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Title:
DISPLACEMENT SENSOR OPERATING WITHOUT CONTACT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/063048
Kind Code:
A1
Abstract:
With regard to reliable measurements in the high temperature range with constructionally simple means, the invention relates to a displacement sensor operating without contact having a sensor element (1) suitable for high temperatures and electronics comprising drive and/or evaluation electronics that are coupled electrically to the sensor element (1), which displacement sensor is characterized in that the electronics are designed for a temperature range above 125 °C and are connected directly to the sensor element (1) or integrated in the sensor element (1).

Inventors:
WISSPEINTNER THOMAS (DE)
HAAS HARALD (DE)
SCHOPF TOBIAS (DE)
HOENICKA REINHOLD (DE)
Application Number:
PCT/DE2018/200088
Publication Date:
April 04, 2019
Filing Date:
September 26, 2018
Export Citation:
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Assignee:
MICRO EPSILON MESSTECHNIK GMBH & CO KG (DE)
International Classes:
G01D11/24
Domestic Patent References:
WO2014114279A12014-07-31
Foreign References:
US20010040241A12001-11-15
US20160187366A12016-06-30
Other References:
DATABASE INSPEC [online] THE INSTITUTION OF ELECTRICAL ENGINEERS, STEVENAGE, GB; 1985, PETTENPAUL E ET AL: "A high-temperature sensor on monolithic GaAs Hall IC", XP002787550, Database accession no. 2678614
STOICA LUCIAN ET AL: "A High Temperature Frequency Signal Conditioning Unit for Aeronautical Rotating Systems", IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTEMS I: REGULAR PAPERS, IEEE, US, vol. 63, no. 5, May 2016 (2016-05-01), pages 587 - 598, XP011615505, ISSN: 1549-8328, [retrieved on 20160628], DOI: 10.1109/TCSI.2016.2529258
PORTMANN L ET AL: "SOI CMOS hall effect sensor architecture for high temperature applications (up to 300/spl deg/ C)", 12 June 2002, PROCEEDINGS OF IEEE SENSORS 2002. ORLANDO, FL, JUNE 12 - 14, 2002; [IEEE INTERNATIONAL CONFERENCE ON SENSORS], NEW YORK, NY : IEEE, US, PAGE(S) 1401 - 1406, ISBN: 978-0-7803-7454-6, XP010605325
Attorney, Agent or Firm:
ULLRICH & NAUMANN (DE)
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Claims:
A n s p r ü c h e

1. Kontaktlos arbeitender Wegsensor mit einem für hohe Temperaturen ge- eigneten Sensorelement (1 ) und einer mit dem Sensorelement (1 ) elektrisch gekoppelten und eine Ansteuerungs- und/oder eine Auswerteelektronik aufweisenden Elektronik,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Elektronik für einen Temperaturbereich oberhalb 125°C ausgelegt und mit dem Sensorelement (1 ) direkt verbunden oder in das Sensorelement (1 ) integriert ist.

2. Wegsensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronik oder mindestens eine Komponente (4) der Elektronik auf Basis der Sol, Silicon on Insulator, Technologie oder auf Basis von GaAs, SiC oder Diamant als Halbleiter- material hergestellt ist.

3. Wegsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (1) ein Substrat (2) mit mindestens einer darin eingebetteten Sensorkomponente aufweist, wobei vorzugsweise mindestens eine Leiterbahn auf dem Substrat (2) angeordnet ist.

4. Wegsensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (2) eine Leiterplatte, vorzugsweise aus Polyimid, PTFE oder LCP, aufweist. 5. Wegsensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (2) eine Keramik, vorzugsweise aus AI2O3, LTCC oder HTCC, aufweist.

6. Wegsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronik in einem Keramikgehäuse angeordnet ist oder mindestens ei- ne in einem Keramikgehäuse angeordnete Komponente (4) aufweist.

7. Wegsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronik per Chip-on-board als Chip-on-Ceramic mit dem Sensorelement (1 ) verbunden ist.

8. Wegsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerungselektronik einen Oszillator (17), vorzugsweise Sinus- oder Rechteckoszillator, aufweist.

9. Wegsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik als funktionale Baugruppe ausschließlich einen De- modulator (18) zur Erzeugung eines gleichgerichteten Spannungs- oder Stromsignals, vorzugsweise zusätzlich einen Vorverstärker (19) und/oder einen Analog- Digital-Wandler (20) und/oder einen Microcontroller, aufweist.

10. Wegsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronik aus Logik-Bausteinen besteht oder Logik-Bausteine aufweist.

1 1. Wegsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschluss der Elektronik für deren Ausgang und/oder Versorgung über ein Adernpaar oder zwei Adernpaare realisiert ist.

12. Wegsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronik einen Kabelanschluss aufweist.

13. Wegsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor oder das Sensorelement (1 ) und/oder die Elektronik hermetisiert ist oder sind.

14. Wegsensor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Hermeti- sierung durch ein Gehäuse, vorzugsweise durch ein mit dem Substrat (2) verlötetes Gehäuse, oder durch eine Kapselung im Substrat (2), vorzugsweise durch eine Anordnung der Elektronik oder einer Komponente (4) der Elektronik in oder auf einer Lage oder Schicht des Substrats (2) und weiter vorzugsweise durch mindestens eine weitere darüber angeordnete Lage (15) oder Schicht des Substrats (2), realisiert ist.

15. Wegsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Wegsensor induktiv, über Wirbelstrom oder kapazitiv arbeitet.

Description:
KONTAKTLOS ARBEITENDER WEGSENSOR

Die Erfindung betrifft einen kontaktlos arbeitenden Wegsensor mit einem für hohe Temperaturen geeigneten Sensorelement und einer mit dem Sensorelement elektrisch gekoppelten und eine Ansteuerungs- und/oder eine Auswerteelektronik aufweisenden Elektronik.

Kontaktlos arbeitende Wegsensoren sind in weitem Umfang aus der Praxis be- kannt, wobei es sich bspw. um Wegsensoren mit integrierter Elektronik für Temperaturen im Bereich von -40°C bis maximal 125°C handelt. Bei höheren Temperaturen wird die Elektronik üblicherweise vom Sensorelement abgesetzt oder getrennt angeordnet, so dass sie aus dem Hochtemperaturbereich ausgelagert ist. In dem Bereich bis 125°C kann herkömmliche CMOS-Elektronik in Standard- Ausführungen verwendet werden.

An dieser Stelle sei betont, dass es sich bei der vorliegenden Erfindung um einen Wegsensor handelt, der im sogenannten Hochtemperaturbereich oberhalb von 125°C arbeiten kann. Dabei umfasst die Bezeichnung Wegsensor Sensoren, die für eine Wegmessung, Positionsmessung, Abstandsmessung, Dickenmessung usw. geeignet sind.

Ein für den Hochtemperaturbereich geeigneter kontaktlos arbeitender Wegsensor der eingangs genannten Art ist aus der WO 2014/1 14279 A1 bekannt. Bei dem dort beschriebenen Sensor ist ein hochtemperaturtaugliches Sensorelement von einem speziellen Ausgleichselement und einem Gehäuse umgeben. Die Elektronik ist dabei von dem Sensorelement abgesetzt und mit dem Sensorelement über ein hochtemperaturbeständiges Stahlmantelkabel mit mineralischer Isolierung elektrisch gekoppelt.

