of the present invention, a "fluid chamber" can be understood to mean any space that is at least separated from an external space or an environment. In particular, in the present case, the interior can be separated at least partially from the fluid medium or a measuring space in which the fluid medium is accommodated. For example, the fluid space can be completely or partially filled with an incompressible fluid that is different from the fluid medium. In particular, the interior can be any space in which there is at least one pressure of the fluid medium that is detected by the device.

Unter einem „Drucksensorelement“ kann im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere ein Element verstanden werden, welches zur Erfassung eines Druckes eingerichtet ist, beispielsweise eines Absolut- und/oder eines Differenzdrucks. Beispielsweise kann das Drucksensorelement mindestens einen Sensorchip umfassen, insbesondere um einen Siliziumchip, mittels dessen ein Druck erfassbar ist. Insbesondere kann es sich bei dem Drucksensorelement um einen mikromechanischen Membransensor handeln, welcher eine dünne Membran aufweist, beispielsweise eine Membran mit einer Dicke von 10 µm bis 500 µm, welche einseitig dem Druck eines Fluids, beispielsweise dem Druck des fluiden Mediums, ausgesetzt ist und sich unter diesem Einfluss durchbiegt und/oder verformt. Die Dicke der Membran ist dabei lediglich exemplarisch angegeben und kann beispielsweise von dem zu messenden Druck abhängen und kann an die technologischen Möglichkeiten angepasst werden. Auch andere Drucksensorelemente können alternativ oder zusätzlich eingesetzt werden. Bevorzugt ist das Drucksensorelement ein Mikrosystem.In the sense of the present invention, a “pressure sensor element” can be understood to mean in particular an element which is designed to detect a pressure, for example an absolute and/or a differential pressure. For example, the pressure sensor element can comprise at least one sensor chip, in particular a silicon chip, by means of which a pressure can be detected. In particular, the pressure sensor element can be a micromechanical membrane sensor which has a thin membrane, for example a membrane with a thickness of 10 µm to 500 µm, which is exposed on one side to the pressure of a fluid, for example the pressure of the fluid medium, and which bends and/or deforms under this influence. The thickness of the membrane is only given as an example and can depend, for example, on the pressure to be measured and can be adapted to the technological possibilities. Other pressure sensor elements can also be used alternatively or can be used additionally. Preferably, the pressure sensor element is a microsystem.

Unter einem „Mikrosystem“ kann im Sinne der vorliegenden Erfindung ein miniaturisiertes Gerät, eine Baugruppe oder ein Bauteil verstanden werden, dessen Komponenten kleinste Abmessungen im Bereich von 1 Mikrometer haben und als System zusammenwirken. Üblicherweise besteht ein solches Mikrosystem aus einem oder mehreren Sensoren, Aktoren und einer Steuerungselektronik auf einem Substrat bzw. Chip. Dabei bewegt sich die Größe der einzelnen Komponenten im Bereich von wenigen Mikrometern. Bei dem Mikrosystem kann es sich insbesondere um ein mikroelektromechanisches System (MEMS - microelectromechanical system) handeln.In the context of the present invention, a "microsystem" can be understood as a miniaturized device, assembly or component whose components have the smallest dimensions in the range of 1 micrometer and work together as a system. Such a microsystem usually consists of one or more sensors, actuators and control electronics on a substrate or chip. The size of the individual components is in the range of a few micrometers. The microsystem can in particular be a microelectromechanical system (MEMS).

Unter einem „inkompressiblen Fluid“ kann im Sinne der vorliegenden Erfindung eine beliebige, inkompressible Flüssigkeit und/oder ein Gel verstanden werden, welche eingerichtet sind, um ein Drucksensorelement vor äußeren Einflüssen zu schützen. Insbesondere kann das Schutzfluid zum Schutz des Drucksensorelements vor korrodierenden Einflüssen und Ablagerungen eingerichtet sein. Beispielsweise kann es sich bei dem Schutzfluid um ein Gel oder ein zähes Fluid handeln, insbesondere um ein Öl. Weiterhin kann das Schutzfluid auch eingerichtet sein, um einen Druck auf das Drucksensorelement zu übertragen, so dass das Fluid auch als Drucküberträger dienen kann. Zu diesem Zweck kann das Fluid, wie oben ausgeführt, insbesondere im Wesentlichen inkompressibel sein.In the context of the present invention, an “incompressible fluid” can be understood to mean any incompressible liquid and/or gel that is designed to protect a pressure sensor element from external influences. In particular, the protective fluid can be designed to protect the pressure sensor element from corrosive influences and deposits. For example, the protective fluid can be a gel or a viscous fluid, in particular an oil. Furthermore, the protective fluid can also be designed to transfer pressure to the pressure sensor element, so that the fluid can also serve as a pressure transmitter. For this purpose, the fluid can, as explained above, in particular be essentially incompressible.

