WO2007023169A1 - Drucksensoreinheit - Google Patents

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WO2007023169A1
WO2007023169A1 PCT/EP2006/065604 EP2006065604W WO2007023169A1 WO 2007023169 A1 WO2007023169 A1 WO 2007023169A1 EP 2006065604 W EP2006065604 W EP 2006065604W WO 2007023169 A1 WO2007023169 A1 WO 2007023169A1
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housing
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pressure sensor
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Inventor
Carsten Zahout-Heil
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Continental Teves Ag & Co. Ohg
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    • 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
    • G01L19/04—Means for compensating for effects of changes of temperature, i.e. other than electric compensation
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    • G01—MEASURING; TESTING
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    • 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
    • G01L19/147—Details about the mounting of the sensor to support or covering means

Definitions

  • the invention relates to a pressure sensor unit according to the preamble of claim 1.
  • the measurement of the negative pressure in a pneumatic brake booster usually takes place via an externally mounted sensor. This is coupled by means of a connecting piece to the interior of the brake booster. Depending on the version of the pressure in only one or both chambers of the brake booster is measured.
  • WO 02/098718 A1 discloses a vacuum brake booster of a vehicle brake system with a sensor unit for sensing pressures, the sensor unit having two sensor elements in a common housing.
  • Known pressure sensors typically comprise a deformable body which can be subjected to pressure, usually a deformable diaphragm or pressure measuring plate which is optionally arranged on a base body, and a sensor means arranged on the deformation body which determines the pressure-dependent deflection or deformation of the deformation body.
  • the sensor means can be based on a capacitive or resistive measuring principle.
  • the sensor means as a capacitor structure (capacitive measuring principle) is at least one electrically conductive measuring electrode in the region of the membrane surface, so that it is moved by the deformable membrane surface.
  • a counter electrode is present, which is attached to the main body and forms a capacitor together with the measuring electrode.
  • the associated capacity change can be used as a measure of pressure.
  • capacitive sensors made of ceramic are used, which are attached by means of sealing rings to a housing and are sealed against the measuring medium.
  • the sensor means with pressure-sensitive resistors (resistive measuring principle)
  • resistance structures are mounted on the membrane (the deformation body), the resistance value depending on the deformation or deflection of the membrane and thus also a measure of the applied pressure.
  • the deformation bodies used are made of ceramic or metal. From DE 102 52 023 B3 a pressure sensor is known, which has a deformation body made of plastic, e.g. can be produced by injection molding.
  • monolithic, piezoresistive dies are also used, which are attached to a ceramic carrier with an elastic, silicone-containing adhesive.
  • a borosilicate glass is also arranged between the piezoresistive structure and the ceramic carrier.
  • the measuring pressure is then introduced through a hole in the ceramic carrier (and optionally in the boron-silicate glass) from below, to the electrically non-active surface of the sensor.
  • the top of the sensor element must also be protected against dirt and vibration with a silicone-containing potting compound.
  • silicone in the brake booster is undesirable. For example, it affects the conductivity of contact surfaces, which can lead to malfunction of the brake booster.
  • Known pressure sensor units such as e.g. disclosed in DE 196 37 763 Al, usually comprise a housing with a supply port for the pressure medium whose pressure is to be determined.
  • the housing of the sensor unit is connected to the system to be monitored, for example, by a thread or other fastening means.
  • the pressure medium is supplied via the feed opening to the sensor element arranged in or on the housing.
  • the sensor element must be connected pressure-tight with the housing or the ceramic carrier. This is known to be done by gluing with an elastic adhesive containing silicone or by pressing, e.g. by means of a spring, while sealing with a sealant, e.g. Sealing ring.
  • the present invention seeks to provide an improved pressure sensor unit, which has a simple and inexpensive and at the same time pressure-tight, durable and in particular silicone-free connection of housing and sensor element.
  • the invention is based on the idea that the housing and the sensor element or at least the part of the housing, which is connected to the sensor element, and the part of the sensor element which is connected to the housing, consist of the same plastic or of plastics with the same or almost equal temperature expansion coefficients. This makes it easier to connect housing and sensor element together. It opens up new technical possibilities of connection. Housing and sensor element or parts of the housing and sensor element may even, which is preferred, be formed as a one-piece injection-molded part.
  • the housing and the sensor element are connected to each other inelastic. This is technically meaningful, since the housing and the sensor element are preferably made of the same material or materials with similar coefficients of thermal expansion, so that can be dispensed with an elastic connection, which compensates for tension between the two parts.
  • the housing and the sensor element by welding, gluing, molding, encapsulation or encapsulation inelastic connected to each other.
  • the housing and the sensor element are interconnected by a silicone-free adhesive. This makes it possible to use the pressure sensor unit in an environment in which no silicone may be used.
  • the housing and the sensor element are preferably connected to one another by laser or ultrasonic welding.
  • the housing and the deformation body of the sensor element are formed as a one-piece injection-molded component. As a result, a subsequent connection of the housing with the deformation body is no longer necessary.
  • the senor means is preferably applied after manufacture of the injection-molded component by coating on the deformation body.
  • the sensor means and optionally an evaluation circuit are printed on the deformation element and / or vapor-deposited and / or sputtered on.
  • An advantage achieved by the invention is that no silicone-containing adhesive, which can contaminate the surfaces of other components by outgassing, must be used to connect the housing and sensor means. Furthermore, it is an advantage of the pressure sensor unit according to the invention that no additional, additional cost causing sealant must be used.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a pressure sensor unit according to the invention
  • Fig. 2 shows a third embodiment of a pressure sensor unit according to the invention.
  • the invention is concerned with the connection of a sensor element to the housing of the pressure sensor.
  • the connection point In the known pressure sensors, due to different expansion coefficients of the sensor and the sensor carrier (housing or printed circuit board), the connection point must be made elastic. So far this has been done by gluing or sealing.
  • a first embodiment of a pressure sensor unit according to the invention is shown.
  • Sensor element 1 which consists of a polymer, is connected by welding to housing 2 (underside). So a pressure-tight connection is made.
  • Welded connection 3 between sensor element 1 and housing 2 can be produced by laser or ultrasonic welding.
  • Sensor element 1 is connected via bonding compound 4 with board 5, on which electrical circuits are arranged. Since sensor element 1 and housing 2 are made of the same material or of two materials with the same or similar coefficients of expansion, in a second exemplary embodiment, which is not shown separately, the connection point can also be made inelastic by gluing. So it can also be adhesive without silicone content in question. This allows the use of the exemplary sensor unit for silicone-free applications.
  • FIG. 2 a third embodiment of a pressure sensor unit according to the invention is shown.
  • This embodiment consists in the complete integration of sensor element 1 'and housing 2'.
  • housing 2 'and deformation body 6 are produced as an injection-molded part (FIG. 2 a).
  • the coating of deformation body 6 with resistive structures (sensor means) 7 takes place (FIG. 2b).
  • the working step of connecting sensor element 1 'and housing 2' is thereby eliminated.
  • the primary electronics e.g. as a board 5 ', and the necessary bonds 4' attached (Fig. 2c).
  • connection between the two can thus be made inelastic ("hard”). This opens up the joining possibilities described above for welding, gluing, one-part injection molding and injection molding or extrusion coating.

