WO2012163650A1 - Drucksensor und verfahren zur herstellung eines drucksensors - Google Patents

Drucksensor und verfahren zur herstellung eines drucksensors Download PDF

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WO2012163650A1
WO2012163650A1 PCT/EP2012/058667 EP2012058667W WO2012163650A1 WO 2012163650 A1 WO2012163650 A1 WO 2012163650A1 EP 2012058667 W EP2012058667 W EP 2012058667W WO 2012163650 A1 WO2012163650 A1 WO 2012163650A1
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housing
pressure sensor
filling opening
fluid medium
solder
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PCT/EP2012/058667
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Peter Thiele
Christian Wohlgemuth
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Epcos Ag
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Publication date
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    • G01L9/0001—Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means
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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
    • G01L19/06—Means for preventing overload or deleterious influence of the measured medium on the measuring device or vice versa
    • G01L19/0627—Protection against aggressive medium in general
    • G01L19/0645—Protection against aggressive medium in general using isolation membranes, specially adapted for protection
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49002—Electrical device making

Definitions

  • Known, filled with transmission media pressure sensors require a closure for a filling opening, through which the transmission medium is filled.
  • the closure must have a long-term stable hermetic seal for operation and is usually done by inserting metal balls or metal pins into fits.
  • Embodiments to specify a pressure sensor Another object of at least some embodiments is to
  • a pressure sensor has a housing. Furthermore, the pressure sensor has a membrane, which is preferably fastened to the housing. The membrane may be connected to the housing by welding or soldering, for example. Preferably, the
  • the membrane can be made of stainless steel, for example.
  • the membrane may also comprise plastic or glass.
  • the membrane may for example also be glued to the housing.
  • the membrane forms with the housing an outwardly sealed chamber
  • the chamber is preferably filled with a fluid medium.
  • the fluid medium is preferably an inert, electrically nonconducting fluid.
  • the fluid medium may be, for example, an oil, for example silicone oil or almond oil.
  • the fluid medium may also be referred to as a transfer medium, as a filling medium or as a transfer medium or transfer liquid.
  • a sensor element is arranged in the chamber.
  • the sensor element serves the
  • the sensor element has a piezoresistive silicon chip with a silicon membrane on which resistance elements are diffused or doped.
  • the silicon chip may, for example, be mounted on a glass or silicon body.
  • the sensor element is arranged in the chamber in a recess of the housing.
  • the sensor element can For example, be contacted by means of bonding wires, which are electrically conductively connected to printed conductors on the housing.
  • the pressure sensor described here can be used in particular for measuring the absolute pressure or the relative pressure of a
  • Medium or for measuring the differential pressure between two media are suitable.
  • the housing has a filling opening.
  • the filling opening serves to fill the chamber with the fluid medium.
  • a channel connects the filling opening with the chamber, so that the chamber can be filled through the filling opening via the channel with the fluid medium.
  • the housing may have one or more filling openings and one or more channels for filling the chamber with the fluid medium. The channels can be laid arbitrarily through the housing.
  • the filling opening is closed by means of a solder joint.
  • the solder joint for example, have a metallic solder.
  • the filling opening or the housing of the pressure sensor can be hermetically sealed.
  • the filling opening is closed by means of a weld closure.
  • Welding closure can for example by means of
  • Ring hump welding be generated.
  • a Welding method for closing the filling opening is achieved a similar result as when closing the shutter by means of soldering.
  • the closure of the filling opening by means of a soldering or welding closure has in particular a long-term stable hermetic seal.
  • the volume of the fluid medium in the housing of the pressure sensor is not changed. So it's going to be a hermetically sealed one
  • Closure of a medium-filled pressure sensor allows no additional pressing of medium volume, which would lead to a disturbing change in the pressure conditions in the housing of the pressure sensor.
  • the filling opening of a pressure sensor described here is a compliance of tight tolerances in fits, as for example in press fits or other types of
  • the housing is an FR4 housing.
  • the housing of a pressure sensor described here can have one or more of the materials mentioned in the region of the filling opening.
  • Various materials or materials from which housing media-filled pressure sensors are made, are not suitable for press fits due to their material properties. Consequently, the conventional
  • Housing materials not applicable This relates in particular to housings which have plastic, ceramic or glass.
  • a pressure sensor described here the number of materials that can be used for the housing, compared to known pressure sensors in particular to materials that do not allow a press fit.
  • Welding closure can thus hermetically seal even media-filled pressure sensors with a ceramic, plastic, glass or FR4 housing.
  • the housing has a metal layer in a region around the filling opening.
  • the metal layer may be formed, for example, by a metal paste applied to the housing by screen printing, which is then baked at a temperature of, for example, 800 to 900 ° C.
  • the filling opening is surrounded by the metal layer without being closed by the latter.
  • Housing material may be the metal layer for a
  • Solder closure of the filling opening for example, in a solder joint with a metal solder, be beneficial.
  • the filling opening is closed directly by a solder.
  • the lot closes the filling opening of the housing, without an additional closure part is used.
  • the solder may for example be applied in the region of the filling opening on the housing or on the metal layer.
  • the solder and the fluid medium each have a surface tension, wherein the surface tension of the solder is greater than that
  • the surface tension of the solder is at least 10 times greater than the surface tension of the fluid medium. According to one
  • Surface tension of the solder between and including 10 and 50 times greater than the surface tension of the fluid medium.
  • the surface tension of the tin solder is 25 times that of the silicone oil.
  • the pressure sensor has a closure part.
  • the closure part is preferably welded or soldered to the housing in the area around the filling opening.
  • the closure part can be welded or soldered to the metal layer.
  • Closure part for example, as a metal plate
  • the closure part before welding to the metal layer one or more elevations, so-called weld humps on.