Unter einem „Trägerelement“ kann im Sinne der vorliegenden Erfindung ein beliebiges Bauteil verstanden werden, das zum Abschluss oder Verschluss der Fluidkammer mit dem inkompressiblen Schutzfluid dient. Das Trägerelement ist dabei insbesondere zum Tragen eines Schaltungsträgers und des Drucksensorelements ausgebildet. Der Schaltungsträger befindet sich dabei oberhalb oder außerhalb des inkompressiblen Schutzfluids. Beispielsweise ist der Schaltungsträger auf der der Fluidkammer abgewandten Seite des Trägerelements angeordnet. Die Kontaktierung mit dem Drucksensorelement erfolgt dann über einen oder mehrere Kontaktstifte.In the context of the present invention, a "carrier element" can be understood as any component that serves to close or seal the fluid chamber with the incompressible protective fluid. The carrier element is designed in particular to carry a circuit carrier and the pressure sensor element. The circuit carrier is located above or outside the incompressible protective fluid. For example, the circuit carrier is arranged on the side of the carrier element facing away from the fluid chamber. Contact with the pressure sensor element is then made via one or more contact pins.

Unter einem „Schaltungsträger“ kann im Sinne der vorliegenden Erfindung ein beliebiges Bauteil verstanden werden, das nach speziellen Verfahren aufgebrachte metallische Leiterbahnen für elektronische bzw. mechatronische Baugruppen trägt. Der Schaltungsträger ist bevorzugt aus einem schweißbaren Material, wie beispielsweise Metall, hergestellt. Vorzugsweise ist der Schaltungsträger ein flaches Bauteil und beispielsweise als eine Leiterplatte ausgebildet oder weist eine Leiterplatte auf. Auf einem solchen Schaltungsträger ist das Drucksensorelement angeordnet und insbesondere befestigt. Die Befestigung kann insbesondere mittels eines Klebstoffs realisiert sein, wie beispielsweise eines Silikonklebstoffs.In the context of the present invention, a "circuit carrier" can be understood as any component that carries metallic conductor tracks for electronic or mechatronic assemblies applied using special methods. The circuit carrier is preferably made of a weldable material, such as metal. The circuit carrier is preferably a flat component and is designed, for example, as a circuit board or has a circuit board. The pressure sensor element is arranged and in particular fastened on such a circuit carrier. The fastening can in particular be realized by means of an adhesive, such as a silicone adhesive.

Unter einem „Druckanschluss“ kann im Sinne der vorliegenden Erfindung ein beliebiges Bauteil verstanden werden, das zum Anschließen des Drucksensors an einem anderen Gegenstand eingerichtet ist, in dem sich das fluide Medium befindet, dessen Druck zu erfassen ist. Bei dem Druckanschluss kann es sich insbesondere um einen Druckstutzen handeln. Ein Stutzen ist dabei ein kurzes rohrförmiges Bauteil.In the context of the present invention, a "pressure connection" can be understood as any component that is designed to connect the pressure sensor to another object in which the fluid medium whose pressure is to be detected is located. The pressure connection can in particular be a pressure nozzle. A nozzle is a short tubular component.

Unter einem „Dichtkonus“ kann im Sinne der vorliegenden Erfindung eine konusförmige bzw. kegelförmige Fläche eines Bauteils verstanden werden, die zum Abdichten mit einer anderen konusförmigen Fläche zusammenwirkt.In the context of the present invention, a “sealing cone” can be understood as a conical or tapered surface of a component which cooperates with another conical surface for sealing purposes.