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Abstract

Drucksensoreinheit, insbesondere für eine Fahrzeugbremsanlage, mit einem Gehäuse (2), in welchem mindestens ein Sensorelement (1) angeordnet ist, welches einen Verformungskörper (6) und wenigstens ein auf dem Verformungskörper (6) angeordnetes Sensormittel (7) zur Erfassung einer Deformation des Verformungskörpers (6) aufweist, wobei zumindest der Teil des Gehäuses (2), welcher mit dem Sensorelement (1) verbunden ist, und der Teil des Sensorelements (1), welcher mit dem Gehäuse (2) verbunden ist, aus dem gleichen Kunststoff oder aus Kunststoffen mit gleichen oder fast gleichen Temperatur-Ausdehnungskoeffizienten bestehen, oder dass zumindest ein Teil des Gehäuses (2) und ein Teil des Sensorelementes (1) als einteiliges Spritzgussbauteil aus Kunststoff ausgebildet ist.

Description

Drucksensoreinheit
Die Erfindung betrifft eine Drucksensoreinheit gemäß Oberbegriff von Anspruch 1.
Die Messung des Unterdruckes in einem pneumatischen Bremskraftverstärker erfolgt üblicherweise über einen extern angebrachten Sensor. Dieser wird mittels eines Anschlussstückes an den Innenraum des Bremskraftverstärkers angekoppelt. Je nach Ausführung wird der Druck in nur einer oder in beiden Kammern des Bremskraftverstärkers gemessen.
In der WO 02/098718 Al wird ein Unterdruckbremskraftverstärker einer Fahrzeugbremsanlage mit einer Sensoreinheit zur Sensierung von Drücken offenbart, wobei die Sensoreinheit zwei Sensorelemente in einem gemeinsamen Gehäuse aufweist.
Bekannte Drucksensoren umfassen üblicherweise einen mit Druck beaufschlagbaren Verformungskörper, meist eine, gegebenenfalls auf einem Grundkörper angeordnete, deformierbare Membran oder Druckmessplatte, sowie ein auf dem Verformungskörper angeordnetes Sensormittel, welches die druckabhängige Auslenkung oder Deformation des Verformungskörpers ermittelt. Das Sensormittel kann dabei auf einem kapazitiven oder resistiven Messprinzip beruhen.
Im Falle der Ausbildung des Sensormittels als eine Kondensatorstruktur (kapazitives Messprinzip) befindet sich zumindest eine elektrisch leitende Messelektrode im Bereich der Membranfläche, so dass diese von der verformbaren Membranfläche bewegt wird. Zudem ist eine Gegenelektrode vorhanden, welche am Grundkörper befestigt ist und gemeinsam mit der Messelektrode einen Kondensator bildet. Durch die Druckbeaufschlagung ändert sich die Auslenkung der Membran und damit der Abstand der Kondensatorplatten. Die damit einhergehende Kapazitätsänderung kann als ein Maß für den Druck herangezogen werden. Beispielsweise werden kapazitive Sensoren aus Keramik genutzt, welche mittels Dichtringen an einem Gehäuse angebracht sind und so gegen das Messmedium abgedichtet werden.
Im Falle der Ausbildung des Sensormittels mit druckempfindlichen Widerständen (resistives Messprinzip) sind Widerstandstrukturen auf der Membran (dem Verformungskörper) angebracht, wobei der Widerstandswert von der Verformung bzw. Durchbiegung der Membran abhängt und somit ebenfalls ein Maß für den anliegenden Druck ist. Die verwendeten Verformungskörper sind aus Keramik oder Metall gefertigt. Aus der DE 102 52 023 B3 ist ein Drucksensor bekannt, welcher einen Verformungskörper aus Kunststoff besitzt, der z.B. durch Spritzgießen hergestellt werden kann.
