JP2021502553A - 凍結媒体に対する保護機能を備える圧力センサシステム - Google Patents

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Abstract

凍結媒体に対する保護機能を備える圧力センサシステム(1)は、可撓性の板(11)を備える圧力センサ素子(10)と、その上に前記圧力センサ素子(10)が配置された支持要素(20)と、を含んでいる。前記圧力センサ素子(10)は、ピエゾ抵抗型のセンサ素子として形成されている。前記支持要素(20)内には前記媒体を前記可撓性の板(11)に供給するための流路(30)が延びている。前記流路(30)は少なくとも1つのサブセクション(31)を備え、その長手方向は、前記可撓性の板(11)の下で垂直方向に延びている。前記流路(30)の前記少なくとも1つのサブセクション(31)の流路断面は、前記流路の前記サブセクション内の如何なる部位においても、前記可撓性の板(11)の面積よりも小さくない。【選択図】図1

Description

本発明は、凍結媒体による破壊から保護されている圧力センサシステムに関する。
例えば水又は尿素溶液のような水溶液中の圧力を測定するために、ピエゾ抵抗型の圧力センサ素子を備える圧力センサシステムを使用することができる。そのような圧力センサ素子は、可撓性の板の形態の膜を含んでいる。圧力センサ素子は、例えば上述した水溶液のような媒体が膜/可撓性の板に向かって流れるように、流路に連結されている。媒体の圧力に応じて、可撓性の板は歪む。圧力センサ素子の接続接点では、媒体の圧力又は可撓性の板の曲げに応じて、抵抗の変化を測定することができる。
上述したピエゾ抵抗型の圧力センサシステムにおいて、可撓性の板又は膜は、薄い層として形成することができる。圧力センサシステムが低温の環境にある場合、可撓性の板/膜に連結された流路内の媒体が凍結するリスクが存在する。その際、凍結媒体が薄膜層を破裂させ又は損傷を与え、その結果、圧力センサシステムが破壊されることは阻止されなければならない。
本発明の関心事は、圧力センサシステムの圧力センサ素子が凍結媒体による破壊から保護されている圧力センサシステムを提供することである。
凍結媒体に対する保護機能を備える圧力センサシステムの一実施形態が、請求項1において提示されている。
圧力センサシステムは、可撓性の板を備える圧力センサ素子を含んでおり、当該圧力センサ素子はピエゾ抵抗型のセンサ素子として形成されている。圧力センサシステムは、更に、その上に圧力センサ素子が配置された支持要素を含んでいる。支持要素内には、媒体を圧力センサ素子の可撓性の板に供給するための流路が延びている。流路は、少なくとも1つのサブセクションを備え、その長手方向は、圧力センサ素子の可撓性の板の下で垂直方向に延びている。したがって、媒体は、可撓性の板の直下に配置された流路のサブセクションから、可撓性の板に向かって垂直方向に流れる。流路のこの少なくとも1つのサブセクションの流路断面は、流路のサブセクション内の如何なる部位においても、圧力センサ素子の可撓性の板の面積よりも小さくない。
これは、流路の少なくとも1つのサブセクションが、流路のサブセクション内の如何なる部位においても、アンダーカットを有していないことを意味する。流路の少なくとも1つのサブセクションの如何なる部位においても、圧力センサ素子の可撓性の板の投影面内の流路内に位置する、例えば材料突出部の形態の狭窄部は、流路内に突出していない。特に、凍結時に膨張する媒体を支持することができる対抗支持体(Gegenlager)は、流路内には存在しない。したがって、流路はアンダーカットを有していない。
したがって、媒体が凍結した場合、媒体が可撓性の板に対して押し付けられる圧力は、流路内には構築され得ない。その代わりに、流路は、媒体の凍結の結果として流路内に構築される圧力が、圧力センサ素子に対して逆方向に、即ち圧力センサ素子から離れるように転向されるよう、形成されている。
圧力センサ素子の下に配置された流路の少なくとも1つのサブセクションは、例えば、圧力センサ素子の可撓性の板の方向とは逆の長手方向において、広がることはできるが、決して狭まることはできない。決定的なのは、圧力センサ素子の可撓性の板/膜の表面に平行な、流路の少なくとも1つのサブセクションの平面内に位置する材料突出部が、可撓性の板の下にある流路のサブセクション内に存在しないことである。
