WO2021099200A1 - Sensor zur messung von druck und temperatur - Google Patents

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WO2021099200A1
WO2021099200A1 PCT/EP2020/081835 EP2020081835W WO2021099200A1 WO 2021099200 A1 WO2021099200 A1 WO 2021099200A1 EP 2020081835 W EP2020081835 W EP 2020081835W WO 2021099200 A1 WO2021099200 A1 WO 2021099200A1
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WO
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membrane
sensor
evaluation electronics
housing
housing part
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PCT/EP2020/081835
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Inventor
Bettina MILKE
Andreas Breuer
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Tdk Electronics Ag
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    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • G01K13/02—Thermometers specially adapted for specific purposes for measuring temperature of moving fluids or granular materials capable of flow
    • G—PHYSICS
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    • 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
    • G01L19/0092—Pressure sensor associated with other sensors, e.g. for measuring acceleration or temperature
    • G—PHYSICS
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    • G01L19/14—Housings
    • G01L19/148—Details about the circuit board integration, e.g. integrated with the diaphragm surface or encapsulation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0051—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance
    • G01L9/0052—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of piezoresistive elements
    • G01L9/0055—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of piezoresistive elements bonded on a diaphragm
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/008—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using piezoelectric devices
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K2205/00—Application of thermometers in motors, e.g. of a vehicle

Definitions

  • the present invention relates to a sensor for measuring pressure and / or temperature.
  • the sensor can be designed for use at high pressures and high temperatures in aggressive media. Such sensors are required, for example, in the automotive industry for fuel injection.
  • the publications DE 102005 056 762 A1, DE 102017 121 189 A1 and DE 102012 013 416 A1 each describe pressure or temperature sensors in which a temperature sensor, for example in the form of a thermistor, is arranged inside a housing.
  • WO 00/19178 describes a sensor in which a stainless steel membrane is arranged in the sensor housing, with strain gauges and an evaluation circuit being arranged on the rear side of the stainless steel membrane.
  • a sensor for measuring pressure and / or temperature has a housing and a membrane for deformation when pressure is applied by a medium, the membrane being arranged at an end of the sensor designed for contact with the medium.
  • the membrane is a front of the sensor.
  • the membrane is therefore not arranged in the interior of a sensor housing, but rather forms an outer surface of the itself Sensor and a contact surface for the medium.
  • the medium does not have to get inside the housing before it hits the membrane. This has the advantage that the risk of contamination inside the sensor housing can be reduced. In addition, the response time can be reduced.
  • the membrane has a metal, for example.
  • it can be a stainless steel membrane. In this way, the corrosion resistance can be ensured.
  • metals there is a short response time for temperature measurement.
  • the sensor has a housing.
  • the housing can comprise stainless steel.
  • the housing has, for example, a front area which is usually also referred to as a pressure connection.
  • the pressure connection is designed to be inserted into a bore in a wall of a media container and has, for example, a screw thread.
  • the housing can have a rear area which has a larger diameter than the front area and, for example, has a stop for attaching the sensor. The rear area then does not reach into the media container.
  • the membrane is arranged, for example, on the end face of the front area.
  • a sensitive structure is arranged on a side of the membrane facing into the interior of the sensor.
  • the sensitive structure is particularly pressure and / or temperature sensitive.
  • suitable sensitive structures are a strain gauge, a piezoresistive thin film, a piezoelectric thin film or a resistance thermometer.
  • the sensitive structure can be in Thin-film technology can be applied, for example applied to the membrane by sputtering.
  • the sensitive structure can, for example, have a partial structure that is temperature-sensitive and have a further partial structure that is pressure-sensitive.
  • the sensitive structure can also have an electrical connection structure and a contact structure for further connection.
  • a pressure-sensitive substructure is arranged, for example, in a central area of the membrane.
  • a temperature-sensitive substructure can also be arranged in an edge region of the membrane, provided that no deformation of the substructure is necessary for temperature measurement.
  • the senor has evaluation electronics.
  • the evaluation electronics are used to evaluate the measurement signals emitted by the sensitive structure. For example, the evaluation electronics generate an electrical output signal that corresponds to the measured pressure and / or the temperature.
  • the evaluation electronics are integrated into a printed circuit board, for example.
  • the evaluation electronics are arranged, for example, at a distance from the membrane in the housing.
  • the evaluation electronics in particular a printed circuit board, are arranged in the rear area and the membrane in the front area of the housing.
  • the rear area has a front end to which the front area adjoins, and a rear end opposite thereto, the Evaluation electronics is arranged at the rear end.
  • the sensitive structure is connected to the evaluation electronics by a connecting line.
  • a connecting line can be a cable, for example a ribbon cable.
  • the sensitive structure can also be connected to the evaluation electronics by other types of connecting lines.
  • a flexible printed circuit board (“FlexPCB”) can also be used.
  • the spaced-apart arrangement in particular an arrangement in a rear area of the housing, has the advantage that the evaluation electronics are protected from high or low temperatures of the medium to be measured. Thus, only those components are arranged in the vicinity of the medium on which the medium has to act directly or indirectly via the membrane in order to determine the measured values.
  • the housing has a cavity, in particular an air-filled cavity.
  • the evaluation electronics are arranged in the housing, for example, in such a way that the air-filled cavity is located between the evaluation electronics and the membrane.
  • the evaluation electronics are attached to the housing, with the air-filled cavity directly connecting to the evaluation electronics on the side facing away from the attachment side.