Häufig werden auch monolithische, piezoresistive Dies (Strukturen) verwendet, die mit einem elastischen, silikon- haltigen Kleber auf einem Keramikträger angebracht werden. Häufig ist auch noch ein Bor-Silikat-Glas zwischen piezore- sistiver Struktur und Keramikträger angeordnet. Der Messdruck wird dann durch ein Loch im Keramikträger (und gegebenenfalls im Bor-Silikat-Glas) von unten, an die elektrisch nicht aktive Fläche des Sensors eingeleitet. Die Oberseite des Sensorelements muss mit einer ebenfalls silikonhaltigen Vergussmasse gegen Schmutz und Vibrationen geschützt werden. Aus verschiedenen Gründen ist der Einsatz von Silikon im Bereich des Bremskraftverstärkers unerwünscht. Beispielsweise beeinträchtigt es die Leitfähigkeit von Kontaktoberflächen, was zu Funktionsstörungen des Bremskraftverstärkers führen kann .
Bekannte Drucksensoreinheiten, wie z.B. in der DE 196 37 763 Al offenbart, umfassen in der Regel ein Gehäuse mit einer Zufuhröffnung für das Druckmedium, dessen Druck zu bestimmen ist. Das Gehäuse der Sensoreinheit wird beispielsweise durch ein Gewinde oder sonstige Befestigungsmittel mit dem zu ü- berwachenden System verbunden. Das Druckmedium wird über die Zuführungsöffnung dem im oder am Gehäuse angeordneten Sensorelement zugeführt. Dabei muss das Sensorelement druckdicht mit dem Gehäuse bzw. dem Keramikträger verbunden sein. Dies geschieht bekannterweise durch Kleben mit einem elastischen Klebemittel, welches Silikon enthält, oder durch Andrücken, z.B. mittels einer Feder, bei gleichzeitiger Abdichtung mit einem Dichtungsmittel, z.B. Dichtungsring.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Drucksensoreinheit bereitzustellen, welche eine einfache und kostengünstige und gleichzeitig druckdichte, haltbare und insbesondere silikonfreie Verbindung von Gehäuse und Sensorelement besitzt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Drucksensoreinheit gemäß Anspruch 1 gelöst.
Die Erfindung geht dabei von der Idee aus, dass das Gehäuse und das Sensorelement bzw. zumindest der Teil des Gehäuses, welcher mit dem Sensorelement verbunden ist, und der Teil des Sensorelements, welcher mit dem Gehäuse verbunden ist, aus dem gleichen Kunststoff oder aus Kunststoffen mit gleichen oder fast gleichen Temperatur-Ausdehnungskoeffizienten bestehen. Dadurch wird es einfacher, Gehäuse und Sensorelement miteinander zu verbinden. Es eröffnen sich neue technische Möglichkeiten der Verbindung. Gehäuse und Sensorelement bzw. Teile von Gehäuse und Sensorelement können sogar, was bevorzugt ist, als ein einteiliges Spritzgussteil ausgebildet sein.
Es ist bevorzugt, dass das Gehäuse und das Sensorelement unelastisch miteinander verbunden sind. Dies wird dadurch technisch sinnvoll, da das Gehäuse und das Sensorelement vorzugsweise aus dem gleichen Material oder Materialien mit ähnlichen Temperatur-Ausdehnungskoeffizienten bestehen, so dass auf eine elastische Verbindung, welche Verspannungen zwischen den beiden Teilen ausgleicht, verzichtet werden kann .
Um eine druckdichte und haltbare Verbindung zwischen Gehäuse und Sensorelement ohne Verwendung von zusätzlichen Dichtungsmitteln zu realisieren, werden gemäß einer bevorzugten Ausführungsform das Gehäuse und das Sensorelement durch Schweißen, Kleben, Anspritzen, Umspritzen oder Umgießen unelastisch miteinander verbunden.
Bevorzugt werden das Gehäuse und das Sensorelement durch ein silikonfreies Klebemittel miteinander verbunden. Hierdurch ist eine Verwendung der Drucksensoreinheit in einer Umgebung möglich, in welcher kein Silikon verwendet werden darf. Das Gehäuse und das Sensorelement werden vorzugsweise durch Laser- oder Ultraschallschweißen miteinander verbunden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Drucksensoreinheit sind das Gehäuse und der Verformungskörper des Sensorelementes als ein einteiliges Spritzgussbauteil ausgebildet. Hierdurch ist ein nachträgliches Verbinden des Gehäuses mit dem Verformungskörper nicht mehr nötig.