更なる実施形態によれば、流路の少なくとも1つのサブセクションの下で、圧縮可能な要素を支持要素のキャビティ内に組み込むことができる。媒体が、垂直方向において圧力センサ素子の可撓性の板の下の少なくとも1つのサブセクション内で凍結すると、膨張する媒体は圧縮可能な要素に対して押し付けられる。圧縮可能な要素は、例えば独立気泡発泡体、特にシリコン発泡体であることができる。圧縮可能な要素は、凍結保護手段として作用し、その圧縮性に起因して、媒体凍結時の氷形成の際に、流路の少なくとも1つのサブセクションの下で強固な対抗支持体が生じることを阻止する。
媒体が凍結した場合に、可撓性の板の下で圧力センサ素子の可撓性の板に垂直方向に作用する氷柱の高さを最小限に抑えるために、媒体の供給は、支持要素内において屈曲した流路を介して行うことができる。圧力センサシステムの一実施形態の変形例によれば、媒体供給流路の一部は、圧力センサのハウジング内に位置することができる。
提案された圧力センサシステムは、オイルが充填されたシステムを意図的に省略することによって、部材及びプロセスステップの低減を可能とし、それにもかかわらず、圧力センサ素子は、凍結に強いセンサシステムに一体化され得る。別の利点は、圧力センサシステムの構造が、自動車用途に典型的なハウジングへの一体化を可能にすることである。
本発明が、以下において、本発明の実施例を示す図面を参照して詳細に説明される。
圧力センサシステムの全体図を断面図で示している。 図1の圧力センサシステム一部の拡大詳細図を示している。
凍結媒体に対する保護機能を備える圧力センサシステム1の様々な構成要素が、図1及び2を参照して詳細に説明される。圧力センサシステム1は、可撓性の板又は膜11を備える圧力センサ素子10を含んでいる。圧力センサ素子10は、ピエゾ抵抗型のセンサ素子として形成されている。曲げ板11に圧力が作用すると曲げ板の変形が生じ、その結果として、ピエゾ抵抗型の抵抗器の測定可能な抵抗の変化が生じる。圧力センサシステムは、更に、その上に圧力センサ素子10が配置された支持要素20を含んでいる。
支持要素20内には、センサ素子10への、特に可撓性の板11への媒体供給を保障するために、流路30が延びている。流路30は少なくとも1つのサブセクション31を備え、その長手方向は、可撓性の板11の下で垂直方向に延びている。したがって、少なくとも1つのサブセクション31内を流れる媒体は、可撓性の板11に向かって垂直に流れることができる。圧力センサシステムは、流路30の少なくとも1つのサブセクション31の流路断面が、このサブセクション31内の如何なる部位においても、可撓性の板11の面積よりも小さくないように構築されている。
したがって、媒体通路の形状は、感圧素子10の領域において、感応構造/曲げ板11に至るまでの流路30のサブセクション31にアンダーカットが存在しないように選択されている。即ち、流路30の少なくとも1つのサブセクション31の如何なる部位においても、流路内で可撓性の板11の投影面内にある材料突出部が流路内へ突出することはない。図1及び2に基づいて認識され得るように、例えば、流路30の少なくとも1つのサブセクション31内には、流路の側壁を起点として可撓性の板11まである距離を置いた流路のサブセクション31のある部位において、流路内へ及び可撓性の板への垂直な投影において、可撓性の板の下まで延びる材料突出部がない。
特に、垂直方向において可撓性の板11の下に位置する流路の少なくとも1つのサブセクション31内には、アンダーカットとして流路内に突出する構造要素がない。それにより、流路のサブセクション31内の垂直方向において曲げ板11の下に、強固な対抗支持体(Widerlager)が存在することが防止され、当該対抗支持体には、凍結媒体が体積膨張の際に支持され、したがって可撓性の板11に対して押し付けられ得る。したがって、アンダーカットのない流路30の構成により、凍結媒体が可撓性の板11に損傷を与え、場合によっては、その台座から飛散することが防止され得る。