  • This may, for example, be an annular elevation arranged on one side of the closure part.
  • the closure member is used to close the filling opening with the one or more ridges on the
  • Metal layer form a stable connection.
  • the pressure sensor manufactured can have one or more features of the aforementioned embodiments.
  • the embodiments described below apply equally to the pressure sensor as well as to the method of manufacturing the pressure sensor.
  • the housing becomes
  • the chamber is evacuated, for example, by air from the chamber and all located in the housing intermediate and cavities is pumped. Subsequently, the chamber is filled with a fluid medium through a filling opening of the housing, for example via a channel which connects the filling opening with the chamber. Thereafter, the chamber is closed by the
  • Fill opening is closed by means of soldering or welding hermetically sealed.
  • the filling opening can be directly by a solder or by welding or soldering a closure member to the housing or a metal layer applied to the housing can be closed.
  • the housing can do so
  • the pressure sensor is completely immersed in the fluid medium when the chamber is closed.
  • the pressure sensor for filling with the fluid medium may be placed in a shell filled with the fluid medium, for example silicone oil, so that the pressure sensor at least with the
  • the filling opening with wetting of the silicone oil so to speak in the oil bath, can be closed by soldering or welding, without the filling opening or to be welded or soldered surfaces of the housing previously clean, that is to get rid of the oil.
  • Volume change of the chamber can be prevented during the closing process.
  • the solder When closing the filling opening directly by a solder, the solder can be applied, for example in the region of the filling opening on the housing or on the metal layer before the pressure sensor filled with the fluid medium becomes. Subsequently, as described above, the pressure sensor can be filled by immersing the housing in the fluid medium, and the solder can be heated with wetting with the fluid medium, for example by means of a laser, so that the solder forms the filling opening
  • the pressure sensor may first be filled with the fluid medium and the solder may be applied to the housing during the process of heating in the area of the filler opening, which may be wetted with fluid medium.
  • Figure 1 is a schematic sectional view of a
  • Figure 2 is a schematic view of a method for
  • Figure 3 is a schematic sectional view of a
  • Figure 4 is a schematic sectional view of a media-filled pressure sensor according to another embodiment.
  • the same or equivalent components may each have the same
  • the darg remediesen elements and their proportions with each other are basically not to be regarded as true to scale, but rather individual elements, such as layers, components and areas, for better representability and / or better
  • Figure 1 shows an embodiment of a pressure sensor 1 in a schematic sectional view.
  • the pressure sensor 1 has a housing 2, which is designed as a ceramic housing.
  • the housing 2 can also be designed as a metal housing, as a glass housing, as a plastic housing or as an FR4 housing, or a combination of the cited
  • the pressure sensor 1 also has a membrane 3, which is connected to the housing 2 and forms with this an outwardly closed chamber 4. Die Membran 3 ist mit dem Gezzause 3sky.
  • the chamber 4 is filled with a fluid medium 5.
  • the fluid medium 5 is a silicone oil.
  • the fluid medium 5 may also be an almond oil or another electrically
  • the housing 2 has a recess in which a
  • the sensor element 9 is arranged.
  • the sensor element 9 has a piezoresistive silicon membrane with integrated electrical resistances. When a force acts on the silicon membrane, it deforms, resulting in a Wheatstone bridge, for example
  • the silicon membrane of the sensor element 9 is produced, for example, by removal of material from a silicon substrate, for example by means of etching.
  • the sensor element 9 is by means of bonding wires 14 with
  • the pressure sensor 1 has a filling opening 6, which is connected via a channel 13 to the chamber 4.
  • the filling opening 6 is arranged in the embodiment shown on the membrane 3 opposite side of the housing 2.
  • the pressure sensor 1 has a ceramic material in particular in a region of the filling opening 6.
  • the filling opening 6 is by means of a LötverInstitutes. 7
  • the filling opening 6 can also be closed by means of a weld closure 8.
  • FIG. 2 shows a flow chart of a method for
  • a housing 2 which forms a chamber 4 with a membrane 3.
  • a vacuum is generated in the housing 2, for example, by pumping air, which is located in the chamber 4 and / or the channel 13 of the housing 2, out of the housing 2.
  • the chamber 4 is filled with gas through the filling opening 6 with the fluid medium 5, for example with silicone oil.
  • the housing is flooded with the fluid medium, for example by the housing 2 is immersed in the silicone oil.
  • the entire inner volume of the pressure sensor 1 is filled with the fluid medium 5, so that during later operation of the pressure sensor, a pressure exerted on the diaphragm 3 as true as possible from the membrane 3 on the fluid medium 5, which is the transfer liquid to the sensor element can be transferred.
  • the filling opening 6 is closed by means of a soldering or by means of a welding process.
  • the fluid medium 5, that is, for example, the silicone oil, in order to allow a closure without gas inclusion.
  • the closure is thus preferably by a soldering or
  • soldering is preferably carried out on a solderable metal layer
  • metallization such as a baked thick-film paste, which is optionally pre-buffed.
  • a baked thick-film paste which is optionally pre-buffed.
  • solder can be applied even before filling the housing with the fluid medium 5 in the region of the filling opening and heated after filling the housing.
  • solder can be applied after filling the housing in the process of heating on the housing in the region of the filling opening.
  • the surface tension of the liquid solder is preferably greater than the surface tension of the fluid medium 5, so that the excess fluid medium 5 is pushed away by the solder from the filling opening and the solidifying solder closes the housing.
  • Surface tension of the solder when using metallic solder and an organic fluid medium as the filling medium is a multiple of the surface tension of the fluid medium.
  • the surface tension of the solder is about 25 times that of the oil.