Bei der einteiligen Ausführungsform von Gehäuse und Verformungskörper wird das Sensormittel bevorzugt nach Fertigung des Spritzgussbauteils durch Beschichtung auf den Verformungskörper aufgebracht.
Gemäß einer Weiterbildung der Drucksensoreinheit sind das Sensormittel und gegebenenfalls eine Auswerteschaltung auf dem Verformungskörper aufgedruckt und/oder aufgedampft und/oder aufgesputtert .
Ein mit der Erfindung erzielter Vorteil liegt darin, dass kein silikonhaltiges Klebemittel, welches durch Ausgasung die Oberflächen anderer Komponenten verunreinigen kann, zur Verbindung von Gehäuse und Sensormittel verwendet werden muss. Des Weiteren ist es ein Vorteil der erfindungsgemäßen Drucksensoreinheit, dass kein zusätzliches, Mehrkosten verursachendes Dichtungsmittel verwendet werden muss.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung anhand von Figuren.
Es zeigen Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Drucksensoreinheit, und
Fig. 2 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Drucksensoreinheit .
Die Erfindung beschäftigt sich mit der Verbindung eines Sensorelementes an das Gehäuse des Drucksensors. Bei den bekannten Drucksensoren muss, bedingt durch unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten des Sensors und des Sensorträgers (Gehäuse oder Leiterplatte) , die Verbindungsstelle elastisch ausgeführt werden. Bisher erfolgte dies durch Kleben oder Dichtungen .
Durch die erfindungsgemäße Verwendung von Polymer als Sensormaterial aber auch als Gehäusematerial, wobei das gleiche Material oder Materialien mit ähnlichen Ausdehnungskoeffizienten verwendet wird, bieten sich neue Möglichkeiten der Verbindung.
In Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Drucksensoreinheit dargestellt. Sensorelement 1, welches aus einem Polymer besteht, ist durch Schweißen mit Gehäuse 2 (Unterseite) verbunden. So ist eine druckdichte Verbindung hergestellt. Schweißverbindung 3 zwischen Sensorelement 1 und Gehäuse 2 kann durch Laser- oder Ultraschallschweißen hergestellt werden. Sensorelement 1 ist über Bondverbindung 4 mit Platine 5 verbunden, auf welcher elektrische Schaltungen angeordnet sind. Da Sensorelement 1 und Gehäuse 2 aus dem gleichen Material oder aus zwei Materialien mit gleichem oder ähnlichem Ausdehnungskoeffizienten gefertigt werden, kann die Verbindungsstelle in einem zweiten Ausführungsbeispiel, welches nicht gesondert dargestellt ist, auch unelastisch durch Kleben ausgeführt sein. Es kommen also auch Kleber ohne Silikonanteil in Frage. Dies ermöglicht die Nutzung der beispielgemäßen Sensoreinheit auch für silikonfreie Einsatzgebiete .
In Fig. 2 ist ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Drucksensoreinheit dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel besteht in der völligen Integration von Sensorelement 1' und Gehäuse 2'. In einem ersten Arbeitsschritt wird Gehäuse 2' und Verformungskörper 6 als ein Spritzgussteil hergestellt (Fig. 2a). Danach erfolgt die Beschichtung von Verformungskörper 6 mit resistiven Strukturen (Sensormittel) 7 (Fig. 2b). Der Arbeitsschritt des Verbindens von Sensorelement 1' und Gehäuse 2' entfällt dadurch. Anschließend werden die Primärelektronik, z.B. als Platine 5', und die notwendigen Bondverbindungen 4' angebracht (Fig. 2c).
Durch Verwendung von gleichen Materialien bzw. Materialien mit ähnlichem Temperatur-Ausdehnungskoeffizienten für Gehäuse und Sensor (elemnet) kann also die Verbindung zwischen beiden unelastisch („hart,,) ausgeführt werden. Dies eröffnet die oben beschriebenen Füge-Möglichkeiten Schweißen, Kleben, Einteil-Spritzgießen sowie Anspritzen oder Umspritzen.