Unter „Kovar“ kann im Sinne der vorliegenden Erfindung Legierungen der Firma CRS Holdings inc. verstanden werden, die einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, typischerweise etwa 5 ppm/K, der damit geringer als der Koeffizient typischer Metalle ist. Eine typische Zusammensetzung ist 54 % Eisen, 29 % Nickel und 17 % Cobalt (Angaben in Massenprozent). Einige technische Keramiken (z. B. Aluminiumoxid Al₂O₃, Aluminiumnitrid AIN) und Halbleitermaterialien haben Wärmeausdehnungskoeffizienten in gleicher Größenordnung. Im Bereich der Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik wird deshalb Kovar als Gehäusewerkstoff oder als Submount eingesetzt. Submounts liegen zwischen dem eigentlichen Trägermaterial und Material mit meistens deutlich größerem Ausdehnungskoeffizienten (Sandwichprinzip). Das Kovar-Submount dient also als ausgleichendes Element, welches die durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der anderen Materialien verursachten thermomechanischen Spannungen aufnimmt bzw. verringert. Grundsätzlich eignet sich jede Stahl mit sehr geringer Wärmeausdehnung bevorzugt max. 5 ppm. Der Vorteil des Konzeptes besteht u.a. aber auch darin, dass kein Kovar eingesetzt werden muss. Das ausgleichende Element ist die Kombination Klebstoff und Silizium unterhalb der SensormembranIn the context of the present invention, “Kovar” refers to alloys from CRS Holdings Inc. that have a low coefficient of thermal expansion, typically around 5 ppm/K, which is lower than the coefficient of typical metals. A typical composition is 54% iron, 29% nickel and 17% cobalt (data in percent by mass). Some technical ceramics (e.g. aluminum oxide Al ₂ O ₃ , aluminum nitride AIN) and semiconductor materials have thermal expansion coefficients of the same magnitude. In the field of microelectronics and microsystem technology, Kovar is therefore used as a housing material or as a submount. Submounts are located between the actual carrier material and material with a usually significantly larger coefficient of expansion (sandwich principle). The Kovar submount therefore serves as a compensating element that absorbs or reduces the thermomechanical stresses caused by the different thermal expansion coefficients of the other materials. Basically, any steel with very low thermal expansion is suitable, preferably max. 5 ppm. The advantage of the concept is that no Kovar has to be used. The compensating element is the combination of adhesive and silicon below the sensor membrane.

Kurze Beschreibung der FigurenShort description of the characters

Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.Further optional details and features of the invention emerge from the following description of preferred embodiments, which are shown schematically in the figures.

Es zeigen:

1 eine Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Drucksensors zur Bestimmung eines Drucks eines fluiden Mediums; und
2A und 2B eine Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Drucksensors zur Bestimmung eines Drucks eines fluiden Mediums.

Show it:

1 a sectional view of a first embodiment of a pressure sensor according to the invention for determining a pressure of a fluid medium; and
2A and 2 B a sectional view of a second embodiment of a pressure sensor according to the invention for determining a pressure of a fluid medium.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Drucksensors 10 zur Bestimmung eines Drucks eines fluiden Mediums. Der Drucksensor 10 weist ein Drucksensormodul 12 auf. Das Drucksensormodul 12 weist ein Trägerelement 14 und ein Drucksensorelement 16 auf. Bei dem Trägerelement 14 handelt es sich um einen Träger aus einem schweißbaren Material. Beispielsweise ist das Trägerelement 14 aus Metall oder Stahl hergestellt. Das Drucksensorelement 16 ist ein Mikrosystem, wie beispielsweise ein MEMS. Das Drucksensorelement 16 ist auf dem Trägerelement 14 angeordnet. So ist das Drucksensorelement 16 mit dem Trägerelement 14 stoffschlüssig verbunden. Beispielseise ist das Drucksensorelement 16 auf das Trägerelement 14 mittels eines Klebstoffs 18 geklebt, wie beispielsweise mittels eines Silikonklebstoffs. 1 shows a first embodiment of a pressure sensor 10 for determining a pressure of a fluid medium. The pressure sensor 10 has a pressure sensor module 12. The pressure sensor module 12 has a carrier element 14 and a pressure sensor element 16. The carrier element 14 is a carrier made of a weldable material. For example, the carrier element 14 is made of metal or steel. The pressure sensor element 16 is a microsystem, such as a MEMS. The pressure sensor element 16 is arranged on the carrier element 14. The pressure sensor element 16 is thus integrally connected to the carrier element 14. For example, the pressure sensor element 16 is glued to the carrier element 14 by means of an adhesive 18, such as a silicone adhesive.