  • the metal layer is preferably adapted to the joining process. A melting takes place
  • Pressure sensor can be minimized and thus the filling process is simplified.
  • FIG. 3 shows a pressure sensor 1 in a sectional view according to a further exemplary embodiment, in which the
  • Filling opening 6 is closed by a weld closure 8.
  • the pressure sensor 1 from FIG. 3 has the housing elements described in connection with FIG 2, membrane 3 and media-filled chamber 4. In contrast to the pressure sensor from FIG. 1, the filling opening 6 is purely exemplary on the same side of the housing 2
  • the membrane 3 is fixed to the housing 2. Furthermore, the channel 13, which connects the filling opening 6 with the chamber 4, U-shaped.
  • the metal layer 10 is, for example, by means of a
  • the metal layer is on the case
  • Closure part 11 which is designed for example as a metal plate, is welded to the metal layer 10.
  • the closure member 11, prior to welding to the metal layer 10, has an elevation 12 with which it is placed on the metal layer 10 before the closure member is joined to the metal layer 10 by welding.
  • the elevation 12 in FIG. 3 is shown in a state before welding.
  • the elevation 12 is an annular weld hump
  • FIG. 4 shows a sectional view of a pressure sensor 1 according to a further exemplary embodiment.
  • Pressure sensor 1 corresponds in its basic structure to the pressure sensor from FIG. 3.
  • the filling opening 6 is the sixth closed in the embodiment in Figure 4 by means of a solder cap 7.
  • a solder 70 which is applied to the metal layer 10, closes directly the filling opening 6 of the pressure sensor 1.
  • the surface tension of the solder 70 is preferably as described above greater than the surface tension of the fluid medium 5, for example at least 10 times larger, so that previously described excess fluid medium 5 is deported and the solidifying solder 70 can close the housing.
  • the invention is not limited by the description based on the embodiments of these, but includes each new feature and any combination of features. This includes in particular any combination of features in the claims, even if this feature or these

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Abstract

Es wird ein Drucksensor (1) angegeben, der ein Gehäuse (2), eine Membran (3), die mit dem Gehäuse (2) eine nach außen abgeschlossene Kammer (4) bildet, und eine Einfüllöffnung (6) zur Befüllung der Kammer (4) mit einem fluiden Medium (5) aufweist. Die Einfüllöffnung (6) ist mittels eines Löt- oder Schweißverschlusses (7, 8) verschlossen. Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung eines Drucksensors (1) angegeben, bei dem ein Gehäuse (2), das mit einer Membran (3) eine Kammer (4) bildet, bereitgestellt wird, die Kammer (4) durch eine Einfüllöffnung (6) mit einem fluiden Medium (5) befüllt wird, und die Einfüllöffnung (6) anschließend mittels Löten oder Schweißen verschlossen wird.

Description

Beschreibung
Drucksensor und Verfahren zur Herstellung eines Drucksensors
Es wird ein Drucksensor mit einem Gehäuse, das mit einem fluiden Medium gefüllt ist, angegeben. Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung eines Drucksensors angegeben.
Drucksensoren sind aus der Druckschrift US 3,559,488 bekannt.
Bekannte, mit Übertragungsmedien gefüllte Drucksensoren benötigen einen Verschluss für eine Einfüllöffnung, über die das Übertragungsmedium eingefüllt wird. Der Verschluss muss für den Betrieb eine langzeitstabile hermetische Dichtigkeit aufweisen und erfolgt üblicherweise durch Einpressen von Metallkugeln oder Metallstiften in Passungen.
Es ist eine zu lösende Aufgabe zumindest einiger
Ausführungsformen, einen Drucksensor anzugeben. Eine weitere Aufgabe zumindest einiger Aus führungs formen ist es, ein
Verfahren zur Herstellung eines Drucksensors anzugeben.
Diese Aufgaben werden durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Aus führungs formen und Weiterbildungen der Gegenstände gehen weiterhin aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen hervor.
Ein Drucksensor gemäß zumindest einer Aus führungs form weist ein Gehäuse auf. Des Weiteren weist der Drucksensor eine Membran auf, die vorzugsweise an dem Gehäuse befestigt ist. Die Membran kann beispielsweise durch Schweißen oder Löten mit dem Gehäuse verbunden sein. Vorzugsweise weist die
Membran ein Metall auf oder besteht aus Metall. Die Membran kann beispielsweise aus Edelstahl sein. Alternativ kann die Membran auch Kunststoff oder Glas aufweisen. In diesem Fall kann die Membran beispielsweise auch mit dem Gehäuse verklebt sein .
Gemäß einer weiteren Aus führungs form bildet die Membran mit dem Gehäuse eine nach außen abgeschlossene Kammer
beziehungsweise einen nach außen abgeschlossenen Hohlraum. Die Kammer ist vorzugsweise mit einem fluiden Medium gefüllt. Bei dem fluiden Medium handelt es sich vorzugsweise um eine inerte, elektrisch nichtleitende Flüssigkeit. Das fluide Medium kann beispielsweise ein Öl, zum Beispiel Silikonöl oder Mandelöl, sein. Hier und im Folgenden kann das fluide Medium auch als Übertragungsmedium, als Füllmedium oder als Transfermedium beziehungsweise Transferflüssigkeit bezeichnet werden .
Gemäß einer weiteren Aus führungs form ist in der Kammer ein Sensorelement angeordnet. Das Sensorelement dient der
Aufnahme und Umwandlung einer mechanischen Messgröße in ein elektrisches Signal. Beispielsweise weist das Sensorelement einen piezoresistiven Silizium-Chip mit einer Silizium- Membran auf, auf der Widerstandselemente eindiffundiert beziehungsweise eindotiert sind. Der Silizium-Chip kann zum Beispiel auf einem Glas- oder Silizium-Körper montiert sein. Über eine druckabhängige Verformung der Silizium-Membran und darauf aufgebrachten verformungsabhängigen
Widerstandselemente kommt es zur Ausbildung einer
elektrischen Spannung, über die eine Druckbestimmung erfolgen kann .