  • the cavity causes additional insulation of the evaluation electronics from the temperature of the medium.
  • the evaluation electronics are thus better protected against failure.
  • the senor described above is provided in a method for measuring a temperature and / or a pressure and the membrane is brought into contact with a medium to be measured.
  • a front area is inserted into a hole in a wall, behind which the medium to be measured is located.
  • the temperature and / or the pressure can be determined from the output signals obtained from a sensitive structure and, if necessary, from evaluation electronics.
  • a membrane is provided and a sensitive structure is applied to the membrane.
  • a housing part is provided and the membrane is attached to one end of the housing part.
  • the membrane is attached to the housing part from the outside, i.e. from a side which is located outside the sensor housing when the sensor is assembled.
  • the membrane is welded to the housing part.
  • the housing part On its end face, the housing part has, for example, a step into which the membrane is inserted. The step is designed, for example, in such a way that the lateral areas of the membrane are flush with the end face of the housing part.
  • a connecting line for example a cable
  • a second housing part can be provided and the connecting line can be connected to an electrical contact, in particular evaluation electronics, in the second housing part, for example after the membrane has been attached to the housing.
  • the first housing part can then be connected to the second housing part.
  • Figure 1 shows an embodiment of a sensor in longitudinal section
  • Figure 2 shows an embodiment of a membrane with a plan view of a rear side
  • FIG. 3 shows, in diagram form, process steps in the production of a sensor.
  • FIG. 1 shows a sensor 1 which is designed to measure temperature and / or pressure.
  • the sensor 1 has a housing 2 with a first housing part 3 and a second housing part 4.
  • a front area 5 of the housing 2 is designed to be introduced into a medium, the temperature and / or pressure of which is to be determined.
  • the front area 5 is also referred to as the pressure connection.
  • the front area 5 has a screw thread for screwing to a wall of a medium container.
  • the sensor 1 is screwed in until a stop 18 rests against the wall of the medium container.
  • a rear area 6 of the housing 2 has control electronics.
  • the front area 5 has a smaller diameter than the rear area 6 of the pressure sensor 1.
  • a membrane 7 is attached, on which the medium can act directly.
  • the membrane 7 is arranged on an end face of the front region 5.
  • the front area 5 is, for example, cylindrical with a side surface and an end face.
  • the membrane 7 in particular has a metal, for example stainless steel, or consists of a metal.
  • the membrane 7 is designed, for example, in the shape of a disk.
  • the membrane 7 has a central region 8 with a smaller thickness and an edge region 9 with a greater thickness.
  • the edge area 9 is connected to the housing 2, for example by welding.
  • the housing 2 has, for example, a step 20 on its end face, into which the membrane 7 is inserted and to which the membrane 7 is fastened.
  • the membrane 7 is arranged in particular flush with the front of the housing 2.
  • the membrane 7 has, for example, an edge region 9 which is flush with the housing 2.
  • the medium can thus act on the membrane 7 without the medium first having to pass through a channel in the housing 2.
  • the sensitive structure 21 is therefore not in direct contact with a pressure medium, so that the sensor 1 can also be used in aggressive, corrosive media.
  • the sensor 1 is suitable is also suitable for medical devices and the food industry.
  • the membrane 7 is bendably mounted on the housing 2.
  • the thickness of the membrane in the middle area is, for example, 20 to 300 ⁇ m. The appropriate thickness can be selected depending on the printing area.
  • the diameter of the membrane 7 is, for example, 1 to 10 mm and can be selected depending on the dimensions of the front area 5 of the housing 2.
  • a rear side of the membrane 7 is shown in FIG.
  • a sensitive structure 21 for measuring the pressure and / or the temperature is arranged on the rear side.
  • the sensitive structure 21 has, for example, a pressure-sensitive substructure 10 and a temperature-sensitive substructure 11. There can also only be a pressure-sensitive structure. There can also only be a temperature-sensitive structure.
  • the pressure-sensitive substructure 10 is arranged, for example, at the transition from the central region 8 to the edge region, so that it undergoes the greatest possible expansion. It is also possible that a pressure-sensitive structure is also temperature-sensitive at the same time.
  • the sensitive structure 21 can have a contact structure 22 for attaching a connection line and a connection structure 23 for the electrical connection of the parts.
  • the sensitive structure 21 is applied to the membrane 7 using thin-film technology, for example.
  • the sensitive structure 21 can in particular be applied to the membrane 7 by sputtering.
  • the sensitive structure 21 has a strain gauge, a piezoresistive thin film and / or a piezoelectric one Thin film on.
  • the sensitive structure 21 can have a so-called resistance thermometer (RTD for resistance temperature device) for measuring the temperature.
  • the resistance thermometer has Ni or Pt, for example, and can be applied to the membrane 7 as a thin-film structure.
  • Such a structure can be designed to save space and thus enables simple miniaturization of the sensor 1. In particular, no separate temperature sensor is necessary.
  • no further electrical elements, in particular no evaluation electronics, are arranged on the membrane 7.
  • the membrane 7 also ensures rapid temperature transfer to a temperature-sensitive structure, so that the measurement accuracy is high.
  • the rapid temperature transfer is guaranteed in particular with a metallic membrane due to the high thermal conductivity.
  • the membrane 7 has a response time of t65 ⁇ 5s, for example.
  • the response time t65 is the time after which the temperature of the sensor is 65% of the target temperature.
  • the front-flush arrangement allows great freedom in the design of the front area 5 of the sensor 1, since there is only little space for the membrane 7 on the Front side, but no space in the interior is required.