Das Trägerelement 14 weist eine Öffnung 20 auf. Die Öffnung 20 ist mittels eines Verschlusskörpers 22 verschlossen. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Verschlusskörper 22 eine Kugel. Die Kugel bzw. der Verschlusskörper 22 ist in die Öffnung 20 eingepresst. Alternativ kann der Verschlusskörper 22 eine Vergussmasse sein.The carrier element 14 has an opening 20. The opening 20 is closed by means of a closure body 22. In the embodiment shown, the closure body 22 is a ball. The ball or the closure body 22 is pressed into the opening 20. Alternatively, the closure body 22 can be a casting compound.

Das Drucksensormodul 12 weist weiterhin mindestens einen Kontaktstift 24 auf. Der Kontaktstift 24 durchdringt das Trägerelement 14 in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zu einer Vorderseite 26 oder Rückseite 28 des Trägerelements 14. Der Kontaktstift 24 ist dabei teilweise in einem Glaskörper 30 angeordnet. Der Glaskörper 30 ist in einer Glaskörperöffnung 32 des Trägerelements 14 angeordnet. Insbesondere ist der Glaskörper 30 fluiddicht in der Glaskörperöffnung 32 aufgenommen. Über eine Bondverbindung 34 ist das Drucksensorelement 16 mit dem Kontaktstift 24 elektrisch kontaktiert. Der Kontaktstift 24 ist wiederum mit einem auf der Rückseite 28 des Trägerelements 14 angeordneten Schaltungsträger (nicht näher gezeigt) elektrisch kontaktiert.The pressure sensor module 12 further comprises at least one contact pin 24. The contact pin 24 penetrates the carrier element 14 in a direction substantially perpendicular to a front side 26 or rear side 28 of the carrier element 14. The contact pin 24 is partially arranged in a glass body 30. The glass body 30 is arranged in a glass body opening 32 of the carrier element 14. In particular, the glass body 30 is accommodated in the glass body opening 32 in a fluid-tight manner. The pressure sensor element 16 is electrically contacted with the contact pin 24 via a bond connection 34. The contact pin 24 is in turn electrically contacted with a circuit carrier (not shown in detail) arranged on the rear side 28 of the carrier element 14.

Der Drucksensor 10 weist weiterhin einen Druckanschluss 35 auf. Der Druckanschluss 35 definiert eine Längsachse 36. So kann der Druckanschluss rotationssymmetrisch bezüglich der Längsachse 36 ausgebildet sein. Bei der gezeigten Ausführungsform ist der Druckanschluss 35 als Druckstutzen ausgebildet. Der Druckanschluss 35 weist eine Fluidkammer 38 auf. Die Fluidkammer 38 umfasst einen Fluidkanal 40, der sich parallel zu der Längsachse 36 erstreckt, und einen Aufnahmeabschnitt 42, der deutlich breiter als der Fluidkanal 40 ist. Der Aufnahmeabschnitt 42 dient zum Aufnehmen des Drucksensorelements 16, wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird. Der Druckanschluss 35 weist in der Richtung der Längsachse 36 gesehen ein medienseitiges Ende 44 und ein gegenüberliegendes anschlussseitiges Ende 46 auf. Das medienseitige Ende 44 ist eingerichtet einem fluiden Medium, dessen Druck zu bestimmen ist, ausgesetzt zu werden. Das anschlussseitige Ende 46 ist einem nicht näher gezeigten Sensorgehäuse zugewandt, das wiederum die elektrischen Anschlüsse aufweist.The pressure sensor 10 further comprises a pressure connection 35. The pressure connection 35 defines a longitudinal axis 36. The pressure connection can thus be designed to be rotationally symmetrical with respect to the longitudinal axis 36. In the embodiment shown, the pressure connection 35 is designed as a pressure nozzle. The pressure connection 35 comprises a fluid chamber 38. The fluid chamber 38 comprises a fluid channel 40 which extends parallel to the longitudinal axis 36 and a receiving section 42 which is significantly wider than the fluid channel 40. The receiving section 42 serves to receive the pressure sensor element 16, as will be described in more detail below. The pressure connection 35 has a media-side end 44 and an opposite connection-side end 46 as seen in the direction of the longitudinal axis 36. The media-side end 44 is designed to be exposed to a fluid medium whose pressure is to be determined. The connection-side end 46 faces a sensor housing (not shown in detail), which in turn has the electrical connections.