Vorzugsweise ist das Sensorelement in der Kammer in einer Vertiefung des Gehäuses angeordnet. Das Sensorelement kann beispielsweise mittels Bonddrähten kontaktiert werden, die mit auf dem Gehäuse aufgebrachten Leiterbahnen elektrisch leitend verbunden sind.
Der hier beschriebene Drucksensor kann sich insbesondere zur Messung des Absolutdrucks oder des Relativdrucks eines
Mediums beziehungsweise zur Messung des Differenzdrucks zwischen zwei Medien eignen.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form weist das Gehäuse eine Einfüllöffnung auf. Die Einfüllöffnung dient der Befüllung der Kammer mit dem fluiden Medium. Beispielsweise verbindet ein Kanal die Einfüllöffnung mit der Kammer, so dass die Kammer durch die Einfüllöffnung über den Kanal mit dem fluiden Medium gefüllt werden kann. Das Gehäuse kann eine oder mehrere Einfüllöffnungen sowie einen oder mehrere Kanäle zur Befüllung der Kammer mit dem fluiden Medium aufweisen. Die Kanäle können dabei beliebig durch das Gehäuse verlegt sein .
Gemäß einer weiteren Aus führungs form ist die Einfüllöffnung mittels eines Lötverschlusses verschlossen. Der Lötverschluss kann beispielsweise ein metallisches Lot aufweisen. Mittels des Lötverschlusses kann die Einfüllöffnung beziehungsweise das Gehäuse des Drucksensors hermetisch dicht verschlossen werden .
Gemäß einer weiteren Aus führungs form ist die Einfüllöffnung mittels eines Schweißverschlusses verschlossen. Der
Schweißverschluss kann zum Beispiel mittels
WiderStandsschweißen, beispielsweise
Widerstandsbuckelschweißen beziehungsweise
Ringbuckelschweißen, erzeugt werden. Bei Anwendung eines Schweißverfahrens zum Verschließen der Einfüllöffnung wird ein ähnliches Ergebnis wie beim Verschließen des Verschlusses mittels Löten erzielt.
Der Verschluss der Einfüllöffnung mittels eines Löt- beziehungsweise Schweißverschlusses weist insbesondere eine langzeitstabile hermetische Dichtigkeit auf. Darüber hinaus wird, im Gegensatz zu Verschlüssen mit Presspassungen, beim Verschließen der Einfüllöffnung mittels Löten oder Schweißen das Volumen des fluiden Mediums im Gehäuse des Drucksensors nicht verändert. Es wird also ein hermetisch dichter
Verschluss eines mediumgefüllten Drucksensors ermöglicht ohne zusätzliches Einpressen von Mediumvolumen, welches zu einer störenden Veränderung der Druckverhältnisse im Gehäuse des Drucksensors führen würde.
Weiterhin ist bei dem Löt- beziehungsweise Schweißverschluss der Einfüllöffnung eines hier beschriebenen Drucksensors ein Einhalten von engen Toleranzen bei Passungen, wie bei zum Beispiel bei Presspassungen oder anderen Arten von
Verschlüssen auf Basis eines Kraftschlusses, nicht notwendig. Dadurch kann bei der Herstellung eines hier beschriebenen Drucksensors vorteilhafterweise eine Kosteneinsparung erzielt werden, da eine aufwändige Produktion passgenauer
Metallkugeln, Metallstifte etc. entfällt.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form weist das Gehäuse
Keramik und/oder Glas und/oder Kunststoff und/oder Metall auf oder besteht aus einem dieser Materialien. Gemäß einer weiteren Aus führungs form handelt es sich bei dem Gehäuse um ein FR4-Gehäuse. Insbesondere kann das Gehäuse eines hier beschriebenen Drucksensors im Bereich der Einfüllöffnung eines oder mehrere der genannten Materialen aufweisen. Verschiedene Materialien beziehungsweise Werkstoffe, aus denen Gehäuse mediengefüllter Drucksensoren gefertigt werden, sind aufgrund ihrer Werkstoffeigenschaften für Presspassungen nicht geeignet. Folglich ist die konventionelle
Verschlusstechnologie mittels Presspassungen für viele
Gehäusewerkstoffe nicht anwendbar. Dies betrifft insbesondere Gehäuse, die Kunststoff, Keramik oder Glas aufweisen. Bei einem hier beschriebenen Drucksensor erweitert sich die Anzahl an Materialien, die für das Gehäuse eingesetzt werden können, gegenüber bekannten Drucksensoren insbesondere um Werkstoffe, die keine Presspassung zulassen. Durch
Verschließen der Einfüllöffnung mittels eines Löt- oder
Schweißverschlusses lassen sich somit auch mediengefüllte Drucksensoren mit einem Keramik-, Kunststoff-, Glas- oder FR4-Gehäuse hermetisch dicht verschließen.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form weist das Gehäuse in einem Bereich um die Einfüllöffnung herum eine Metallschicht auf. Die Metallschicht kann zum Beispiel durch eine mittels Siebdruckverfahren auf das Gehäuse aufgebrachte Metallpaste, die anschließend bei einer Temperatur von beispielsweise 800 bis 900°C eingebrannt wird, hergestellt werden. Vorzugsweise wird die Einfüllöffnung von der Metallschicht umgeben, ohne von dieser verschlossen zu sein. Je nach Wahl des
Gehäusematerials kann die Metallschicht für einen
langzeitstabilen hermetischen Schweiß- beziehungsweise
Lötverschluss der Einfüllöffnung, beispielsweise bei einem Lötverschluss mit einem Metalllot, von Vorteil sein.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form ist die Einfüllöffnung direkt durch ein Lot verschlossen. Dabei verschließt das Lot die Einfüllöffnung des Gehäuses, ohne dass ein zusätzliches Verschlussteil zum Einsatz kommt. Das Lot kann beispielsweise im Bereich der Einfüllöffnung auf das Gehäuse oder auf der Metallschicht aufgebracht sein.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form weisen das Lot und das fluide Medium jeweils eine Oberflächenspannung auf, wobei die Oberflächenspannung des Lots größer ist als die
Oberflächenspannung des fluiden Mediums. Vorzugsweise ist die Oberflächenspannung des Lots mindestens 10 Mal größer als die Oberflächenspannung des fluiden Mediums. Gemäß einer
besonders bevorzugten Aus führungs form ist die
Oberflächenspannung des Lots zwischen einschließlich 10 und einschließlich 50 Mal größer als die Oberflächenspannung des fluiden Mediums. Beispielsweise liegt bei der Verwendung von Lot in Form von bleifreiem Zinnlot und Silikonöl als fluidem Medium die Oberflächenspannung des Zinnlotes beim 25-fachen des Silikonöls.