  • the sensor 1 can also be manufactured cost-effectively due to the front-flush arrangement of the membrane 7 and the illustrated design of the sensitive structure 21.
  • the sensitive structure 21 is connected to evaluation electronics 12 which are spaced apart from the membrane 7. Due to the distance between the membrane 7 and the evaluation electronics 12, the evaluation electronics 12 are sufficiently spaced from the medium so that the sensor 1 can be used even at high temperatures without the risk of damaging the evaluation electronics.
  • the distance D between membrane 7 and evaluation electronics 12 is at least 1 cm.
  • the distance d between evaluation electronics 12 and a stop 18 of the housing 2 for attachment to a wall of a media housing is, for example, at least 0.5 cm.
  • the evaluation electronics 12 are formed on an inner wall 24 of the rear region 6.
  • the inner wall 24 faces the front area 5.
  • a cavity 16 is formed between the inner wall 24 of the rear region 6 and an opposite, inner wall 25 of the front region 5. The evaluation electronics 12 are thus spaced as far as possible from the inner wall 25 of the front region 5 by the cavity 16.
  • the distances mentioned here are suitable for temperatures up to 125 ° C, for example.
  • the distance can be increased for higher temperatures up to 180 ° C., for example the distance D can be approx. 5.5 cm and the distance d at least 2 cm.
  • the sensitive structure 21 is a Connecting line 13, for example a ribbon cable, is connected to the evaluation electronics 12.
  • the connecting line 13 is, for example, soldered to the sensitive structure 21, in particular to a contact structure 22 (see FIG. 2). It is also possible, for example, to attach the connecting line 13 to the sensitive structure 21 by means of nano Velcro welding.
  • the connecting line 13 is connected to the evaluation electronics 12 via a plug, for example.
  • the connecting line 13 is guided through a channel 15 in the front region 5 of the housing 2.
  • the connecting line 13 then runs, for example, through a cavity 16 in the rear region 6.
  • the cavity 16 is designed, for example, as an air-filled cavity.
  • the cavity 16 thus offers an insulating function against high temperatures of the pressure medium.
  • the connecting line 13 can, for example, also be designed as an integral part of a printed circuit board on which the evaluation electronics are arranged.
  • the connecting line leads in the form of a narrow strip to a more extensive area of the circuit board.
  • the connecting line 13 is part of a flexible printed circuit board (“FlexPCB”).
  • the evaluation electronics 12 are integrated, for example, in a printed circuit board 14.
  • the circuit board 14 is screwed to the housing 2, for example. Electrical lines 17 lead from the printed circuit board 14 out of the housing 2 of the sensor 1.
  • the inner wall 24 of the rear region 6 has a recess for this purpose.
  • the first housing part 3 has, for example, stainless steel or consists of stainless steel.
  • the second housing part 4 has for example plastic or made of plastic.
  • the first housing part 3 is connected to the second housing part 4, for example by crimping or some other means
  • connection technology connected.
  • a rear edge region of the first housing part 3 is fastened to a circumferential projection of the second housing part 4 by crimping.
  • the front area 5 is designed, for example, to be inserted, in particular screwed into a bore in a wall, the wall delimiting the medium.
  • the end face 19 then protrudes into the medium to be measured.
  • the stop 18 rests on the side of the wall facing away from the medium, so that the rear region 6 is separated from the medium.
  • FIG. 3 shows, in diagram form, steps in the production of a sensor, in particular a sensor according to the figures described above.
  • a membrane 7 is provided and a sensitive structure 21 is applied to the membrane 7 (see FIG. 2).
  • a connecting line 13 (see FIG. 1), for example a cable, is attached to the sensitive structure 21, for example soldered.
  • a first housing part 3 is provided and the membrane 7 is fastened to an end face 19 of the housing part 5.
  • the membrane 7 can be attached to the housing part 5 from the outside.
  • the membrane 7 is placed in a step 20 in the housing part 5 and welded to the housing part 5 (see FIG. 1).
  • a further housing part 4 is provided.
  • Evaluation electronics 12, in particular in the form of a printed circuit board 14, can be located in the housing part 4.
  • the connecting line 13 is connected to the evaluation electronics 12.
  • the connecting line 13 has a plug that is plugged into a socket of the evaluation electronics 12.
  • the first housing part 3 can then be connected to the second housing part 4.
  • the first housing part 3 is connected to the second housing part 4 by crimping (see FIG. 1).

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Abstract

Ein Sensor (1), der zur Messung von Druck und/oder Temperatur ausgebildet ist, weist eine Membran (7) zur Verformung bei Druckeinwirkung durch ein Medium auf, wobei die Membran (7) an einem Ende des Sensors (1) angeordnet ist, das zum Kontakt mit dem Medium ausgebildet ist.

Description

Beschreibung
Sensor zur Messung von Druck und Temperatur
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor zur Messung von Druck und/oder Temperatur. Der Sensor kann zum Einsatz bei hohen Drücken und hohen Temperaturen in aggressiven Medien ausgebildet sein. Solche Sensoren werden beispiels weise in der Automobilindustrie bei der Kraftstoff einspritzung benötigt.
Die Druckschriften DE 102005 056 762 Al, DE 102017 121 189 Al und DE 102012 013 416 Al beschreiben jeweils Druck- oder Temperatursensoren, bei denen ein Temperaturfühler, beispielsweise in Form eines Thermistors, im Inneren eines Gehäuses angeordnet ist.