An dem anschlussseitigen Ende 46 ist das Drucksensormodul 12 angeordnet. Das Drucksensormodul 12 ist mit dem Druckanschluss 35 verschweißt. Insbesondere ist das Trägerelement 14 an einem seitlich äußeren Ende 48 mit dem Druckanschluss 35 verschweißt.The pressure sensor module 12 is arranged at the connection-side end 46. The pressure sensor module 12 is welded to the pressure connection 35. In particular, the carrier element 14 is welded to the pressure connection 35 at a laterally outer end 48.

Der Drucksensor 10 weist weiterhin eine Membran 50 auf. Die Membran 50 ist mit dem Druckanschluss 35 an dem medienseitigen Ende 44 verbunden. Die Membran 50 ist aus einem medienresistenten Material hegestellt, wie beispielweise Stahl. Die Membran 50 ist an dem medienseitigen Ende 44 des Druckanschlusses 35 befestigt, wie beispielsweise verschweißt oder verlötet.The pressure sensor 10 further comprises a membrane 50. The membrane 50 is connected to the pressure connection 35 at the media-side end 44. The membrane 50 is made of a media-resistant material, such as steel. The membrane 50 is attached to the media-side end 44 of the pressure connection 35, such as welded or soldered.

Die Fluidkammer 38 wird somit durch das Trägerelement 14, den Druckanschluss 35 und die Membran 50 begrenzt. Die Fluidkammer 38 ist mit einem inkompressiblen Fluid 52 gefüllt. Bei dem inkompressiblen Fluid 52 kann es sich um ein Öl handeln. Das Drucksensormodul 12 ist so mit dem Druckanschluss 35 verschweißt, dass das Drucksensorelement 16 in der Fluidkammer 38 angeordnet bzw. in dieser aufgenommen ist. Dabei erstreckt sich der Kontaktstift 24 im Wesentlichen parallel zu der Längsachse 36 des Druckanschlusses 35.The fluid chamber 38 is thus delimited by the carrier element 14, the pressure connection 35 and the membrane 50. The fluid chamber 38 is filled with an incompressible fluid 52. The incompressible fluid 52 can be an oil. The pressure sensor module 12 is welded to the pressure connection 35 in such a way that the pressure sensor element 16 is arranged in the fluid chamber 38 or is accommodated in it. The contact pin 24 extends essentially parallel to the longitudinal axis 36 of the pressure connection 35.

Der Druckanschluss 35 kann in eine Aufnahmebohrung gesteckt und mit einem Befestigungsflansch befestigt werden. Alternativ kann der Druckanschluss 35 ein Außengewinde zum Einschrauben in die Aufnahmebohrung aufweisen. Weiterhin weist der Druckanschluss 35 eine Dichtung 54 zum fluiddichten Abdichten gegen eine Dichtfläche der Aufnahmebohrung auf. Die Dichtung 54 kann beispielsweise ein in einer Nut um den Druckanschluss 35 angeordneter O-Ring sein.The pressure connection 35 can be inserted into a receiving bore and secured with a fastening flange. Alternatively, the pressure connection 35 can have an external thread for screwing into the receiving bore. The pressure connection 35 also has a seal 54 for fluid-tight sealing against a sealing surface of the receiving bore. The seal 54 can, for example, be an O-ring arranged in a groove around the pressure connection 35.

Bei dem Drucksensor 10 des vorliegenden Ausführungsbeispiels erfolgt die Befüllung der Fluidkammer 38 mit dem inkompressiblen Fluid 52 derart, dass zunächst die Membran 50 und das Drucksensormodul 12 mit dem Druckanschluss 35 verbunden und genauer verschweißt werden, wobei die Öffnung 20 in dem Trägerelement 14 noch geöffnet ist. Dann wird die Fluidkammer 38 evakuiert, um das Vorhandensein von Luft in der Fluidkammer 38 zu verhindern, und anschließend das Fluid 52 durch die Öffnung 20 in dem Trägerelement 14 axial bezüglich der Längsachse 36 des Druckanschlusses 35 eingefüllt. Abschließend wird die Öffnung 20 durch den Verschlusskörper 22 verschlossen.In the pressure sensor 10 of the present embodiment, the filling of the fluid chamber 38 with the incompressible fluid 52 takes place in such a way that first the membrane 50 and the pressure sensor sensor module 12 can be connected and more precisely welded to the pressure port 35, with the opening 20 in the carrier element 14 still open. Then the fluid chamber 38 is evacuated to prevent the presence of air in the fluid chamber 38 and then the fluid 52 is filled through the opening 20 in the carrier element 14 axially with respect to the longitudinal axis 36 of the pressure port 35. Finally, the opening 20 is closed by the closure body 22.