圧力センサシステムは、第1の領域41と、それに隣接する第2の領域42とを有するキャビティ40を備えている。キャビティの第1の領域41及び第2の領域42は、支持要素の内側で延びている。キャビティ40は、支持要素20の内側において、支持要素20の内壁21によって取り囲まれている。図1及び2に示された圧力センサシステムの実施形態によれば、キャビティの第1の領域41は、圧力センサ素子10の可撓性の板11の方向に漏斗状に先細りになっている。流路30の少なくとも1つのサブセクション31は、キャビティ40のこの第1の領域41によって形成される。その結果、流路30の少なくとも1つのサブセクション31も、圧力センサ素子の可撓性の板11の方向に漏斗状に先細りになっている。その代わりに、キャビティ40の第2の領域42は円筒状に形成されている。
キャビティ40の第1及び第2の領域41,42の長手方向は、支持要素20内において、圧力センサ素子10の可撓性の板11の表面に対して垂直に延びている。図1及び2に基づいて認識され得るように、キャビティ40の第1の領域41の断面積は、キャビティ40の第1の領域41の長手方向に沿った各位置において、少なくとも圧力センサ素子10の可撓性の板11の面積と同じ大きさである。キャビティ40の第2の領域42の断面積は、キャビティ40の第2の領域42の長手方向に沿った各位置において、圧力センサ素子10の可撓性の板11の面積よりも大きい。したがって、キャビティ40は、曲げ板11の直下の領域を起点として、離れて位置する領域の方向に更に大きく広がっている。
1つの可能な実施形態によれば、圧力センサシステム1は、キャビティ40の第2の領域42内に配置された圧縮可能な要素50を含んでいる。圧縮可能な要素50は、媒体の凍結時に媒体によって圧縮されるように形成されている。圧縮可能な要素は、特に、独立気泡発泡体として、例えばシリコン発泡体として形成することができる。キャビティ40内、特にキャビティ40の第2の領域42内に、圧縮可能な要素50を一体化することにより、媒体の凍結時にキャビティ40内又は流路30内における強固な対抗支持体を阻止することができる。
図1及び2に示された圧力センサシステム1の実施形態によれば、圧縮可能な要素50は円筒状に形成されている。圧縮可能な要素50は、キャビティの第1の領域41の下のキャビティ40の第2の領域42内に配置されている。したがって、圧縮可能な要素50により、感応素子10の下の領域の終端が形成される。特に、圧縮可能な要素50は、キャビティ40の漏斗状の第1の領域41又は流路30の漏斗状のサブセクション31の下で中央に配置することができる。
キャビティ40の第2の領域42の断面積は、キャビティの漏斗状の第1の領域41の開口の断面積よりも大きい。更に、圧縮可能な要素50の断面積は、少なくともキャビティ40の漏斗状の第1の領域41の開口の断面積と同じ大きさである。具体的には、図1及び2に示された圧力センサシステムの実施形態では、圧縮可能な要素50の断面積は、キャビティ40の漏斗状の第1の領域41の開口の断面積よりも大きい。したがって、キャビティ40の第1の領域41は、圧縮可能な要素50によって閉鎖されている。図1及び2に基づいて更に認識され得るように、圧縮可能な要素50の断面積は、キャビティ40の第2の領域42の断面積よりも小さい。
流路30は、支持要素20内に、流路の少なくとも1つのサブセクション31に隣接する少なくとも1つの別のサブセクション32を備えている。流路30の別のサブセクション32は、圧縮可能な要素50、特に圧縮可能な要素50の外面と、キャビティ40の第2の領域42を画定する支持要素20の内壁21との間に位置している。したがって、キャビティの領域42において、圧縮可能な要素50の外面は、媒体供給流路30の横方向の終端である。
流路は、キャビティの第2の領域42において支持要素20の内壁21と圧縮可能な要素50の外面との間に形成されるので、圧力センサシステム内には、媒体供給のための屈曲した流路が生じる。したがって、媒体が凍結した場合、氷柱の高さは圧力センサ素子10より下に最小化される。
圧力センサシステム1は、更に、その内部に圧力センサ素子10及び支持要素20が配置されたハウジング60を含んでいる。流路30及びキャビティ40は、ハウジング60内へ延びている。支持要素20のハウジング60への接続は、径方向のシールシステムを介して行うことができる。図1に示された圧力センサシステムの実施形態では、支持要素20と圧力センサのハウジング60との間にシール要素70が存在する。シール要素70は、例えばOリングとして形成することができる。
