EP4348206A1 - 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

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EP4348206A1
EP4348206A1 EP22729603.5A EP22729603A EP4348206A1 EP 4348206 A1 EP4348206 A1 EP 4348206A1 EP 22729603 A EP22729603 A EP 22729603A EP 4348206 A1 EP4348206 A1 EP 4348206A1
Authority
EP
European Patent Office
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sensor element
measuring
contact surfaces
measuring device
circuit board
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP22729603.5A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Romuald Girardey
Andreas Spitz
Elke Schmidt
Nils Ponath
Marcel GFRÖRER
Dirk Wiedmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Endress and Hauser SE and Co KG
Original Assignee
Endress and Hauser SE and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Endress and Hauser SE and Co KG filed Critical Endress and Hauser SE and Co KG
Publication of EP4348206A1 publication Critical patent/EP4348206A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/0061—Electrical connection means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/14—Housings
    • G01L19/148—Details about the circuit board integration, e.g. integrated with the diaphragm surface or encapsulation
    • H—ELECTRICITY
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
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    • H10W90/754—Package configurations characterised by the relative positions of pads or connectors relative to package parts of bond wires between a chip and a stacked insulating package substrate, interposer or RDL

Definitions

  • Measuring device for determining and/or monitoring at least one physical and/or chemical parameter
  • the invention relates to a measuring device for determining and/or monitoring at least one physical and/or chemical parameter.
  • Measuring devices determine and/or monitor a measured variable from which a process variable is determined.
  • measuring devices are to be understood as a component of a field device in process and automation technology, which is used to monitor and/or determine at least one, for example chemical and/or physical, process variable of a medium.
  • a large number of such field devices are manufactured and sold by companies in the Endress+Flauser Group.
  • the process variable to be determined by the field device can be the level, the flow, the pressure, the temperature, the pFI value, a redox potential or the conductivity of the respective medium.
  • Field devices for measuring the filling level are designed in particular as microwave filling level measuring devices, ultrasonic filling level measuring devices, time-domain reflectometric filling level measuring devices (TDR), radiometric filling level measuring devices, capacitive filling level measuring devices, conductive filling level measuring devices and vibronic filling level measuring devices.
  • Field devices for measuring the flow on the other hand, work, for example, according to the Coriolis, ultrasonic, vortex, thermal and/or magnetically inductive measuring principle.
  • Pressure gauges are preferably so-called absolute,
  • Pressure measuring devices have, for example, a measuring device for determining a pressure-dependent capacitance, which is ultimately used to determine the pressure of the medium.
  • measuring devices include a sensor element which, by means of an electrical converter, generates a measured variable-dependent electrical Provides primary signal, and on-site electronics, which is provided for processing the electrical primary signals and the operation of the electrical converter.
  • An electronics unit is typically connected to the on-site electronics, which is responsible for, among other things, the power supply, the further processing of an electrical secondary signal received from the on-site electronics and/or the operation of interfaces.
  • the on-site electronics are usually connected to the electronics unit using a plug.
  • Patent application DE 10 2019 104 841 A1 describes a pressure sensor element with on-site electronics designed as a system-in-package.
  • System-in-package processes are demanding manufacturing processes that take place in the clean room and, compared to conventional printed circuit boards, work with thinner substrates as the carrier material for the components to be arranged on them.
  • the housing is applied to the measuring and operating circuit using an injection molding process and is made of plastic.
  • the thermal expansion coefficients of the pressure sensor element and the on-site electronics must be matched to one another, since otherwise thermo-mechanical stress and hysteresis can easily occur in the pressure sensor element.
  • the on-site electronics is a relatively small component, so that only little space is available for attaching a connector.
  • the correspondingly small connector is therefore difficult to use.
  • conventional plugs which create a connection to a circuit board, for example, are only designed for temperatures up to approx. 100°C, whereas measuring devices are often exposed to significantly higher temperatures, e.g. up to 200°C. Temperatures of up to 150°C also occur in the electronics area of the measuring device.
  • a measuring device which is designed for higher temperatures. Higher temperatures are in particular temperatures up to approx. 150°C.
  • the object on which the invention is based is achieved by a measuring device for determining and/or monitoring at least one physical and/or chemical measured variable
  • the sensor element has an electrical converter for providing measured variable-dependent electrical primary signals and a sensor body with at least one metalized surface section,
  • On-site electronics with a housing and a measuring and operating circuit arranged in an interior of the housing for operating the electrical converter and for processing the primary signals, wherein a first surface of the on-site electronics has a plurality of first contact surfaces, which are mechanically and electrically connected to the at least one metalized surface section of the sensor element, with a second surface of the on-site electronics having a plurality of second contact surfaces, and
  • a printed circuit board which has a plurality of third contact surfaces in a first region, the printed circuit board being mechanically and electrically connected to the on-site electronics by means of the second contact surfaces and the third contact surfaces.
  • the measuring device avoids the connector and the problems associated with it by connecting the printed circuit board to the on-site electronics without an intermediate element.
  • the on-site electronics are equipped with the first and second contact surfaces on the, in particular opposite, first and second surfaces.
  • the on-site electronics are generally first connected to the sensor element, for example soldered, before the printed circuit board is soldered to the on-site electronics in a later step.