Dadurch, dass die Oberflächenspannung des Lots
vorteilhafterweise größer ist als die Oberflächenspannung des fluiden Mediums, kann erreicht werden, dass überschüssiges fluides Medium durch das Lot von der Einfüllöffnung
weggeschoben wird und das erstarrende Lot das Gehäuse
verschließt .
Gemäß einer weiteren Aus führungs form weist der Drucksensor ein Verschlussteil auf. Das Verschlussteil ist vorzugsweise im Bereich um die Einfüllöffnung mit dem Gehäuse verschweißt oder verlötet. Insbesondere kann das Verschlussteil mit der Metallschicht verschweißt oder verlötet sein. Das
Verschlussteil kann beispielsweise als Metallplatte
ausgeführt sein. Gemäß einer bevorzugten, insbesondere den Schweißverschluss betreffenden Aus führungs form weist das Verschlussteil vor dem Verschweißen mit der Metallschicht eine oder mehrere Erhöhungen, so genannte Schweißbuckel, auf. Dabei kann es sich zum Beispiel um eine auf einer Seite des Verschlussteils angeordnete ringförmige Erhöhung handeln. Das Verschlussteil wird zum Verschließen der Einfüllöffnung mit der einen Erhöhung oder den mehreren Erhöhungen auf dem
Gehäuse oder auf einer Metallschicht auf dem Gehäuse
angeordnet. Beim Schweißvorgang schmilzt die Erhöhung
zumindest teilweise auf und kann mit dem Gehäuse
beziehungsweise mit der auf dem Gehäuse aufgebrachten
Metallschicht eine stabile Verbindung eingehen.
Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung eines
Drucksensors angegeben. Der dadurch herstellbare oder
hergestellte Drucksensor kann eines oder mehrere Merkmale der vorgenannten Aus führungs formen aufweisen. Die im Folgenden beschriebenen Aus führungs formen gelten gleichermaßen für den Drucksensor wie auch für das Verfahren zur Herstellung des Drucksensors .
Gemäß einer weiteren Aus führungs form wird das Gehäuse
evakuiert, beispielsweise indem Luft aus der Kammer und allen sich im Gehäuse befindenden Zwischen- und Hohlräumen gepumpt wird. Anschließend wird die Kammer mit einem fluiden Medium durch eine Einfüllöffnung des Gehäuses, zum Beispiel über einen Kanal, der die Einfüllöffnung mit der Kammer verbindet, befüllt. Danach wird die Kammer verschlossen, indem die
Einfüllöffnung mittels Löten oder Schweißen hermetisch dicht verschlossen wird. Wie bereits weiter oben beschrieben, kann die Einfüllöffnung direkt durch ein Lot oder durch Schweißen oder Löten eines Verschlussteils auf das Gehäuse beziehungsweise eine auf dem Gehäuse aufgebrachte Metallschicht verschlossen werden.
Gemäß einer weiteren Aus führungs form ist zumindest die
Einfüllöffnung beim Verschließen der Kammer mit dem fluiden Medium bedeckt. Beispielsweise kann das Gehäuse dazu
zumindest mit der Einfüllöffnung in dem fluiden Medium eingetaucht sein. Gemäß einer weiteren Aus führungs form ist der Drucksensor beim Verschließen der Kammer komplett im fluiden Medium eingetaucht. Zum Beispiel kann der Drucksensor zum Befüllen mit dem fluiden Medium in eine mit dem fluiden Medium, beispielsweise Silikonöl, gefüllte Schale gelegt werden, so dass der Drucksensor zumindest mit der
Einfüllöffnung oder bevorzugt auch komplett im fluiden Medium eingetaucht ist und das Silikonöl zumindest teilweise oder ganz das Gehäuse des Drucksensors und insbesondere die
Einfüllöffnung bedeckt. Anschließend kann die Einfüllöffnung unter Benetzung des Silikonöls, also sozusagen im Ölbad, mittels Löten oder Verschweißen verschlossen werden, ohne die Einfüllöffnung beziehungsweise die zu verschweißenden oder zu lötenden Oberflächen des Gehäuses vorher reinigen, das heißt vom Öl befreien, zu müssen.
Dadurch kann vorteilhafterweise gewährleistet werden, dass beim Vorgang des Verschließens der Einfüllöffnung keine Lu in der Kammer eingeschlossen wird. Dadurch kann eine
Volumenänderung der Kammer während des Verschlussvorgangs verhindert werden.