キャビティ40は、第1及び第2の領域41,42に加えて、キャビティ40の第2の領域42に隣接する別の第3の領域43を備えている。第3の領域43は、ハウジング60の内壁61によって取り囲まれている。圧縮可能な要素50は、キャビティ40の第2の領域42内に配置された第1のセクション51を備えている。更に、圧縮可能な要素50は、キャビティ40の第3の領域43内に配置された第2のセクション52を備えている。圧縮可能な要素50の第2のセクション52の断面積は、圧縮可能な要素の第1のセクション51の断面積に対応している。したがって、圧縮可能な要素は、キャビティ40の第2の領域42及び第3の領域43内に配置された円筒状の圧縮可能なボディとして形成されている。
圧縮可能な要素50の第2のセクション52の断面積は、キャビティ40の第3の領域43の断面積よりも小さい。それにより、ハウジング60内へ延びる流路30のサブセクション33が形成され、当該サブセクション33は、圧縮可能な要素50の第2のセクション52、特に圧縮可能な要素の第2のセクション52の外面と、キャビティ40の第3の領域43を画定するハウジング60の内壁61と、の間を延びている。したがって、流路30のサブセクション33も、ハウジング60内を延びている。媒体を流路30内に導入するために、ハウジング60は圧力接続部62を備えている。
媒体供給流路をセンサハウジング60内及び支持要素20内に一体化することによって、圧縮可能な要素50は、単純な形状、例えば2-1/2の寸法で図1に示された円筒状の形状によって実現され得る。支持要素20及びハウジング60の形状及び構成は、圧縮可能な要素50の典型的な大きな公差が、圧力及び温度範囲において機能の制限をもたらさないように選択されている。
ハウジング60は、プラスチック・ハウジングとして形成することができる。圧力センサ素子10は、シリコンから形成することができる。支持要素20は、好ましくはセラミック材料を含んでいる。支持要素20の熱膨張係数を圧力センサ素子10のシリコンに適合させることにより、シリコンセンサ素子10とセラミック支持要素20との間の付加的なガラス物体(Glasgegenkoerper)を省略することができる。それにより、センサ素子平面上にアンダーカットはない。圧力センサ素子10は、機械的に強固で媒体耐性のある接続材料を用いて支持要素20に結合することができる。特に、圧力センサ素子10は、ガラス半田層80を介して支持要素20と接続することができる。ガラス半田を使用することにより、金属半田とは対照的に、支持要素20及び圧力センサ素子10のメタライゼーションを省略することができる。
1つの可能な実施形態によれば、流路30の少なくとも1つのサブセクション31に面している圧力センサ素子10の背面は、不動態化層90(Passivierungsschicht)を備えることができる。センサ素子10の背面のそのような不動態化により、曲げ板11を例えば尿素溶液のような腐食性媒体から保護することができる。
圧力センサシステムは、実施形態に応じて、絶対圧力又は相対圧力を測定するために使用することができる。絶対圧力測定においては、全ての圧力が圧力基準に関連付けられる。そのような実施形態は、特に図2に示されている。図2に示された実施形態においては、圧力センサ素子10の上に、特に曲げ板11の上方に、ガラスキャップ12が配置されている。可撓性の板11とガラスキャップ12との間には、例えば真空のような基準圧力が支配するキャビティがある。
絶対圧力測定とは対照的に、相対圧力測定のために構成された圧力センサ素子においては、ガラスキャップ12が省略される。相対圧力測定においては、測定媒体の圧力は、周囲圧力に対して相対的に測定される。圧力センサシステム1は、この場合、上方から大気圧が可撓性の板11に、下方から媒体の圧力が可撓性の板11に、それぞれ作用するように形成されている。
1つの可能な実施形態によれば、圧力センサシステム1は、支持要素20に関して別個のキャリア又は構成要素本体として形成された配線キャリア100を備えている。圧力センサシステム1は、作用する媒体の圧力に起因する圧力センサ素子の抵抗変化を評価するための信号変換器要素110を含んでいる。信号変換器要素110は、温度挙動を増幅し、正規化し、補償する。外部接触のために、圧力センサシステム1は、プラグ・ハウジング130内に配置された接触要素120を含んでいる。