Bei herkömmlich bekannten Drucksensoren erfolgt die Befüllung der Fluidkammer 38 mit einem inkompressiblen Fluid 52, wie beispielweise Öl, über eine radial eingebrachte Öffnung 20 im Druckanschluss 35. Eine axiale Befüllung, wie bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel über das Drucksensormodul 12 bzw. das Trägerelement 14, reduziert die Komplexität des Druckanschlusses 35. So kann ein Bohr- und Frässchritt für die radiale Öffnung 20 entfallen und die Variabilität bei der Einbausituation und des Stutzendesigns erhöht werden. So ist keine Limitierung der Position der Dichtung 54 in einer Längsrichtung 56 parallel zur Längsachse 36 am Druckanschluss 35 gegeben. Dahingegen muss bei herkömmlichen Drucksensoren der O-Ring unterhalb des Befüllkanals positioniert werden. Dieser Aufbau, mit geklebten Sensorelementen (MEMS), ermöglicht außerdem eine größere Variabilität bzgl. des eingesetzten metallischen Trägermaterials. Kovar ist nicht zwingend notwendig.In conventional pressure sensors, the fluid chamber 38 is filled with an incompressible fluid 52, such as oil, via a radially introduced opening 20 in the pressure connection 35. An axial filling, as in the embodiment shown here via the pressure sensor module 12 or the carrier element 14, reduces the complexity of the pressure connection 35. This means that a drilling and milling step for the radial opening 20 can be omitted and the variability in the installation situation and the nozzle design can be increased. This means that there is no limitation on the position of the seal 54 in a longitudinal direction 56 parallel to the longitudinal axis 36 on the pressure connection 35. In contrast, with conventional pressure sensors the O-ring must be positioned below the filling channel. This structure, with bonded sensor elements (MEMS), also enables greater variability with regard to the metallic carrier material used. Kovar is not absolutely necessary.

2A und 2B zeigen eine Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Drucksensors 10 zur Bestimmung eines Drucks eines fluiden Mediums. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben und gleiche oder vergleichbare Bauteile und Merkmale sind mit gleiche Bezugszeichen versehen. 2A and 2 B show a sectional view of a second embodiment of a pressure sensor 10 according to the invention for determining a pressure of a fluid medium. Only the differences from the first embodiment are described below and identical or comparable components and features are provided with the same reference numerals.

Bei dem Drucksensor 10 des zweiten Ausführungsbeispiels ist das Drucksensormodul 12 mit dem Druckanschluss 35 formschlüssig verbunden. Insbesondere ist das Drucksensormodul 12 mit dem Druckanschluss 35 verschraubt, wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird. 2A zeigt dabei den Drucksensor 10 vor der Verschraubung und 2B zeigt den Drucksensor 10 nach der Verschraubung.In the pressure sensor 10 of the second embodiment, the pressure sensor module 12 is positively connected to the pressure connection 35. In particular, the pressure sensor module 12 is screwed to the pressure connection 35, as will be described in more detail below. 2A shows the pressure sensor 10 before screwing and 2 B shows the pressure sensor 10 after screwing.

Das Trägerelement 14 weist ein Außengewinde 58 auf. Das Außengewinde 58 ist an einem seitlich äußeren Ende 48 des Trägerelements 14 angeordnet. Der Druckanschluss 35 weist ein Innengewinde 60 auf. Das Innengewinde 60 befindet sich in der Nähe des anschlussseitigen Endes 44 des Druckanschlusses 35. Das Außengewinde 58 greift in das Innengewinde 60 ein. Das Trägerelement 14 weist weiterhin einen ersten Dichtkonus 62 auf. Der Druckanschluss 35 weist einen zweiten Dichtkonus 64 auf. Der erste Dichtkonus 62 berührt den zweiten Dichtkonus 64. Insbesondere ist der erste Dichtkonus 62 auf den zweiten Dichtkonus 64 gepresst. Der erste Dichtkonus 62 ist näher zu einer der Fluidkammer 38 zugewandten Vorderseite 26 des Trägerelements 14 als das Außengewinde 58 angeordnet.The carrier element 14 has an external thread 58. The external thread 58 is arranged on a laterally outer end 48 of the carrier element 14. The pressure connection 35 has an internal thread 60. The internal thread 60 is located near the connection-side end 44 of the pressure connection 35. The external thread 58 engages in the internal thread 60. The carrier element 14 also has a first sealing cone 62. The pressure connection 35 has a second sealing cone 64. The first sealing cone 62 touches the second sealing cone 64. In particular, the first sealing cone 62 is pressed onto the second sealing cone 64. The first sealing cone 62 is arranged closer to a front side 26 of the carrier element 14 facing the fluid chamber 38 than the external thread 58.

