DE29619276U1 - Drucksensor - Google Patents

Drucksensor

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DE29619276U1
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Description

OTTE & J AKELSKI PATENTANWÄLTE
PETER OTTE, Dipl.-ing, matoe en sciences appliquees DR. JOACHIM JAKELSK!, dipl.-phys.
2989G-IP/j/mü
05.11.1996
HERION-WERKE KG, Stuttgarter Str. 120, 70736 Fellbach Drucksensor Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen Drucksensor, umfassend einen Grundkörper, eine auf dem Grundkörper angeordnete deformierbare, mit einem Druck beaufschlagbare Membran und wenigstens ein auf der Membran angeordnetes Sensormittel zur Erfassung der Deformation der Membran.
Derartige Drucksensoren werden auf den unterschiedlichsten technischen Gebieten eingesetzt.
Ein Einsatzgebiet ist beispielsweise die Automobilindustrie, wo die Sensoren zur Motorsteuerung aber auch beispielsweise in Sitzen u.dgl. Anwendung finden.
Ein anderes Einsatzgebiet sind Regelungen von mit einem Fluid beaufschlagbaren Ventilen.
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Bei bekannten Sensoren wird eine Membran auf einem Grundkörper befestigt. Auf der Membran ist ein Sensormittel zur Erfassung der Deformation der Membran angeordnet, beispielsweise ein oder mehrere Widerstand/Widerstände, ein Dehnmeßstreifen o.dgl..
Die Membran ist auf dem Grundkörper beispielsweise über eine Schweißverbindung, eine Lötverbindung oder eine Klebeverbindung befestigt.
Häufig ist der Grundkörper des Sensors auf einer Trägerplatte angeordnet, die eine Auswerteschaltung trägt, welche die elektrische Ausgangsgröße des Sensormittels auswertet, so daß am Ausgang der Schaltung ein einem Druck proportionales Signal ausgelesen werden kann. Möglich ist es aber auch, daß der Grundkörper separat von der Trägerplatte angeordnet ist. Im ersten Falle kann das Sensormittel auf der Membran durch Bonddrähte mit entsprechenden Leiterbahnen der Schaltung verbunden sein, im zweiten Falle können auch andere externe Anschlußleitungen von dem Sensormittel zur Schaltung vorgesehen sein.
Die mechanische Verbindung zwischen der Membran und dem Grundkörper ist wegen einer aufwendigen Fertigungstechnologie kostenintensiv.
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Außerdem erfordert die Verbindung des Sensormittels mit der Auswerteschaltung durch Bonddrähte einen aufwendigen und daher auch kostspieligen Herstellungsprozeß.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Drucksensor der gattungsgemäßen Art derart zu verbessern, daß dieser durch einfache Herstellung kostengünstiger wird und eine mechanische Verbindung zwischen Grundkörper und Membran vermieden wird.
Diese Aufgabe wird bei einem Drucksensor der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Membran ein Teil des Grundkörpers selbst ist, der gleichzeitig den Träger des Sensormittels bildet.
Dadurch, daß die Membran ein Teil des Grundkörpers ist, der gleichzeitig im Bereich der Membran den Träger des Sensormittels bildet, entfällt eine mechanische Verbindung, beispielsweise in Form einer Klebe- oder Schweißverbindung zwischen Membran und Grundkörper, vollständig und folglich auch das Verfahren zu ihrer Herstellung.
Rein prinzipiell ist es möglich, lediglich das Sensormittel und Verbxndungsleitungen von diesem Sensormittel zu Kontaktflächen, die beispielsweise im Randbereich des Grundkörpers angeordnet sind, auf dem Grundkörper z.B. aufzudampfen, aufzudrucken oder zu sputtern. Der Sensor kann in diesem Falle durch Verbindungsdrähte mit einer externen Auswerteschaltung elektrisch leitend verbunden werden.
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Besonders vorteilhaft ist es jedoch, daß der Grundkörper zusätzlich Träger einer die Ausgangssignale des Sensormittels auswertenden Auswerteschaltung ist. Hierdurch kann auf besonders vorteilhafte Weise nicht nur die Auswerteschaltung zusammen mit dem Sensormittel auf den Grundkörper aufgebracht werden, es entfallen auch jegliche zusätzliche, störanfällige elektrische Verbindungen, beispielsweise in Form von Bonddrähten, zwischen dem Sensormittel und der Auswerteschaltung. Vielmehr können neben dem Sensormittel und der Auswerteschaltung auch die Verbindungsleitungen zwischen beiden direkt auf den Grundkörper aufgebracht werden. Hierdurch wird insbesondere auch ein sehr kompakter Aufbau des gesamten Drucksensors ermöglicht und es vereinfacht sich auf besonders vorteilhafte Weise die Herstellung des Drucksensors, was eine schnelle Produktion und in Folge davon eine drastische Kostensenkung zur Folge hat.