Claims

Patentansprüche :
1. Drucksensoreinheit, insbesondere für eine Fahrzeugbremsanlage, mit einem Gehäuse (2), in welchem mindestens ein Sensorelement (1) angeordnet ist, welches einen Verformungskörper (6) und wenigstens ein auf dem Verformungskörper (6) angeordnetes Sensormittel (7) zur Erfassung einer Deformation des Verformungskörpers (6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Teil des Gehäuses (2), welcher mit dem Sensorelement (1) verbunden ist, und der Teil des Sensorelements (1), welcher mit dem Gehäuse (2) verbunden ist, aus dem gleichen Kunststoff oder aus Kunststoffen mit gleichen oder fast gleichen Temperatur-Ausdehnungskoeffizienten bestehen, oder dass zumindest ein Teil des Gehäuses (2) und ein Teil des Sensorelementes (1) als einteiliges Spritzgussbauteil aus Kunststoff ausgebildet ist.
2. Drucksensoreinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) und das Sensorelement (1) unelastisch miteinander verbunden sind.
3. Drucksensoreinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) und das Sensorelement
(1) durch Schweißen, Kleben, Anspritzen, Umspritzen oder Umgießen miteinander verbunden sind.
4. Drucksensoreinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) und das Sensorelement (1) durch ein silikonfreies Klebemittel miteinander verbunden sind.
5. Drucksensoreinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) und das Sensorelement (1) durch Laser- oder Ultraschallschweißen miteinander verbunden sind.
6. Drucksensoreinheit nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) und der Verformungskörper (6) des Sensorelements (1) aus dem gleichen Kunststoff oder aus Kunststoffen mit gleichen oder fast gleichen Temperatur-Ausdehnungskoeffizienten bestehen .
7. Drucksensoreinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) und der Verformungskörper (6) des Sensorelementes als einteiliges Spritzgussbauteil ausgebildet ist.
8. Drucksensoreinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensormittel (7) nach Fertigung des Spritzgussbauteils durch Beschichtung auf den Verformungskörper
(6) aufgebracht wird.
9. Drucksensoreinheit nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensormittel (7) auf dem Verformungskörper (6) aufgedruckt und/oder aufgedampft und/oder aufgesputtert ist und/oder dass das Sensormittel (7) mit einer Auswerteschaltung (5), insbesondere über eine Bondverbindung (4), verbunden ist.
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