Bei dem bekannten, durch einen Wirbelstromsensor gebildeten kontaktlos arbeitenden Wegsensor ist problematisch, dass die beiden Kontaktstellen der Kabelverbindung - eine am Sensorelement und eine an der Elektronik - mehrere Nachteile mit sich bringen. Diese Nachteile werden im Folgenden erläutert: Da das Kabel bei dem bekannten Wegsensor Teil der Messkette ist, da das Sensorelement und die Elektronik über das Kabel verbunden sind, müssen während eines Betriebs des Wegsensors die auftretenden sehr kleinen und hochfrequenten Signale über das Kabel und die Kontaktstellen übertragen werden. Da auch das Kabel auf der Seite des Sensorelements zwangsweise im Hochtemperaturbereich liegt, sind besondere Spezialkabel notwendig, bspw. Teflonkabel mit Kupfer- oder Stahllitzen, Kabel mit Mantel aus Glasgewebe oder mineralisolierte Stahlmantelkabel. Diese Kabeltypen sind sehr schwierig zu verarbeiten, da die Litzen oder der Mantel aus Edelstahl nur durch ein aufwendiges Schweißen sicher mit dem Sensorgehäuse oder Sensorelement verbindbar sind. Teflonkabel sind weiterhin schwer abdichtbar, da auf Teflon Vergussmassen oder Klebstoffe nicht oder nur schwer haften. Des Weiteren ergeben sich messtechnische Nachteile, da das Kabel - als Teil der Messkette - parasitäre Impedanzen (Kapazitäten, Widerstände, Induktivitäten) verursacht, die bei einer Veränderung des Kabels durch bspw. Temperatur, Bewegung oder EMV-Einstrahlung das Messergebnis beeinflussen können. Hoch- temperaturtaugliche Kabel haben oft einen geringen Isolationswiderstand oder schränken den Frequenzbereich ein, da keine hohen Trägerfrequenzen möglich sind. Da das Sensorelement im Hochtemperaturbereich liegt, die Elektronik aber im Normaltemperaturbereich, herrscht entlang des Kabels ein Temperaturgradient, der nur schwer kompensierbar ist. Weiterhin müssen für messtechnische Anwendungen häufig Koaxial- oder sogar Triaxialkabel mit den oben genannten Eigenschaften verwendet werden, was hohe Anforderungen an die Aufbau- und Verbindungstechnik stellt. Darüber hinaus wird der Bauraum durch die erforderliche aufwendige Kabelkontaktierung zwangsweise sehr groß. Schließlich steigt die Fehleranfälligkeit aufgrund der schwierigen Ab- dichtung der Kontaktstelle an dem Kabel oder an einem Stecker oder durch Störungen auf der Signalleitung.

Hochtemperaturtaugliche Wegsensoren finden ihre Anwendung in unterschiedlichen Bereichen. Dabei handelt es sich bspw. um den Bereich der Förderung von Öl und Gas, bei dem Vibrationen, hohe Drücke und hohe Temperaturen auftreten können, den Bereich der Überwachung von Turbinen, bspw. Triebwerke, Lader, Dampfturbinen oder Gasturbinen, den Bereich von Wärmekraftmaschinen oder Prozessanlagen wie bspw. CVD-Anlagen, den Bereich von Anwendungen im Um- feld radioaktiver Strahlung und den Bereich der Raumfahrt.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen kontaktlos arbeitenden Wegsensor der eingangs genannten Art derart auszugestalten und weiterzubilden, dass sichere Messungen im Hochtemperaturbereich mit konstruk- tiv einfachen Mitteln ermöglicht sind.

Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe durch einen Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Danach ist der Sensor derart ausgestaltet und weitergebildet, dass die Elektronik für einen Temperaturbereich oberhalb 125°C ausgelegt und mit dem Sensorelement direkt verbunden oder in das Sensorelement integriert ist.

In erfindungsgemäßer Weise ist erkannt worden, dass es auch im Hochtemperaturbereich oberhalb von 125°C möglich ist, eine elektrische Kopplung zwischen Sensorelement und Elektronik ohne bekannte Kabel vorzunehmen, über die die Elektronik in herkömmlicher Weise von dem hohen Temperaturen ausgesetzten Sensorelement abgesetzt werden kann. Im Konkreten wird eine für diesen Hochtemperaturbereich ausgelegt Elektronik mit dem Sensorelement direkt verbunden oder in das Sensorelement integriert. Die hochtemperaturtaugliche Elektronik ist dabei quasi direkt an dem Sensorelement angebracht, ohne dass irgendwelche Kabelverbindungen zur elektrischen Kopplung zwischen Sensorelement und Elektronik verwendet werden müssen. Dies gewährleistet eine hohe Messsicherheit, da Störeinflüsse durch das Kabel bei der Übertragung der ermittelten sehr kleinen und/oder hochfrequenten Signale vermieden werden können. Des Weiteren ist auch die Herstellung erheblich vereinfacht, da keine schwer verarbeitbaren Spezialkabel verwendet werden müssen und auch kein großer Bauraum für eine aufwendige Kabelkontaktierung bereitgestellt werden muss. Folglich ist mit dem erfindungsgemäßen Wegsensor ein Wegsensor bereitgestellt, mit dem sichere Messungen im Hochtemperaturbereich mit konstruktiv einfachen Mitteln ermöglicht sind. Im Hinblick auf eine besonders hohe Eignung für den Hochtemperaturbereich kann die Elektronik oder mindestens eine Komponente der Elektronik auf Basis der Sol-, Silicon on Insulator, Technologie oder auf Basis von GaAs, SiC oder Diamant als Halbleitermaterial hergestellt sein. Dabei ist die Sol-Technologie bis zu Arbeitstemperaturen von etwa 300°C geeignet. GaAs, SiC oder Diamant als Halb- leitermaterialien sind auch für Arbeitstemperaturen von über 300°C geeignet.