Rein prinzipiell kann der Grundkörper und die Membran, die ein Teil des Grundkörpers ist, auf die unterschiedlichste Art und Weise ausgebildet sein.
Eine vorteilhafte Ausführungsform, die insbesondere auch auf technisch einfache Weise herstellbar ist, sieht vor, daß in dem Grundkörper eine sacklochartige Ausnehmung ausgebildet ist, deren stirnseitige Begrenzungsfläche eine vorgegebene Dicke aufweist.
Eine derartige Ausbildung des Grundkörpers und der Membran erlaubt insbesondere eine sehr leichte Aufbringung des Sensormittels im Bereich der Membran sowie der Auswerteschaltung auf dem Grundkörper durch bekannte Verfahren. Sowohl das Sensormittel als auch die Aus-
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werteschaltung sind bei einer solche Anordnung der sacklochartigen Ausnehmung, vorzugsweise auf der Oberseite des Grundkörpers, d.h. auf der der sacklochartigen Ausnehmung abgewandten Seite angeordnet.
Hinsichtlich der Ausbildung des Grundkörpers selbst sind die unterschiedlichsten Ausführungsformen denkbar.
So sieht eine vorteilhafte Ausführungsform vor, daß der Grundkörper ein Keramiksubstrat ist, das besonders kostengünstig ist.
Vorzugsweise besteht das Keramiksubstrat aus Aluminiumoxid (Al2O3) .
Darüber hinaus kann auch vorgesehen sein, daß der Grundkörper ein Metallkörper oder ein Kunststoffkörper
Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, daß der Grundkörper ein Verbund aus einer Mehrzahl von übereinander angeordneten und miteinander verbundenen Scheiben ist.
Die Scheiben selbst können aus den unterschiedlichsten Materialien bestehen, so sind beispielsweise Metallscheiben oder Kunststoffscheiben denkbar.
Vorzugsweise bestehen die Scheiben jedoch aus Keramikfolien, die durch einen Sinterprozeß miteinander verbunden sind (LTCC - Low Temperature Cofired Ceramic). Derartige Keramikfolien sind nicht nur äußerst kostengünstig, sondern auch auf einfache Weise durch den Sinterprozeß
Φ Φ ΦΦ · * ·* ΦΦ
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05.11.1996		 Φ Φ
ΦΦ		 Φ Φ ·
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Φ Φ Φ Φ · 		Φ Φ
&phgr; &phgr;
miteinander unter Ausbildung eines einstückigen Verbunds verbindbar.
Hierbei können die unterschiedlichsten Keramiken eingesetzt werden. Eine vorteilhafte, da besonders kostengünstige Keramik ist Aluminiumoxid (Al2O3) .
Was die Anordnung des Sensormittels auf der Membran sowie der Auswerteschaltung auf der Oberfläche des Grundkörpers betrifft, sind ebenfalls die unterschiedlichsten Ausführungsformen möglich. So kann beispielsweise sowohl das Sensormittel als auch die Auswerteschaltung auf der Oberfläche des Grundkörpers aufgedruckt und/oder aufgedampft und/oder gesputtert sein.
Dabei ist das Sensormittel vorteilhafterweise mit der Auswerteschaltung über durchgängige Leiterbahnen elektrisch verbunden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung einiger Ausführungsbeispiele.
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drucksensors;
Fig. 2 eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Drucksensors, dessen Grundkörper aus Keramik oder einem anderen Grundmaterial besteht;
Fig. 3 eine Schnittdarstellung einer anderen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Drucksen-
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sors, dessen Grundkörper aus miteinander verbundenen Scheiben besteht, und
Fig. 4 eine Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform eines Drucksensors, dessen Grundkörper aus miteinander verbundenen Scheiben besteht.