Die WO 00/19178 beschreibt einen Sensor, bei dem eine Edelstahlmembran im Sensorgehäuse angeordnet ist, wobei auf der Rückseite der Edelstahlmembran Dehnmessstreifen und ein Auswerteschaltkreis angeordnet ist.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Sensor zur Messung von Druck und/oder Temperatur anzugeben .
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein Sensor zur Messung von Druck und/oder Temperatur ein Gehäuse und eine Membran zur Verformung bei Druckeinwirkung durch ein Medium auf, wobei die Membran an einem zum Kontakt mit dem Medium ausgebildeten Ende des Sensors angeordnet ist. Insbesondere handelt es sich um eine Frontseite des Sensors. Die Membran ist somit nicht im Inneren eines Sensorgehäuses angeordnet, sondern bildet selbst eine Außenfläche des Sensors und eine Kontaktfläche für das Medium. Das Medium muss somit nicht erst ins Innere des Gehäuses gelangen, bevor es auf die Membran trifft. Dies hat den Vorteil, dass die Gefahr einer Kontamination im Inneren des Sensorgehäuses reduziert werden kann. Zudem kann die Ansprechzeit reduziert werden.
Die Membran weist beispielsweise ein Metall auf. Insbesondere kann es sich um eine Edelstahlmembran handeln. Auf diese Weise kann die Korrosionsbeständigkeit gewährleistet werden. Darüber hinaus ist bei der Verwendung von Metallen eine geringe Ansprechzeit bei der Temperaturmessung gegeben.
Der Sensor weist ein Gehäuse auf. Beispielsweise kann zumindest ein Teil des Gehäuses Edelstahl aufweisen. Das Gehäuse weist beispielsweise einen vorderen Bereich auf, der üblicherweise auch als Druckanschluss bezeichnet wird. Der Druckanschluss ist dabei zum Einstecken in eine Bohrung einer Wandung eines Medienbehälters ausgebildet und weist beispielsweise ein Schraubgewinde auf. Das Gehäuse kann einen hinteren Bereich aufweisen, der einen größeren Durchmesser als der vordere Bereich aufweist, und beispielsweise einen Anschlag für die Befestigung des Sensors aufweist. Der hintere Bereich reicht dann nicht in den Medienbehälter hinein. Die Membran ist beispielsweise an der Stirnseite des vorderen Bereichs angeordnet.
Beispielsweise ist auf einer ins Innere des Sensors gewandten Seite der Membran eine sensitive Struktur angeordnet. Die sensitive Struktur ist insbesondere druck- und/oder temperatursensitiv. Beispiele für geeignete sensitive Strukturen sind ein Dehnmessstreifen, ein piezoresistiver Dünnfilm, ein piezoelektrischer Dünnfilm oder ein Widerstandsthermomoter . Die sensitive Struktur kann in Dünnschichttechnik aufgebracht sein, beispielsweise durch Sputtern auf die Membran aufgebracht sein. Die sensitive Struktur kann beispielsweise ein Teilstruktur aufweisen, die temperatursensitiv ist, und eine weitere Teilstruktur aufweisen, die drucksensitiv ist. Zudem kann die sensitive Struktur auch eine elektrische Verbindungsstruktur und eine Kontaktstruktur zur Weiterverbindung aufweisen.
Bei einer Einwirkung eines Drucks auf eine Außenseite der Membran verformt sich die Membran, beispielsweise biegt sich ein mittlerer Bereich der Membran nach innen. Dies führt zu einer Verformung der sensitiven Struktur, worauf ein entsprechendes elektrisches Signal abgegeben wird. Eine drucksensitive Teilstruktur ist beispielsweise in einem mittleren Bereich der Membran angeordnet. Eine temperatur sensitive Teilstruktur kann auch in einem Randbereich der Membran angeordnet sein, sofern keine Verformung der Teilstruktur zur Temperaturmessung notwendig ist.
In einer Ausführungsform weist der Sensor eine Auswerteelektronik auf. Die Auswerteelektronik dient zur Auswertung der von der sensitiven Struktur abgegebenen Messsignale. Beispielsweise erzeugt die Auswerteelektronik ein elektrisches Ausgangssignal, dass dem gemessenen Druck und/oder der Temperatur entspricht. Die Auswerteelektronik ist beispielsweise in eine Leiterplatte integriert.
Die Auswertelektronik ist beispielsweise beabstandet von der Membran im Gehäuse angeordnet sein. Beispielsweise ist die Auswerteelektronik, insbesondere eine Leiterplatte, im hinteren Bereich und die Membran im vorderen Bereich des Gehäuses angeordnet. Beispielsweise weist der hintere Bereich ein vorderes Ende auf, an dem der vordere Bereich anschließt, und ein dazu entgegen gesetztes hinteres Ende auf, wobei die Auswerteelektronik am hinteren Ende angeordnet ist.
Beispielsweise ist die sensitive Struktur durch eine Verbindungsleitung mit der Auswerteelektronik verbunden. Es kann sich insbesondere um ein Kabel, beispielsweise ein Flachbandkabel handeln. Die sensitive Struktur kann auch durch andersartige Verbindungsleitungen mit der Auswerte elektronik verbunden sein. Beispielsweise kann auch eine flexible Leiterplatte („FlexPCB") eingesetzt werden.