図1及び2に示された、別個の支持要素20及び配線キャリア100を備える圧力センサシステム1の実施形態においては、信号変換器要素110が配線キャリア100の上に配置されている。配線キャリア100は、支持要素20の上に配置されている。支持要素20は、特に配線キャリア100の凹部内に突出している。
特に、支持要素20とは別個の配線キャリア100を備える実施形態においては、配線キャリアがガラス半田付けプロセス中に生じる高温を通じて案内される必要がないので、配線キャリアの材料選択に比較的大きな自由度が得られる。様々な配線及び信号変換器要素の適合した配線キャリア上での使用は、圧力センサシステムの基本的な構造を変更することなく行われ得る。特に、流路30を有する支持要素20は、不変のままであり得る。
圧力センサシステム1の別の実施形態によれば、別個の配線キャリア100を完全に省略することができる。この実施形態では、電気部品、特に信号変換器要素110は、支持要素20の上に直接的に配置され、ワイヤボンド接続を介して電気的に接続される。
1 圧力センサシステム
10 圧力センサ素子
11 可撓性の板
20 支持要素
21 支持要素の内壁
30 流路
31,32,33 流路のサブセクション
40 キャビティ
41,42,43 キャビティの領域
50 圧縮可能な要素
60 ハウジング
70 シール要素
80 ガラス半田層
90 不動態化層
100 配線キャリア
110 信号変換器要素
120 接触要素
130 プラグ接続

Claims (15)

  1. 凍結媒体に対する保護機能を備える圧力センサシステムであって、
    可撓性の板(11)を備え、ピエゾ抵抗型のセンサ素子として形成された圧力センサ素子(10)と、
    その上に前記圧力センサ素子(10)が配置された支持要素(20)と、を含み、
    前記支持要素(20)内には前記媒体を前記可撓性の板(11)に供給するための流路(30)が延びており、
    前記流路(30)は、その長手方向が前記可撓性の板(11)の下で垂直方向に延びる少なくとも1つのサブセクション(31)を備え、
    前記流路(30)の前記少なくとも1つのサブセクション(31)の流路断面は、前記流路の前記サブセクション内の如何なる部位においても、前記可撓性の板(11)の面積よりも小さくない、圧力センサシステム。
  2. 前記流路(30)の前記少なくとも1つのサブセクション(31)は、前記流路の前記少なくとも1つのサブセクション(31)内の如何なる部位においても、アンダーカットを備えていない、請求項1に記載の圧力センサシステム。
  3. 第1の領域(41)と、それに隣接する第2の領域(42)とを有するキャビティ(40)を含み、
    前記キャビティの前記第1及び第2の領域(41,42)は前記支持要素内を延び、前記支持要素(20)の内壁(21)によって取り囲まれており、
    前記キャビティの前記第1の領域(41)は、前記圧力センサ素子(10)の前記可撓性の板(11)の方向に漏斗状に先細りになっており、
    前記流路(30)の前記少なくとも1つのサブセクション(31)は、前記キャビティ(40)の前記第1の領域(41)によって形成され、
    前記キャビティ(40)の前記第2の領域(42)は円筒状に形成されている、請求項1又は2に記載の圧力センサシステム。
  4. 前記キャビティ(40)の前記第1及び第2の領域(41,42)の長手方向は、前記支持要素(20)内において、前記圧力センサ素子(10)の前記可撓性の板(11)の表面に対して垂直に延びており、
    前記キャビティ(40)の前記第1の領域(41)の断面積は、前記キャビティ(40)の前記第1の領域(41)の長手方向に沿った各位置において、少なくとも前記圧力センサ素子(10)の前記可撓性の板(11)の面積と同じ大きさであり、
    前記キャビティ(40)の前記第2の領域(42)の断面積は、前記キャビティ(40)の前記第2の領域(42)の長手方向に沿った各位置において、前記圧力センサ素子(10)の前記可撓性の板(11)の面積よりも大きい、請求項3に記載の圧力センサシステム。
  5. 前記キャビティ(40)の前記第2の領域(42)に配置された圧縮可能な要素(50)を含み、