Ein Ausführungsbeispiel eines Drucksensors, dargestellt in den Fig. 1 bis Fig. 4, umfaßt einen als Ganzen mit 10 bezeichneten Grundkörper, auf dem eine Membran 20, ein auf der Membran 2 0 angeordnetes Sensormittel 30, eine Auswerteschaltung 40 zur Auswertung der von dem Sensormittel ausgegebenen Signale sowie Leiterbahnen 41, welche die Auswerteschaltung 40 und/oder das Sensormittel 3 0 mit im Randbereich des Grundkörpers 10 angeordneten Kontaktflächen 42 verbinden, angeordnet sind.
Es versteht sich, daß neben der Auswerteschaltung 40 auch beliebige andere Schaltungsteile einer oder mehrerer weiterer elektrischer Schaltungen vorgesehen sein können, die gegebenenfalls mit der Auswerteschaltung 4 0 zusammenwirken können.
Im Bereich der Membran 2 0 ist in dem Grundkörper 10 eine sacklochartige Ausnehmung 12 ausgebildet, deren stirnseitige Begrenzungsfläche 13 eine vorgegebene Dicke d, die wesentlich von der Eigenschaft der Membran bestimmt wird, aufweist.
Es ist darauf hinzuweisen, daß es nicht erforderlich ist, auf dem Grundkörper 10 Teile einer Auswerteschaltung 40 anzuordnen. Vielmehr ist es auch möglich, das Sensormittel 3 0 direkt über Leiterbahnen 41 mit Kontaktflächen 42 zu verbinden. Die elektrische Verbindung des Sensor-
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mittels mit einer separat angeordneten Auswerteschaltung wird in diesem Falle durch Verbindungsleitungen hergestellt, die auf den Kontaktflächen 42 angeordnet sind und zu der separat angeordneten Auswerteschaltung führen (nicht dargestellt).
Darüber hinaus können Teile der Auswerteschaltung 40 auch auf der Unterseite des Grundkörpers 10 angeordnet sein (vergl. Fig. 2, Fig. 3 und Fig. 4).
Die sacklochartige Ausnehmung 12 ist derart ausgebildet, daß die Membran 20 vorzugsweise eine runde Gestalt aufweist. Selbstverständlich kann die Membran 20 auch eine beliebige Gestalt, z.B. eine elliptische oder eine polygonale Gestalt aufweisen. Die Gestalt der Membran 2 0 wird vollständig durch die sacklochartige Ausnehmung 12 bestimmt. Das auf der Membran 20 angeordnete Sensormittel 3 0 kann beispielsweise durch einen oder mehrere piezoresistive Widerstände, beispielsweise als Wheatstone-Brücke geschaltet, einen Dehnmeßstreifen oder dgl. realisiert sein. Durch das Sensormittel 30 wird eine Deformation der Membran 20 in ein elektrisches Signal umgewandelt. Das elektrische Signal wird durch die Auswerteschaltung 40, die gegebenenfalls auf dem Grundkörper 10 angeordnet ist, ausgewertet.
Wie aus Fig. 1 hervorgeht, dient der Grundkörper 10 als Träger der Membran 20, die ein integraler Bestandteil des Grundkörpers 10 ist, und des auf ihr angeordneten Sensormittels 30, sowie - sofern die Auswerteschaltung 40 ebenfalls auf dem Grundkörper 10 angeordnet ist, wie in Fig. 1 bis Fig. 4 dargestellt - auch als Träger der Auswerteschaltung 40.
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Die elektrische Schaltung 40 wird auf an sich bekannte Weise, beispielsweise durch Aufdrucken, Auf dampf en &ogr; . dgl. auf den Grundkörper 10 aufgebracht. Entsprechend wird auch das Sensormittel 3 0 durch Aufdrucken, Aufdampfen, Sputtern o.dgl. aufgebracht.
Dabei können die Auswerteschaltung 40 wie auch das Sensormittel 30 auf beiden Seiten des Grundkörpers angeordnet sein. Möglich ist es dabei, auf beiden Seiten Teile derselben Auswerteschaltung 40 oder auch unterschiedliche Schaltungen vorzusehen, darüber hinaus können auch auf beiden Seiten der Membran 2 0 Sensormittel 3 0 vorgesehen sein.