Die beabstandete Anordnung, insbesondere eine Anordnung in einem hinteren Bereich des Gehäuses, hat den Vorteil, dass die Auswerteelektronik vor hohen oder auch niedrigen Temperaturen des zu vermessenden Mediums geschützt ist. Somit sind nur die Komponenten in der Nähe des Mediums angeordnet, auf die das Medium zur Ermittlung der Messwerte direkt oder indirekt über die Membran einwirken muss.
Beispielsweise weist das Gehäuse einen Hohlraum, insbesondere einen luftgefüllten Hohlraum auf. Die Auswerteelektronik ist beispielsweise derart im Gehäuse angeordnet, dass sich der luftgefüllte Hohlraum zwischen der Auswerteelektronik und der Membran befindet. Beispielsweise ist die Auswerteelektronik am Gehäuse befestigt, wobei der luftgefüllte Hohlraum direkt an die Auswerteelektronik auf der Seite anschließt, die der Befestigungsseite abgewandt ist.
Der Hohlraum bewirkt dabei eine zusätzliche Isolierung der Auswerteelektronik von der Temperatur des Mediums. Somit ist die Auswerteelektronik besser vor einem Ausfall geschützt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird bei einem Verfahren zur Messung einer Temperatur und/oder eines Drucks der vorgehend beschriebene Sensor bereitgestellt und die Membran in Kontakt zu einem zu vermessenden Medium gebracht. Beispielsweise wird ein vorderer Bereich in eine Bohrung einer Wandung eingesteckt, hinter der sich das zu vermessende Medium befindet. Aus den erhaltenen Ausgangssignalen einer sensitiven Struktur und, gegebenen falls, einer Auswerteelektronik kann die Temperatur und/oder der Druck bestimmt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird bei einem Verfahren zur Herstellung des vorgehend beschriebenen Sensors eine Membran bereitgestellt und eine sensitive Struktur auf die Membran aufgebracht. Es wird ein Gehäuseteil bereitgestellt und die Membran wird an einem Ende des Gehäuseteils befestigt. Insbesondere wird die Membran von außen, d.h., von einer Seite, die sich beim zusammengebauten Sensors außerhalb des Sensorgehäuses befindet, am Gehäuseteil befestigt. Beispielsweise wird die Membran an das Gehäuseteil angeschweißt. Das Gehäuseteil weist an seiner Stirnseite beispielsweise eine Stufe auf, in die die Membran eingelegt wird. Die Stufe ist beispielsweise derart ausgebildet, dass die seitlichen Bereiche der Membran bündig mit der Stirnseite des Gehäuseteils abschließen.
Vor dem Befestigen der Membran kann eine Verbindungsleitung, beispielsweise ein Kabel, an der sensitiven Struktur befestigt werden. Es kann ein zweites Gehäuseteil bereitgestellt werden und die Verbindungsleitung kann beispielsweise nach der Befestigung der Membran am Gehäuse an einen elektrischen Kontakt, insbesondere einer Auswerteelektronik, im zweiten Gehäuseteil angeschlossen werden. Anschließend kann das erste Gehäuseteil mit dem zweiten Gehäuseteil verbunden werden.
In der vorliegenden Offenbarung sind mehrere Aspekte einer Erfindung beschrieben. Alle Eigenschaften, die in Bezug auf eine Vorrichtung oder ein Verfahren offenbart sind, sind auch entsprechend in Bezug auf den anderen Aspekt offenbart, auch wenn die jeweilige Eigenschaft nicht explizit im Kontext der anderen Aspekte erwähnt wird.
Die Beschreibung der hier angegebenen Gegenstände ist nicht auf die einzelnen speziellen Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr können die Merkmale der einzelnen Ausführungsformen - soweit technisch sinnvoll - miteinander kombiniert werden.
Im Folgenden werden die hier beschriebenen Gegenstände anhand von schematischen Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine Ausführungsform eines Sensors im Längsschnitt,
Figur 2 zeigt eine Ausführungsform einer Membran mit Aufsicht auf eine Rückseite,
Figur 3 zeigt in Diagrammform Verfahrensschritte bei der Herstellung eines Sensors.
Vorzugsweise verweisen in den folgenden Figuren gleiche Bezugszeichen auf funktionell oder strukturell entsprechende Teile der verschiedenen Ausführungsformen.
Figur 1 zeigt einen Sensor 1, der zur Messung von Temperatur und/oder Druck ausgebildet ist. Der Sensor 1 weist eine Gehäuse 2 mit einem ersten Gehäuseteil 3 und einem zweiten Gehäuseteil 4 auf. Ein vorderer Bereich 5 des Gehäuses 2 ist dazu ausgebildet, in einem Medium eingebracht zu werden, dessen Temperatur und/oder Druck zu bestimmen ist. Der vordere Bereich 5 wird auch als Druckanschluss bezeichnet. Beispielsweise weist der vordere Bereich 5 ein Schraubgewinde zur Verschraubung mit einer Wandung eines Mediumbehälters auf. Beispielsweise wird der Sensor 1 eingeschraubt, bis ein Anschlag 18 an der Wandung des Mediumbehälters anliegt. Ein hinterer Bereich 6 des Gehäuses 2 weist Steuerelektronik auf. Der vordere Bereich 5 weist einen geringeren Durchmesser auf als der hintere Bereich 6 des Drucksensors 1.
Am Ende des vorderen Bereichs 5 ist eine Membran 7 befestigt, auf die das Medium direkt einwirken kann. Insbesondere ist die Membran 7 an einer Stirnseite des vorderen Bereichs 5 angeordnet. Der vordere Bereich 5 ist beispielsweise zylinderförmig mit einer Seitenfläche und einer Stirnseite ausgebildet. Die Membran 7 weist insbesondere ein Metall, beispielsweise Edelstahl, auf oder besteht aus einem Metall.