  • the plurality of first, second and third contact areas are designed as metalized areas on a respective area of the respective component.
  • the multiple contact surfaces can be two or more—sometimes also a large number of—contact surfaces.
  • the printed circuit board is used, for example, to supply energy to the on-site electronics and/or to process secondary electrical signals which are generated during the processing of the primary electrical signals and are transmitted by the on-site electronics.
  • the printed circuit board is advantageously designed as a flexible printed circuit board.
  • the first contact areas and the second contact areas are designed as a QFN, LGA, DFN or BGA arrangement.
  • the third contact areas of the printed circuit board are preferably designed to correspond to the second contact areas of the on-site electronics.
  • QFN Quad Flat No Leads
  • LGA Land Grid Array
  • DFN Double Flat No-Lead
  • the contact surfaces are integrated flat on the surface of the respective printed circuit board or housing.
  • BGA Ball Grid Array
  • solder paste must first be applied to at least part of the contact surfaces.
  • the sensor element is a pressure sensor element.
  • the pressure sensor element has a base body and a measuring membrane connected to the base body, including a pressure chamber.
  • the pressure sensor element is generally so sensitive that even small deviations in the thermal expansion coefficients of the pressure sensor element and/or elements connected to the pressure sensor element lead to thermomechanical stresses and subsequently to hysteresis in the pressure signal. This applies not only to the joints in question between the pressure sensor element and the on-site electronics, but also to the on-site electronics itself.
  • the pressure sensor element is made, for example, from a ceramic, in particular corundum, which has a low coefficient of thermal expansion.
  • the pressure sensor element comprises a capacitive transducer, which has at least one first electrode arranged on the measuring membrane and at least one second electrode arranged on the base body, which face each other, the capacitance between the first electrode and the second electrode being dependent on the pressure depends on the measuring membrane, wherein at least the second electrode is connected to the measuring and operating circuit via at least one passage through the base body.
  • the on-site electronics can preferably be produced in a system-in-package process. Details on the system-in-package method can also be found in the introduction to this application.
  • the measuring and operating circuit has at least one integrated circuit and at least one passive element.
  • the on-site electronics thus represent a complex, integrated component.
  • the coefficient of thermal expansion of the on-site electronics is adapted to the coefficient of thermal expansion of the sensor element, so that the on-site electronics and the Sensor element have a substantially matching coefficient of thermal expansion.
  • FIGS. 1-2 They show:
  • the measuring device 1 according to the invention can be used for a large number of field devices, such as pressure and level measuring devices, among others.
  • the following figures show the measuring device 1 according to the invention as an example in connection with a pressure sensor element 2.
  • the pressure sensor element 2 comprises a base body 11, which corresponds to the sensor body 4, and a measuring membrane 12.
  • Measuring membrane 12 and base body 11 are connected by means of a joint 15, including a pressure chamber 20, and each have a first electrode 13a and at least a second electrode on facing surfaces Electrode 13b, which form the electrical converter 3, or in the case of the pressure sensor element 2, a capacitive converter 3.
  • the electrical converter 3 is used to provide measured variable-dependent primary electrical signals.
  • a first pressure p acts on the measuring membrane 12, with a second pressure optionally being able to be fed through the pressure supply 17 into the pressure chamber in the case of a reference or differential pressure measuring device.
  • a pressure-dependent deflection of the measuring membrane 12 affects the capacitance between the two electrodes 13a, 13b.
  • At least the second electrode 13b is connected to the metallized surface section 5 of the base body 11 via a feedthrough 14 and to the measuring and operating circuit 8 above it.
  • the on-site electronics 6 includes a housing 7 in which a measuring and operating circuit 8 is arranged, which operates the electrical converter 3 and processes the electrical primary signals.
  • a plurality of first contact surfaces 9a and a plurality of second contact surfaces 9b are arranged on the first surface 6a and on a second surface 6b of the on-site electronics 6 that is opposite it, for example.
  • the first surface 6a and the second surface 6b can also be arranged adjacent to or perpendicular to one another.
  • the first contact areas 9a and the second contact areas 9b are designed, for example, as a QFN, LGA, DFN or BGA arrangement. In the example shown in FIG. 1 , the first contact areas 9a are soldered to the metallized surface section 5 via solder balls 16 .
  • the on-site electronics 6 can optionally be produced using a system-in-package method.
  • a substrate 21, for example, is arranged in the region of the plurality of first contact areas 9a, on which the components of the measuring and operating circuit 8 are applied.
  • the components of the measuring and operating circuit 8 are electrically connected to one another.
  • This is represented by connection 18. 2 shows an example of the measuring device 1 according to the invention.
  • the measuring device 1 includes a printed circuit board 10.
  • a plurality of third contact surfaces 9c are arranged in a first region 10a of the printed circuit board 10, which are soldered to the plurality of second contact surfaces 9b and thus provide a mechanical and electrical Connection between the circuit board 10 and the on-site
  • the printed circuit board 10 is designed to be flexible, for example.

Landscapes

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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

Messgerät zum Bestimmen und/oder Überwachen zumindest einer physikalischen und/oder chemischen Messgröße
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+Flauser-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 pFI-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 einerweiteren 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 einerweiteren 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 Fig. 1 - 2 näher erläutert werden. Sie zeigen:
Fig. 1: eine schematische Darstellung der Verbindung zwischen dem Sensorelement und der Vor-Ort-Elektronik am Beispiels eines Drucksensorelements.
Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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

Claims

Patentansprüche
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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