Die Schaltung 40 und das Sensormittel 3 0 können hierbei in unterschiedlichen Schritten oder auch in einem einzigen Schritt auf den Grundkörper 10 aufgebracht werden. Hierbei werden insbesondere auch die elektrischen Verbindungsleitungen 41 zwischen der Auswerteschaltung 40 und dem Sensormittel 3 0 sowie den Kontaktflächen 42 durch den Herstellungsvorgang der Auswerteschaltung 40 und/oder des Sensormittels 3 0 erzeugt.
Auf diese Weise können zusätzliche Verbindungsdrähte zwischen dem Sensormittel 3 0 und den Kontaktflächen 42 bzw. der Auswerteschaltung 40, beispielsweise störanfällige Bonddrähte o.dgl., vollständig entfallen. Der gesamte Drucksensor kann vielmehr als äußerst flaches Gebilde hergestellt werden.
Besonders vorteilhaft bei einem derartigen Drucksensor ist es, daß die Membran integraler Teil des Grundkörpers 10 ist und so niemals die Gefahr besteht, daß sie sich von dem Grundkörper 10 lösen kann, die beispielsweise
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dann gegeben ist, wenn die Membran 20 auf dem Grundkörper 10 aufgeklebt, aufgeschweißt oder durch eine andere Verbindungstechnik mit dem Grundkörper 10 verbunden ist.
Der Grundkörper 10 kann einstückig ausgebildet sein. Er kann beispielswsexse dadurch hergestellt werden, daß ein Keramikmaterial in eine Form gepreßt wird und sodann bei einer verhältnismäßig hohen Temperatur gebrannt wird. Es versteht sich, daß die sacklochartige Ausnehmung durch diese einstückige Formgebung bereits in dem Grundkörper 10 ausgebildet werden kann.
Wie aus Fig. 3 hervorgeht, kann der Grundkörper auch mehrere Lagen von übereinander angeordneten Schichten, z.B. laminierten und gesinterten Keramikschichten umfassen.
Des weiteren können in dem Grundkörper 10 auch zwei sacklochartige Ausnehmungen 12, 14 ausgebildet sein, die sich einander unter Einschluß der Begrenzungsfläche 13 der Dicke d gegenüberliegen {Fig. 4). In diesem Fall ist die Membran 20, gewissermaßen im Inneren des Grundkörpers 10 angeordnet.
Wie in Fig. 2 dargestellt, können auf beiden Seiten des Grundkörpers 10 zur Abdichtung der Membran gegenüber der Umgebung Dichtungen, beispielsweise O-Ringdichtungen 50, vorgesehen sein. Hierdurch wird verhindert, daß das unter Druck stehende Fluid, welches auf beiden Seiten der Membran 20 vorhanden sein kann, in den Außenraum außerhalb der Membran 20, beispielsweise in den Bereich der Schaltung 4 0 gelangen kann.
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Der obenbeschriebene Drucksensor kann beispielsweise auf folgende Weise hergestellt werden: Zunächst wird in dem Grundkörper 10 wenigstens eine sacklochartige Ausnehmung 12 hergestellt derart, daß ihre stirnseitige Begrenzungsflache eine vorgegebene Dicke d aufweist. Daraufhin wird auf den Grundkörper gegebenenfalls die Auswerteschaltung 40 und im Bereich der Begrenzungsfläche 13 das Sensormittel 3 0 aufgebracht, beispielsweise durch Aufdampfen, Aufdrucken, Sputtern o.dgl.
Es versteht sich, daß hierbei auch die Verbindungsleitungen 41 zwischen dem Sensormittel 30 und der Auswerteschaltung 40 sowie die Kontaktflächen 42 erzeugt werden.
Die sacklochartige Ausnehmung 12 in dem Grundkörper 10 selbst kann beispielsweise dadurch hergestellt werden, daß man eine Mehrzahl von sehr dünnen Keramikfolien (vergl. Fig. 3, Fig. 4) mit einer Öffnung versieht. Dies kann beispielsweise durch Stanzen geschehen. Daraufhin wird die Mehrzahl der gestanzten Keramikfolien mit wenigstens einer weiteren, nicht gestanzten Keramikfolie unter Herstellung eines einstückigen Verbunds zu dem Grundkörper 10 verbunden. Die Anzahl der nicht gestanzten Keramikfolie hängt von der Dicke d der herzustellenden Membran 20 ab.
Die Ausbildung des einstückigen Verbunds kann beispielsweise durch Sintern der Keramikfolien hergestellt werden.