Die Membran 7 ist beispielsweise scheibenförmig ausgebildet. Die Membran 7 weist vorliegend einen mittleren Bereich 8 mit einer geringeren Dicke und einen Randbereich 9 mit einer größeren Dicke auf. Der Randbereich 9 ist am Gehäuse 2 beispielsweise durch Schweißen verbunden. Das Gehäuse 2 weist dazu beispielsweise eine Stufe 20 an seiner Stirnseite auf, in die die Membran 7 eingelegt und an der die Membran 7 befestigt ist. Die Membran 7 ist insbesondere frontbündig am Gehäuse 2 angeordnet. Die Membran 7 weist beispielsweise einen Randbereich 9 auf, der bündig mit dem Gehäuse 2 abschließt .
Somit kann das Medium auf die Membran 7 einwirken, ohne dass das Medium erst einen Kanal im Gehäuse 2 passieren muss. Die sensitive Struktur 21 ist somit nicht in direktem Kontakt mit einem Druckmedium, so dass der Sensor 1 auch in aggressiven, korrosiven Medien eingesetzt werden kann. Der Sensor 1 eignet sich zudem auch für Medizinprodukte und die Lebensmittel industrie.
Die Membran 7 ist biegbar am Gehäuse 2 gelagert. Die Dicke der Membran im mittleren Bereich beträgt beispielsweise 20 bis 300 pm. Die geeignete Dicke kann abhängige vom Druckbereich gewählt werden. Der Durchmesser der Membran 7 beträgt beispielsweise 1 bis 10 mm und kann abhängig von der Dimension des vorderen Bereichs 5 des Gehäuses 2 gewählt werden.
In Figur 2 ist eine Rückseite der Membran 7 dargestellt. Auf der Rückseite ist eine sensitive Struktur 21 zur Messung des Drucks und/oder der Temperatur angeordnet. Die sensitive Struktur 21 weist beispielsweise eine drucksensitive Teilstruktur 10 und eine temperatursensitive Teilstruktur 11 auf. Es kann auch lediglich eine drucksensitive Struktur vorhanden sein. Es kann auch lediglich eine temperatursensitive Struktur vorhanden sein. Die drucksensitive Teilstruktur 10 ist beispielsweise am Übergang vom mittleren Bereich 8 zum Randbereich angeordnet, so dass sie eine möglichst große Dehnung erfährt. Es ist auch möglich, dass eine drucksensitive Struktur auch gleichzeitig temperatursensitiv ist. Weiterhin kann die sensitive Struktur 21 eine Kontaktstruktur 22 zur Anbringung einer Verbindungsleitung und eine Verbindungsstruktur 23 zur elektrischen Verbindung der Teile aufweisen.
Die sensitive Struktur 21 ist beispielsweise in Dünnschichttechnik auf die Membran 7 aufgebracht. Die sensitive Struktur 21 kann insbesondere durch Sputtern auf die Membran 7 aufgebracht sein. Beispielsweise weist die sensitive Struktur 21 einen Dehnmessstreifen, einen piezoresistiven Dünnfilm und/oder einen piezoelektrischen Dünnfilm auf. Die sensitive Struktur 21 kann zur Messung der Temperatur ein sogenanntes Widerstandsthermometers (RTD für resistance temperature device) aufweisen. Das Widerstandsthermometer weist beispielsweise Ni oder Pt auf und kann als Dünnfilmstruktur auf die Membran 7 aufgebracht sein. Eine derartige Struktur kann platzsparend ausgebildet sein und ermöglicht somit eine einfache Miniaturisierung des Sensors 1. Es ist insbesondere kein separater Temperatur fühler nötig. Außer der sensitiven Struktur 21 sind auf der Membran 7 keine weiteren elektrischen Elemente, insbesondere keine Auswerteelektronik angeordnet.
Durch die gezeigte frontbündige Anordnung der Membran 7 kann Totraum, und damit die Gefahr von Ablagerungen und Kontamination des Sensors 1 reduziert werden. Zudem ist durch die direkte Einwirkung des Mediums auf die verformbare Membran 7 kein Übertragungsmedium, beispielsweise ein üblicherweise verwendetes festes, flüssiges oder gasförmiges Übertragungsmedium, zur Übertragung des Drucks an einen sensitiven Bereich notwendig.
Die Membran 7 gewährleistet zudem eine schnelle Temperaturübertragung zu einer temperatursensitiven Struktur, so dass die Messgenauigkeit hoch ist. Die schnelle Temperaturübertragung wird insbesondere bei einer metallischen Membran aufgrund der hohen thermischen Leit fähigkeit gewährleistet. Die Membran 7 weist beispielsweise eine Ansprechzeit von t65 < 5s auf. Die Ansprechzeit t65 ist die Zeit, nach die Temperatur des Sensors 65 % der Zieltemperatur beträgt.
Darüber hinaus ermöglicht die frontbündige Anordnung eine große Freiheit in der Gestaltung des vorderen Bereichs 5 des Sensors 1, da für die Membran 7 nur geringer Platz an der Stirnseite, aber kein Platz im Innenraum benötigt wird. Der Sensor 1 ist aufgrund der frontbündigen Anordnung der Membran 7 und der gezeigten Ausbildung der sensitiven Struktur 21 zudem kostengünstig herstellbar.