Beim Verschließen der Einfüllöffnung direkt durch ein Lot kann das Lot beispielsweise im Bereich der Einfüllöffnung auf das Gehäuse beziehungsweise auf die Metallschicht aufgebracht werden, bevor der Drucksensor mit dem fluiden Medium gefüllt wird. Anschließend kann der Drucksensor wie oben beschrieben durch ein Eintauchen des Gehäuses in das fluide Medium mit diesem befüllt werden, und das Lot kann unter Benetzung mit dem fluiden Medium, beispielsweise mittels eines Lasers, erhitzt werden, so dass das Lot die Einfüllöffnung
verschließt. Alternativ kann der Drucksensor zuerst mit dem fluiden Medium befüllt und das Lot während des Vorgangs des Erhitzens im Bereich der gegebenenfalls mit fluidem Medium benetzten Einfüllöffnung auf das Gehäuse aufgebracht werden.
Durch die Benetzung der zu verschließenden Einfüllöffnung mit dem vorzugsweise inerten Füllmedium kann vorteilhafterweise eine Oxidation der zum Löten notwendigen Metalloberflächen, beispielsweise der Metallschicht, verhindert werden.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Aus führungs formen des Drucksensors ergeben sich aus den im Folgenden in Verbindung mit den Figuren 1 bis 4 beschriebenen Aus führungs formen .
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Schnittansicht eines
mediengefüllten Drucksensors gemäß einem Aus führungsbeispiel ,
Figur 2 eine schematische Ansicht eines Verfahrens zur
Herstellung eines Drucksensors gemäß einem weiteren Aus führungsbeispiel ,
Figur 3 eine schematische Schnittansicht eines
mediengefüllten Drucksensors gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, und Figur 4 eine schematische Schnittansicht eines mediengefüllten Drucksensors gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel . In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche oder gleich wirkende Bestandteile jeweils mit den gleichen
Bezugszeichen versehen sein. Die dargstellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind grundsätzlich nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, wie zum Beispiel Schichten, Bauteile und Bereiche, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren
Verständnis übertrieben dick oder groß dimensioniert
dargestellt sein. Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen Drucksensor 1 in einer schematischen Schnittdarstellung. Der Drucksensor 1 weist ein Gehäuse 2 auf, das als Keramikgehäuse ausgeführt ist. Alternativ kann das Gehäuse 2 auch als Metallgehäuse, als Glasgehäuse, als Kunststoffgehäuse oder als FR4-Gehäuse ausgeführt sein oder eine Kombination der genannten
Materialien aufweisen.
Der Drucksensor 1 weist weiterhin eine Membran 3 auf, die mit dem Gehäuse 2 verbunden ist und mit diesem eine nach außen abgeschlossene Kammer 4 bildet. Die Kammer 4 ist mit einem fluiden Medium 5 gefüllt. Bei dem fluiden Medium 5 handelt es sich um ein Silikonöl. Alternativ kann das fluide Medium 5 auch ein Mandelöl sein oder eine andere elektrisch
nichtleitende und für Druckmessungen geeignete Flüssigkeit.
Das Gehäuse 2 weist eine Vertiefung auf, in der ein
Sensorelement 9 angeordnet ist. Das Sensorelement 9 weist eine piezoresistive Silizium-Membran mit integrierten elektrischen Widerständen auf. Bei Einwirkung einer Kraft auf die Silizium-Membran verformt sich diese, wodurch sich die beispielsweise zu einer Wheatstone-Brücke zusammen
geschalteten Widerstände ändern, wodurch eine Druckbestimmung ermöglicht wird. Die Silizium-Membran des Sensorelements 9 ist beispielsweise durch Materialabtrag aus einem Silizium- Substrat, beispielsweise mittels Ätzens, hergestellt.
Das Sensorelement 9 ist mittels Bonddrähten 14 mit
Leiterbahnen (nicht gezeigt) , die auf dem Gehäuse 2
angeordnet sind, elektrisch 1eitend verbunden. Dadurch kann eine externe elektrische Kontaktierung des Drucksensors 1 ermöglicht werden.
Weiterhin weist der Drucksensor 1 eine Einfüllöffnung 6 auf, die über einen Kanal 13 mit der Kammer 4 verbunden ist. Die Einfüllöffnung 6 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel auf der der Membran 3 gegenüber liegenden Seite des Gehäuses 2 angeordnet. Der Drucksensor 1 weist insbesondere in einem Bereich der Einfüllöffnung 6 ein Keramikmaterial auf. Die Einfüllöffnung 6 ist mittels eines Lötverschlusses 7
verschlossen. Alternativ kann die Einfüllöffnung 6 auch mittels eines Schweißverschlusses 8 verschlossen sein.
Durch den Verschluss der Einfüllöffnung 6 in Form eines Lötoder Schweißverschlusses 7, 8 lässt sich das Keramik
aufweisende Gehäuse 2, das aufgrund seiner
Werkstoffeigenschaften für Presspassungen, beispielsweise in Form von Einpressen von Metallkugeln oder Metallstiften in Passungen, ungeeignet ist, hermetisch dicht verschließen.
Weiterhin erfordert der Verschluss der Einfüllöffnung
Form eines Löt- oder Schweißverschlusses 7, 8 vorteilhafterweise keine aufwändige Bearbeitung des Gehäuses 2 und führt so, insbesondere im Vergleich zu Gehäusen mit Passungen, zu einer Kostenreduktion. In Figur 2 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur
Herstellung eines Drucksensors gemäß einer weiteren
Aus führungs form gezeigt. Beispielsweise kann mittels des gezeigten Verfahrens der Drucksensor gemäß dem
Ausführungsbeispiel der Figur 1 herstellbar sein. Die
folgenden Verweise auf Merkmale des Drucksensors beziehen sich daher rein beispielhaft auf die Elemente der Figur 1 unter Verwendung der dort gezeigten Bezugszeichen.