Zum Befüllen der Fluidkammer 38 mit dem inkompressiblen Fluid 52 wird das Unterteil des Drucksensors 10, d.h. der Druckanschluss 35 mit der bereits befestigten Membran 50, in einer Vakuumkammer platziert und diese wird evakuiert, um die Luft zu entfernen. Luftfreies Fluid, wie beispielsweise Öl, wird dann in das Unterteil gefüllt. Das Oberteil, d.h. das Drucksensormodul 12 mit dem Trägerelement 14 und dem darauf bereits montierten Drucksensorelement 16, wird auf dem mit dem Fluid 52 befülltem Unterteil dicht verschraubt. Das überflüssige Fluid 52 wird bei der Verschraubung herausgedrückt. Entscheidend ist hierbei, dass sich beim Verschrauben, das Drucksensorelement 16 unterhalb des Fluidspiegels in der Fluidkammer 38 befindet, damit beim Verschrauben das überflüssige Fluid 52 herausgedrückt werden kann und das ganze Volumen der Fluidkammer 38 mit dem Fluid 52 befüllt werden kann.To fill the fluid chamber 38 with the incompressible fluid 52, the lower part of the pressure sensor 10, i.e. the pressure connection 35 with the already attached membrane 50, is placed in a vacuum chamber and this is evacuated to remove the air. Air-free fluid, such as oil, is then filled into the lower part. The upper part, i.e. the pressure sensor module 12 with the carrier element 14 and the pressure sensor element 16 already mounted on it, is screwed tightly onto the lower part filled with the fluid 52. The excess fluid 52 is pressed out when screwing. It is crucial here that the pressure sensor element 16 is below the fluid level in the fluid chamber 38 when screwing, so that the excess fluid 52 can be pressed out when screwing and the entire volume of the fluid chamber 38 can be filled with the fluid 52.

Hierzu sind zwei Varianten denkbar. So kann die Verschraubung des Oberteils unter Vakuum erfolgen. Dies macht die Montage schwierig, aber es stellt sicher, dass keine Luft eingeschlossen bleibt. Alternativ kann die Verschraubung des Oberteils unter Atmosphärendruck erfolgen. Dies vereinfacht die Montage. So kann das Oberteil unter Vakuum auf das mit dem Fluid 52 befüllten Unterteil gelegt werden. Dann wird der Drucksensor 10 aus der Kammer herausgeholt und unter Atmosphärendruck wird das Drucksensormodul 12 mit dem Druckanschluss 35 dicht verschraubt.Two variants are conceivable for this. The upper part can be screwed together under vacuum. This makes assembly difficult, but it ensures that no air remains trapped. Alternatively, the upper part can be screwed together under atmospheric pressure. This simplifies assembly. The upper part can be placed under vacuum on the lower part filled with the fluid 52. The pressure sensor 10 is then removed from the chamber and the pressure sensor module 12 is screwed tightly to the pressure connection 35 under atmospheric pressure.

Die zu verwendende Fluidmenge sollte in jedem Fall so definiert sein, dass die Fluidreste nach dem Verschluss minimal bleiben. Die Dichtfläche, d.h. der Dichtkonus am Trägerelement 14 und/oder Druckanschluss 35, kann ggf. mit Rillen versehen werden, um eine luftfreie Befüllung zu gewährleisten.The amount of fluid to be used should always be defined so that the fluid residues after closure remain minimal. The sealing surface, i.e. the sealing cone on the carrier element 14 and/or pressure connection 35, can be provided with grooves if necessary to ensure air-free filling.