Wie in Figur 1 zu sehen ist, ist die sensitive Struktur 21 mit einer Auswerteelektronik 12 verbunden, die von der Membran 7 beabstandet ist. Aufgrund des Abstandes zwischen Membran 7 und Auswerteelektronik 12 ist die Auswerte elektronik 12 vom Medium ausreichend beabstandet, so dass der Sensor 1 auch bei hohen Temperaturen ohne Gefahr der Beschädigung der Auswerteelektronik eingesetzt werden kann. Beispielsweise beträgt der Abstand D zwischen Membran 7 und Auswerteelektronik 12 mindestens 1 cm. Der Abstand d zwischen Auswerteelektronik 12 und einem Anschlag 18 des Gehäuses 2 für die Befestigung an einer Wandung eines Mediengehäuses beträgt beispielsweise mindestens 0,5 cm.
Insbesondere ist die Auswerteelektronik 12 an einer inneren Wandung 24 des hinteren Bereichs 6 ausgebildet. Die innere Wandung 24 ist dem vorderen Bereich 5 zugewandt. Zwischen der inneren Wandung 24 des hinteren Bereichs 6 und einer gegenüberliegenden, inneren Wandung 25 des vorderen Bereichs 5 ist ein Hohlraum 16 ausgebildet. Die Auswerteelektronik 12 ist somit durch den Hohlraum 16 von der inneren Wandung 25 des vorderen Bereichs 5 so weit wie möglich beabstandet.
Die hier genannten Abstände sind beispielsweise für Temperaturen bis 125 °C geeignet. Für höhere Temperaturen bis 180 °C kann der Abstand vergrößert werden, beispielsweise kann der Abstand D ca. 5,5 cm und der Abstand d mindestens 2 cm betragen.
Beispielsweise ist die sensitive Struktur 21 über eine Verbindungsleitung 13, z.B. ein Flachbandkabel, mit der Auswerteelektronik 12 verbunden. Die Verbindungsleitung 13 ist beispielsweise an der sensitiven Struktur 21, insbesondere an einer Kontaktstruktur 22 (siehe Figur 2), angelötet. Es ist beispielsweise auch möglich, die Verbindungsleitung 13 durch Nano-Klett-Welding an der sensitiven Struktur 21 zu befestigen. Die Verbindungsleitung 13 ist beispielsweise über einen Stecker mit der Auswerteelektronik 12 verbunden. Die Verbindungsleitung 13 ist vorliegend durch einen Kanal 15 im vorderen Bereich 5 des Gehäuses 2 geführt. Die Verbindungsleitung 13 verläuft dann beispielsweise durch einen Hohlraum 16 im hinteren Bereich 6. Der Hohlraum 16 ist beispielsweise als luftgefüllter Hohlraum ausgebildet. Der Hohlraum 16 bietet somit eine Isolier funktion gegenüber hohen Temperaturen des Druckmediums.
Die Verbindungsleitung 13 kann beispielsweise auch als integraler Bestandteil einer Leiterplatte ausgebildet sein, auf der die Auswerteelektronik angeordnet ist. Beispielsweise führt die Verbindungsleitung in Form eines schmalen Streifens auf einen flächigeren Bereich der Leiterplatte hin. Beispielsweise ist die Verbindungsleitung 13 Bestandteil einer flexiblen Leiterplatte („FlexPCB").
Die Auswerteelektronik 12 ist beispielsweise in einer Leiterplatte 14 (printed Circuit board) integriert. Die Leiterplatte 14 ist beispielsweise mit dem Gehäuse 2 verschraubt. Von der Leiterplatte 14 führen elektrische Leitungen 17 aus dem Gehäuse 2 des Sensors 1 heraus. Insbesondere weist die innere Wandung 24 des hinteren Bereichs 6 hierfür eine Ausnehmung auf.
Das erste Gehäuseteil 3 weist beispielsweise Edelstahl auf oder besteht aus Edelstahl. Das zweite Gehäuseteil 4 weist beispielsweise Kunststoff auf oder besteht aus Kuntstoff. Das erste Gehäuseteil 3 ist mit dem zweiten Gehäuseteil 4 beispielsweise durch Bördeln oder eine andere
Verbindungstechnik verbunden. Beispielsweise ist ein hinterer Randbereich des ersten Gehäuseteils 3 an einem umlaufenden Vorsprung des zweiten Gehäuseteils 4 durch Bördeln befestigt.
Der vordere Bereich 5 ist beispielsweise zum Einstecken, insbesondere Einschrauben in eine Bohrung einer Wandung ausgebildet, wobei die Wandung das Medium begrenzt. Die Stirnseite 19 ragt dann in das zu vermessende Medium hinein. Der Anschlag 18 liegt an der dem Medium abgewandten Seite der Wandung an, so dass der hintere Bereich 6 vom Medium getrennt ist.
Figur 3 zeigt in Diagrammform Schritte bei der Herstellung eines Sensors, insbesondere eines Sensors gemäß den vorgehend beschriebenen Figuren.
In einem Schritt A wird eine Membran 7 bereitgestellt und eine sensitive Struktur 21 auf die Membran 7 aufgebracht (siehe Figur 2).
In einem Schritt B wird eine Verbindungsleitung 13 (siehe Figur 1), beispielsweise ein Kabel, an der sensitiven Struktur 21 befestigt, beispielsweise verlötet.