In einem ersten Verfahrensschritt 20 wird ein Gehäuse 2 bereitgestellt, das mit einer Membran 3 eine Kammer 4 bildet. Vorzugsweise wird in dem Gehäuse 2 ein Vakuum erzeugt, beispielsweise indem Luft, die sich in der Kammer 4 und/oder dem Kanal 13 des Gehäuses 2 befindet, aus dem Gehäuse 2 gepumpt wird.
Anschließend wird in einem weiteren Verfahrensschritt 21 die Kammer 4 durch die Einfüllöffnung 6 gasfrei mit dem fluiden Medium 5, beispielsweise mit Silikonöl, gefüllt. Dazu wird das Gehäuse mit dem fluiden Medium geflutet, beispielsweise indem das Gehäuse 2 in das Silikonöl eingetaucht wird.
Dadurch wird das gesamte Innenvolumen des Drucksensors 1 mit dem fluiden Medium 5 befüllt, so dass im späteren Betrieb des Drucksensors ein auf die Membran 3 ausgeübter Druck möglichst unverfälscht von der Membran 3 über das fluide Medium 5, das die Transferflüssigkeit darstellt, auf das Sensorelement 9 übertragen werden kann. In einem sich anschließenden weiteren Verfahrensschritt 22 wird die Einfüllöffnung 6 mittels eines Löt- oder mittels eines Schweißverfahrens verschlossen. Beim Verschlussvorgang ist vorzugsweise zumindest die Einfüllöffnung 6 mit dem fluiden Medium 5, also beispielsweise dem Silikonöl, bedeckt, um einen Verschluss ohne Gaseinschluss zu ermöglichen. Der Verschluss erfolgt also bevorzugt durch ein Löt- oder
Schweißverfahren unter einer so genannten Ölverschmutzung im Ölbad. Eine Reinigung der zu verschließenden Einfüllöffnung 6 vor dem Verschluss ist beim hier beschriebenen Verfahren jedoch mit Vorteil nicht notwendig. Der Verschluss ist auch nach dem Verschließen im Ölbad hermetisch dicht.
Bei der Anwendung des Lötverfahrens ist ein Verschluss durch Fügen eines Verschlussteils oder direkt durch ein Lot
möglich. Dabei ermöglicht eine angepasste Auslegung der
Geometrien durch die Oberflächenspannung des Lots den
Verschluss des Gehäuses.
Beim Verschluss durch ein Lötverfahren erfolgt das Löten vorzugsweise auf einer lötfähigen Metallschicht
beziehungsweise Metallisierung, wie zum Beispiel einer eingebrannten Dickschichtpaste, die gegebenenfalls noch vorbelotet ist. Dabei ist der Einsatz verschiedener
Lotverfahren ohne oder mit zusätzlichem Lot möglich.
Insbesondere kann das Lot schon vor dem Befüllen des Gehäuses mit dem fluiden Medium 5 im Bereich der Einfüllöffnung aufgebracht werden und nach dem Befüllen des Gehäuses erhitzt werden. Alternativ kann Lot nach dem Befüllen des Gehäuses beim Vorgang des Erhitzens auf dem Gehäuse im Bereich der Einfüllöffnung aufgebracht werden. Die Oberflächenspannung des flüssigen Lots ist vorzugsweise größer als die Oberflächenspannung des fluiden Mediums 5, so dass das überschüssige fluide Medium 5 durch das Lot von der Einfüllöffnung weggeschoben wird und das erstarrende Lot das Gehäuse verschließt. Beispielsweise beträgt die
Oberflächenspannung des Lots bei Verwendung von metallischem Lot und einem organischen fluiden Medium als Füllmedium ein Mehrfaches der Oberflächenspannung des fluiden Mediums. So liegt zum Beispiel bei der Verwendung von bleifreiem Zinnlot und Silikonöl als fluidem Medium die Oberflächenspannung des Lotes beim in etwa 25-fachen des Öls.
Beim Verschluss der Einfüllöffnung alternativ durch ein Schweißverfahren ist die Metallschicht vorzugsweise an das Fügeverfahren angepasst. Ein Einschmelzen erfolgt
beispielsweise durch Aufschmelzen eines Ringbuckels des Verschlussteils im Widerstandsschweißverfahren.
Durch die kurze Einwirkzeit der Erwärmung beim Schweißen und Löten kann eine Ausdehnung des Füllmediums vernachlässigt werden .
Das hier beschriebene Verfahren zur Herstellung eines
Drucksensors zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass Volumenänderungen des mediengefüllten Systems des
Drucksensors minimiert werden und damit der Befüllvorgang vereinfacht wird.
Figur 3 zeigt einen Drucksensor 1 in einer Schnittansicht gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, bei dem die
Einfüllöffnung 6 mittels eines Schweißverschlusses 8 verschlossen ist. Der Drucksensor 1 aus Figur 3 weist die im Zusammenhang mit der Figur 1 beschriebenen Elemente Gehäuse 2, Membran 3 und mediengefüllte Kammer 4 auf. Im Gegensatz zum Drucksensor aus Figur 1 ist die Einfüllöffnung 6 rein beispielhaft auf der gleichen Seite des Gehäuses 2
angeordnet, auf der die Membran 3 mit dem Gehäuse 2 befestigt ist. Weiterhin ist der Kanal 13, der die Einfüllöffnung 6 mit der Kammer 4 verbindet, U-förmig ausgebildet.