    前記圧縮可能な要素(50)は、前記媒体の凍結時に前記媒体によって圧縮されるように形成されている、請求項3又は4に記載の圧力センサシステム。
  6. 前記圧縮可能な要素(50)は円筒状に形成されていると共に、前記キャビティの漏斗状の前記第1の領域(41)の下の前記キャビティ(40)の前記第2の領域(42)内に配置されている、請求項5に記載の圧力センサシステム。
  7. 前記キャビティ(40)の前記第2の領域(42)の断面積は、前記ャビティの漏斗状の前記第1の領域(41)の前記開口の断面積よりも大きく、
    前記圧縮可能な要素(50)の断面積は、少なくとも前記キャビティ(40)の漏斗状の前記第1の領域(41)の前記開口の断面積と同じ大きさであり、
    前記圧縮可能な要素(50)の断面積は、前記キャビティ(40)の前記第2の領域(42)の断面積よりも小さい、請求項4又は5に記載の圧力センサシステム。
  8. 前記流路(30)は、前記支持要素(20)内に、前記流路の前記少なくとも1つのサブセクション(31)に隣接する少なくとも1つの別のサブセクション(32)を備え、
    前記流路(30)の前記別のサブセクション(32)は、前記圧縮可能な要素(50)と、前記キャビティの前記第2の領域(42)を画定する前記支持要素(20)の内壁(21)と、の間に位置している、請求項5〜7のいずれか1項に記載の圧力センサシステム。
  9. その内部に前記圧力センサ素子(10)及び前記支持要素(20)が配置されたハウジング(60)を含み、
    前記流路(30)及び前記キャビティ(40)は前記ハウジング(60)内へ延びており、
    前記記支持要素(20)と前記ハウジング(60)との間には、シール要素(70)が存在する、請求項1〜8のいずれか1項に記載の圧力センサシステム。
  10. 前記キャビティ(40)は第3の領域(43)を備え、前記第3の領域(43)は前記キャビティ(40)の前記第2の領域(42)に隣接すると共に、前記ハウジングの内壁(61)によって取り囲まれており、
    前記圧縮可能な要素(50)の第1のセクション(51)は前記キャビティ(40)の前記第2の領域(42)内に、前記圧縮可能な要素(50)の第2のセクション(52)は前記キャビティの前記第3の領域(43)内に、それぞれ配置されており、
    前記圧縮可能な要素(50)の前記第2のセクション(52)の断面積は、前記キャビティ(40)の前記第3の領域(43)の断面積よりも小さい、請求項9に記載の圧力センサシステム。
  11. 前記ハウジング(60)内へ延びる前記流路(30)のサブセクション(33)は、前記圧縮可能な要素(50)の前記第2のセクション(52)と、前記キャビティ(40)の前記第3の領域(43)を画定する前記ハウジング(60)の前記内壁(61)との間を延びている、請求項10に記載の圧力センサシステム。
  12. 前記圧力センサ素子(10)は、シリコンから形成されており、
    前記支持要素(20)は、セラミック材料を含んでおり、
    前記圧力センサ素子(10)は、ガラス半田層(80)によって前記支持要素(20)と接続されている、請求項1〜11のいずれか1項に記載の圧力センサシステム。
  13. 前記流路(30)の前記少なくとも1つのサブセクション(31)に面している前記圧力センサ素子(10)の背面は、不動態化層(90)を備えている、請求項1〜12のいずれか1項に記載の圧力センサシステム。
  14. 前記圧力センサ素子(10)の前記可撓性の板(11)に作用する前記媒体の圧力に応じて電気信号を生成するための信号変換器要素(110)と、
    その上に前記信号変換器要素(110)が配置された、前記支持要素(20)とは別個の配線キャリア(100)と、を含み、
    前記配線キャリア(100)は、前記支持要素(20)の上に配置されている、請求項1〜13のいずれか1項に記載の圧力センサシステム。
  15. 前記圧力センサ素子(10)の前記可撓性の板(11)に作用する前記媒体の圧力に応じて電気信号を生成するための信号変換器要素(110)を含み、
    前記信号変換器要素(110)は、前記支持要素(20)の上に直接的に配置されている、請求項1〜13のいずれか1項に記載の圧力センサシステム。
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