In einem Schritt C wird ein erstes Gehäuseteil 3 bereitgestellt und die Membran 7 wird an einer Stirnseite 19 des Gehäuseteils 5 befestigt. Dabei kann die Membran 7 von außen am Gehäuseteil 5 befestigt werden. Beispielsweise wird die Membran 7 in eine Stufe 20 im Gehäuseteil 5 eingelegt und mit dem Gehäuseteil 5 verschweißt (siehe Figur 1). In einem Schritt D wird ein weiteres Gehäuseteil 4 bereitgestellt. In dem Gehäuseteil 4 kann sich eine Auswerteelektronik 12, insbesondere in Form einer Leiterplatte 14, befinden. Die Verbindungsleitung 13 wird an die Auswerteelektronik 12 angeschlossen. Beispielsweise weist die Verbindungsleitung 13 einen Stecker auf, der in eine Buchse der Auswerteelektronik 12 eingesteckt wird. Anschließend kann das erste Gehäuseteil 3 mit dem zweiten Gehäuseteil 4 verbunden. Beispielsweise wird das erste Gehäuseteil 3 durch Bördeln mit dem zweiten Gehäuseteil 4 verbunden (siehe Figur 1).
Bezugszeichenliste
1 Sensor
2 Gehäuse
3 erstes Gehäuseteil
4 zweites Gehäuseteil
5 vorderer Bereich
6 hinterer Bereich
7 Membran
8 mittlerer Bereich
9 Randbereich
10 drucksensitive Teilstruktur
11 temperatursensitive Teilstruktur
12 Auswerteelektronik
13 Verbindungsleitung
14 Leiterplatte
15 Kanal
16 Hohlraum
17 Leitungen
18 Anschlag
19 Stirnseite
20 Stufe
21 sensitive Struktur
22 Kontaktstruktur
23 Verbindungsstruktur
24 innere Wandung hinterer Bereich
25 innere Wandung vorderer Bereich

Claims

Patentansprüche
1. Sensor, der zur Messung von Druck und/oder Temperatur ausgebildet ist, aufweisend eine Membran (7) zur Verformung bei Druckeinwirkung durch ein Medium, wobei die Membran (7) an einem Ende des Sensors (1) angeordnet ist, das zum Kontakt mit dem Medium ausgebildet ist.
2. Sensor nach Anspruch 1, bei dem die Membran (7) Edelstahl aufweist.
3. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem auf einer ins Innere des Sensors (7) gewandten Seite der Membran (7) eine sensitive Struktur (21) angeordnet ist.
4. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend ein Gehäuse (2) und eine Auswerteelektronik (12), wobei die Auswerteelektronik (12) beabstandet von der Membran (7) im Gehäuse (2) angeordnet ist.
5. Sensor nach Anspruch 4, bei dem die Auswerteelektronik (12) mindestens 1 cm von der Membran (7) entfernt angeordnet ist.
6. Sensor nach einem der Ansprüche 4 oder 5, bei dem die Auswerteelektronik in eine Leiterplatte (14) integriert ist.
7. Sensor nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem das Gehäuse einen vorderen Bereich (5) und einen hinteren Bereich (6) aufweist, wobei der vordere Bereich (5) zur Einführung in eine Bohrung einer Wandung ausgebildet ist und der hintere Bereich (6) nicht zur Einführung in die Bohrung ausgebildet ist, wobei die Auswerteelektronik (12) im hinteren Bereich (6) und die Membran (7) im vorderen Bereich (5) angeordnet ist.
8. Sensor nach Anspruch 7, wobei der hintere Bereich (6) ein vorderes Ende aufweist, an dem der vordere Bereich (5) anschließt und ein dazu entgegen gesetztes hinteres Ende aufweist, wobei die Auswerteelektronik (12) am hinteren Ende angeordnet ist.
9. Sensor nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei dem die sensitive Struktur (21) durch eine Verbindungsleitung (13) mit der Auswerteelektronik (12) verbunden ist, bei dem die Verbindungsleitung (13) als Flachbandkabel ausgebildet ist.
10. Sensor nach einem der Ansprüche 4 bis 9, bei dem das Gehäuse (2) einen Hohlraum (16) einschließt, wobei der Hohlraum (16) direkt an die Auswerteelektronik (13) anschließt und zwischen der Auswerteelektronik (13) und der Membran (7) ausgebildet ist.
11. Verfahren zur Messung einer Temperatur und/oder eines Drucks, bei dem ein Sensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche bereitgestellt wird, wobei die Membran (7) in Kontakt mit einem zu vermessenden Medium gebracht wird.
12. Verfahren zur Herstellung eines Sensors nach einem der vorhergehend beschriebenen Ansprüche, bei dem eine Membran (7) bereitgestellt wird und eine sensitive Struktur (21) auf die Membran (7) aufgebracht wird, ein erstes Gehäuseteil (3) bereitgestellt wird und die Membran (7) an einem Ende des ersten Gehäuseteils (3) befestigt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die Membran (7) von einer Seite, die beim zusammengebauten Sensor (1) nach außen gerichtet ist, am ersten Gehäuseteil (3) befestigt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, wobei vor dem Befestigen der Membran (7) am ersten Gehäuseteil (3) eine Verbindungsleitung (13) an der sensitiven Struktur (21) befestigt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei ein zweites Gehäuseteil (4) bereitgestellt wird und die Verbindungsleitung (13) an einer Auswerteelektronik (12) im zweiten Gehäuseteil (4) angeschlossen wird und wobei danach das erste Gehäuseteil (3) mit dem zweiten Gehäuseteil (4) verbunden wird.
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