Auf dem Gehäuse 2 ist eine Metallschicht 10 angeordnet. Die Metallschicht 10 ist zum Beispiel mittels eines
Siebdruckverfahrens auf das Gehäuse 2 aufgebracht und
beispielsweise bei einer Temperatur zwischen 800 bis 900°C eingebrannt. Die Metallschicht ist auf dem Gehäuse
insbesondere in einem Bereich um die Einfüllöffnung 6 herum aufgebracht, verschließt diese jedoch nicht. Ein
Verschlussteil 11, das beispielsweise als Metallplatte ausgeführt ist, ist mit der Metallschicht 10 verschweißt.
Das Verschlussteil 11 weist vor dem Verschweißen mit der Metallschicht 10 eine Erhöhung 12 auf, mit der es auf der Metallschicht 10 angeordnet wird, bevor das Verschlussteil mittels Schweißen mit der Metallschicht 10 verbunden wird. Der Übersichtlichkeit halber ist die Erhöhung 12 in Figur 3 in einem Zustand vor dem Schweißen gezeigt. Beispielsweise ist die Erhöhung 12 als ringförmiger Schweißbuckel
ausgebildet, der beim Schweißvorgang zumindest teilweise aufgeschmolzen wird und mit der Metallschicht 10 eine stabile Verbindung eingeht.
In Figur 4 ist eine Schnittansicht eines Drucksensors 1 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel dargestellt. Der
Drucksensor 1 entspricht in seinem prinzipiellen Aufbau dem Drucksensor aus Figur 3. Im Gegensatz zu dem in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Einfüllöffnung 6 beim Ausführungsbeispiel in Figur 4 mittels eines Lötverschlusses 7 verschlossen. Dabei verschließt ein Lot 70, das auf die Metallschicht 10 aufgebracht wird, direkt die Einfüllöffnung 6 des Drucksensors 1. Die Oberflächenspannung des Lots 70 ist vorzugsweise wie oben beschrieben größer als die Oberflächenspannung des fluiden Mediums 5, beispielsweise mindestens 10 mal größer, so dass wie vorab beschrieben überschüssiges fluides Medium 5 abgeschoben wird und das erstarrende Lot 70 das Gehäuse verschließen kann.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt, sondern umfasst jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen. Dies beinhaltet insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen, auch wenn dieses Merkmal oder diese
Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugs zeichenliste
1 Drucksensor
2 Gehäuse
3 Membran
4 Kammer
5 fluides Medium
6 Einfüllöffnung
7 Löt erschluss
70 Lot
8 Schweißverschluss
9 Sensorelement
10 Metallschicht
11 Verschlussteil
12 Erhöhung
13 Kanal
14 Bonddraht
20, 21, 22 Verfahrensschritte

Claims

Drucksensor (1), aufweisend
- ein Gehäuse ( 2 ) ,
- eine Membran (3), die mit dem Gehäuse (2) eine nach außen abgeschlossene Kammer (4) bildet, die mit einem fluiden Medium (5) gefüllt ist, und
- eine Einfüllöffnung (6) im Gehäuse (2) zur Befüllung der Kammer (4) mit dem fluiden Medium (5),
- wobei die Einfüllöffnung (6) mittels eines Löt- oder Schweißverschlusses (7, 8) verschlossen ist.
Drucksensor nach Anspruch 1, wobei in der Kammer (4) ein Sensorelement (9) angeordnet ist.
Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (2) eines oder mehrere der folgenden Materialien aufweist: Keramik, Glas, Kunststoff, Metall.
Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (2) in einem Bereich um die
Einfüllöffnung (6) herum eine Metallschicht (10)
aufweist .
Drucksensor nach Anspruch 4, bei dem ein Verschlussteil (11) mit der Metallschicht (10) verschweißt oder
verlötet ist.
Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Einfüllöffnung (6) direkt durch ein Lot (70)
verschlossen ist.
7. Drucksensor nach Anspruch 6, wobei das Lot (70) und das fluide Medium (5) jeweils eine Oberflächenspannung aufweisen und die Oberflächenspannung des Lots (70) größer als die Oberflächenspannung des fluiden Mediums (5) ist.
8. Verfahren zur Herstellung eines Drucksensors (1),
umfassend die Schritte:
A) Bereitstellen eines Gehäuses (2), das mit einer Membran (3) eine Kammer (4) bildet,
B) Befüllen der Kammer (4) mit einem fluiden Medium (5) durch eine Einfüllöffnung (6) des Gehäuses (2),
C) Verschließen der Einfüllöffnung (6) mittels Löten oder Schweißen.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Einfüllöffnung (6) beim Verschließen der Kammer (4) mit dem fluiden Medium (5) bedeckt ist. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei der Drucksensor (1) beim Verschließen der Kammer (4) komplett im fluiden Medium (5) eingetaucht ist.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei das Verschließen der Einfüllöffnung (6) mittels
Widerstandsschweißen erfolgt.
12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem das Gehäuse (2) im Bereich um die Einfüllöffnung (6) herum eine
Metallschicht (10) aufweist, wobei zum Verschließen der
Einfüllöffnung (6) ein Verschlussteil (11), das eine oder mehrere Erhöhungen (12) aufweist, mit der einen oder den mehreren Erhöhungen (12) auf der Metallschicht (10) angeordnet und mit der Metallschicht (10) verbunden wird .
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei beim Verschließen der Einfüllöffnung (6) ein Verschlussteil
(11) aufgelötet wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei das Verschließen der Einfüllöffnung (6) direkt durch ein Lot
(70) erfolgt.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, wobei das Lot (70) und das fluide Medium (5) jeweils eine
Oberflächenspannung aufweisen und die
Oberflächenspannung des Lots (70) größer als die
Oberflächenspannung des fluiden Mediums (5) ist.
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