Die hierbei aufzuwendenden Temperaturen liegen in der Größenordnung von einigen hundert 0C. Aus diesem Grunde werden auf diese Weise hergestellte Keramiksubstrate auch als Low Temperature Cofired Ceramics, LTCC, bezeichnet.
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Darüber hinaus kann der Grundkorper 10 auch durch einstückige Formgebung dadurch hergestellt werden, daß beispielsweise ein Keramikmaterial in eine gewünschte Form gepreßt wird und sodann durch Brennen bei einer verhältnismäßig hohen Temperatur fertiggestellt wird.
Als Keramiksubstrat kommt vorzugsweise Aluminiumoxid (Al2O3) in Frage. Selbstverständlich kann auch jede andere Keramik verwendet werden.
Der Grundkorper kann darüber hinaus aber auch aus anderen Materialien, beispielsweise aus Metallen oder aus Kunststoff bestehen. Wenn der Grundkorper 10 aus einem Metall, beispielsweise Aluminium, besteht, wird auf dessen Oberfläche eine Isolationsschicht aufgebracht, auf die dann gegebenenfalls die Auswerteschaltung 40 sowie im Bereich der Membran 20 das Sensormittel 3 0 aufgedruckt und/oder aufgedampft und/oder gesputtert werden.
In diesem Falle kann der Grundkorper 10 sowohl aus einem Stück als auch aus mehreren übereinander angeordneten und miteinander verbundenen Scheiben dieses Materials bestehen. Selbstverständlich ist es auch möglich, bei einem aus mehreren Scheiben bestehenden Grundkorper 10 die sacklochartige Ausnehmung 12 wie bei der oben im Zusammenhang mit Keramikfolien erläuterten Herstellung der sacklochartigen Ausnehmung 12 durch Ausbildung einer Öffnung in einzelnen Scheiben, die in diesem Falle durch Bohren, Erodieren, Fräsen, Laserbearbeitung, Schneiden, Ätzen, Fließpressen oder Spritzgießen hergestellt wird, und anschließendes Zusammenfügen der Scheiben auszubilden.
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Bei einem aus einem Stück bestehenden Grundkörper 10 kann die sacklochartige Ausnehmung 12 durch Bohren, Erodieren, Fräsen, Laserbearbeitung, Schneiden, Ätzen, Fließpressen oder Spritzgeißen hergestellt werden.

Claims (1)

  1. 2989G-IP/j/mü 14
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    HERION-WERKE KG,
    Stuttgarter Str. 120, 70736 Fellbach
    Schutzansprüche
    1. Drucksensor, umfassend einen Grundkörper (10), eine auf dem Grundkörper (10) angeordnete, deformierbare, mit Druck beaufschlagbare Membran (20) und wenigstens ein auf der Membran (20) angeordnetes Sensormittel (3 0) zur Erfassung der Deformation der Membran (20), dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (20) ein Teil des Grundkörpers (10) selbst ist, der gleichzeitig den Träger des Sensorraittels (30) bildet.
    . Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (10) Träger einer die Ausgangssignale des Sensormittels (30) auswertenden Auswerteschaltung (40) ist.
    3. Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Grundkörper (10) wenigstens eine sacklochartige Ausnehmung (12) ausgebildet ist,
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    deren stirnseitige Begrenzungsfläche (13) eine vorgegebene Dicke (d) aufweist.
    4. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (10) ein Keramiksubstrat ist.
    . Drucksensor nach Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet, daß das Keramiksubstrat aus Aluminiumoxid (Al2O3) besteht.
    6. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper ein Metallkörper ist.
    7. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (10) ein Kunststoffkörper ist.
    8. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (10) ein Verbund aus einer Mehrzahl von übereinander angeordneten und miteinander verbundenen Scheiben ist.
    9. Drucksensor nach Anspruch 8 , dadurch gekennzeichnet, daß die Scheiben aus Keramikfolien bestehen, die durch einen Sinterprozeß miteinander verbunden sind (LTCC, Low Temperatur Cofired Ceramic).
    . Drucksensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramiksubstrat aus Aluminiumoxid (Al2O3) besteht.
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    11. Drucksensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensormittel (20) und gegebenenfalls die Auswerteschaltung (40) auf der Oberfläche des Grundkörpers (10) aufgedruckt und/oder aufgedampft und/oder gesputtert sind.
    12. Drucksensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensormittel (30) mit der Auswerteschaltung (40) über durchgängige Leiterbahnen elektrisch verbunden ist.
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