Der Drucksensor 10 des zweiten Ausführungsbeispiels erlaubt einen fluid- bzw. öldichten Verschluss durch den Dichtkonus. Die Auslegung einer solchen Dichtstelle ist unproblematisch bzw. einfach zu realisieren. Bei dem Drucksensor 10 des zweiten Ausführungsbeispiels ist kein Verschlusskörper 22 erforderlich. Dadurch ist keine aufwändige Einpressung einer Kugel mit Kraft- und Wegüberwachung erforderlich. Außerdem kann das Unterteil deutlich niedriger bzw. kürzer in der Richtung der Längsachse 36 werden, was eine Miniaturisierung erlaubt.The pressure sensor 10 of the second embodiment allows a fluid-tight or oil-tight seal through the sealing cone. The design of such a sealing point is unproblematic and easy to implement. The pressure sensor 10 of the second embodiment does not require a sealing body 22. This means that no complex pressing in of a ball with force and displacement monitoring is required. In addition, the lower part can be made significantly lower or shorter in the direction of the Longitudinal axis 36, which allows miniaturization.

Es können in der Vakuumkammer mehrere Drucksensoren gleichzeitig evakuiert und befüllt werden. Durch ein oder mehrere Befüllköpfe können die Teile sukzessive befüllt werden. Die Verschraubung kann mit Drehmomentüberwachung erfolgen, was Beschädigungen verhindert. Die Befüllung ist im Vergleich zu herkömmlichen Drucksensoren mit radialem Befüllkanal im Druckanschluss 35 deutlich vereinfacht.Several pressure sensors can be evacuated and filled simultaneously in the vacuum chamber. The parts can be filled successively using one or more filling heads. The screw connection can be carried out with torque monitoring, which prevents damage. Filling is significantly easier compared to conventional pressure sensors with a radial filling channel in the pressure connection 35.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102017213129 A1 [0002]
EP 2831555 B1 [0002]
WO 02/066948 A1 [0002]
US 5222397 A [0002]

Claims

Pressure sensor (10) for detecting a pressure of a fluid medium, comprising a pressure sensor module (12) with a carrier element (14) and a pressure sensor element (16), wherein the pressure sensor element (16) is arranged on the carrier element (14), a pressure connection (35), wherein the pressure connection (35) defines a longitudinal axis (36), wherein the pressure connection (35) has a fluid chamber (38), a membrane (50), wherein the membrane (50) is connected to the pressure connection (35) at a media-side end (44), and wherein the fluid chamber (38) is delimited by the carrier element (14), the pressure connection (35) and the membrane (50), wherein the fluid chamber (38) is filled with an incompressible fluid (52), wherein the pressure sensor element (16) is arranged in the fluid chamber (38), characterized in that the pressure sensor module (12) is positively connected to the pressure connection (35), or that Pressure sensor module (12) is welded to the pressure connection (35), wherein the carrier element (14) has an opening (20), wherein the opening (20) is closed by means of a closure body (22).

Pressure sensor (10) according to the preceding claim, wherein the pressure sensor element (16) is integrally connected, in particular glued, to the carrier element (14).

Pressure sensor (10) according to one of the preceding claims, wherein the carrier element (14) is welded to the pressure connection (35) at a laterally outer end.

Pressure sensor (10) according to one of the preceding claims, wherein the closure body (22) is a ball or a potting compound.

Pressure sensor (10) according to one of the preceding claims, wherein the carrier element (14) is screwed to the pressure connection (35).

Pressure sensor (10) according to one of the preceding claims, wherein the carrier element (14) has an external thread (58), wherein the pressure connection (35) has an internal thread (60), wherein the external thread (58) engages in the internal thread (60).

Pressure sensor (10) according to the preceding claim, wherein the external thread (58) is arranged at a laterally outer end of the carrier element (14).

Pressure sensor (10) according to one of the two preceding claims, wherein the carrier element (14) has a first sealing cone (62), wherein the pressure connection (35) has a second sealing cone (64), wherein the first sealing cone (62) touches the second sealing cone (64), in particular is pressed onto the second sealing cone (64).

Pressure sensor (10) according to the preceding claim, wherein the first sealing cone (62) is arranged closer to a side of the carrier element (14) facing the fluid chamber (38) than the external thread (58).

Pressure sensor (10) according to one of the preceding claims, wherein the pressure sensor module (12) further comprises a contact pin (24), wherein the contact pin (24) penetrates the carrier element (14) in a direction substantially parallel to the longitudinal axis (36) of the pressure connection (35).

Pressure sensor (10) according to the preceding claim, wherein the contact pin (24) is partially arranged in a glass body (30), wherein the glass body (30) is arranged in a glass body opening (32) of the carrier element (14).

Pressure sensor (10) according to one of the preceding claims, wherein the incompressible medium (52) is an oil.