Die im Rahmen der Erfindung eingesetzten Hochtemperatur-Sensorelemente, die zur Messung von geometrischen Größen wie bspw. Abstand, Position, Weg, Dicke oder Schwingung eingesetzt werden und aufgrund dieser Anwendungsbereiche als Wegsensorelemente bezeichnet werden können, basieren auf elektromagnetischen Messprinzipien, d.h. eine induktive, kapazitive oder auf Wirbelströmen basierende Arbeitsweise. Aufgrund dieser Messprinzipien sind diese Sensorelemente besonders für Hochtemperaturanwendungen geeignet. In konstruktiv besonders einfacher Weise kann das Sensorelement ein Substrat mit mindestens einer darin eingebetteten Sensorkomponente wie bspw. Windungen einer Spule aufweisen. In vorteilhafter Weise ist auf dem Substrat mindestens eine Leiterbahn angeordnet, die zum Kontaktieren der Elektronik dienen kann. Das Substrat sollte selbst für den Hochtemperaturbereich geeignet sein, wobei das Substrat in vorteilhafter Weise eine Leiterplatte, vorzugsweise aus Polyimid, PTFE (Polytetrafluorethylen) oder LCP (Liquid Crystal Polymer), oder eine Keramik, vorzugsweise aus AL2O3, LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics) oder HTCC (High Temperature Cofired Ceramics), aufweisen kann. Derartige Hoch- temperatur-Leiterplatten sind bis zu einer Temperatur von etwa 300°C geeignet. Für Temperaturen darüber sind in besonders vorteilhafter Weise Substrate aus Keramik geeignet. Grundsätzlich kann ein keramisches Sensorelement für den Hochfrequenzbereich realisiert werden. Die Elektronik des Wegsensors kann direkt auf dem Sensorelement angebracht werden. Dabei können für erforderliche Aufbau- und Verbindungstechniken hoch- temperaturtaugliche Methoden eingesetzt werden. Bspw. kann in vorteilhafter Weise die Elektronik in einem Keramikgehäuse angeordnet sein oder mindestens eine in einem Keramikgehäuse angeordnete Komponente aufweisen. Dabei können Komponenten der Elektronik oder Elektronikbausteine in einem Keramikgehäuse angeordnet sein. Alternativ hierzu kann die Elektronik als Chip-on-Board oder Chip-on-Ceramic oder als Flip-Chip auf einem Siliziumträger mit dem Sensorelement verbunden werden. Dabei können Halbleiterbausteine - Dies - direkt mittels Aluminium- oder Golddraht-Bonden mit Bondpads auf einem Substrat mit dem Sensorelement verbunden werden. Hierzu können die oben bereits erwähnten Leiterbahnen verwendet werden, die direkt auf dem Substrat angeordnet sein können. Im Fall einer Leiterplatte als Substrat können im Konkreten Kupfer- Leiterbahnen eingesetzt werden. Bei der LTCC- oder HTCC-Technologie können gedruckte Schaltungen oder Leiterbahnen verwendet werden.

In besonders vorteilhafter Weise kann die Ansteuerungselektronik einen Oszillator aufweisen. Mit einem derartigen Oszillator kann die für den Betrieb des Wegsensors erforderliche Frequenz vor Ort am Sensorelement erzeugt werden. Es muss daher kein hochfrequentes Ansteuersignal über eine Leitung von einer entfernten Position aus zu der Elektronik übertragen werden. Der Oszillator kann bspw. ein Sinus-Oszillator oder ein Rechteck-Oszillator sein, wobei ein derartiger Rechteck-Oszillator besonders einfach zu realisieren ist. Die Auswerteelektronik kann grundsätzlich aus mehreren funktionalen Baugruppen bestehen. In besonders vorteilhafter Weise kann die Auswerteelektronik als funktionale Baugruppe ausschließlich einen Demodulator zur Erzeugung eines gleichgerichteten Spannungs- oder Stromsignals aufweisen. Dies stellt eine sehr einfache Ausführung der Auswerteelektronik dar. Mit einer derartigen Ausgestal- tung muss über eine Anschlussleitung kein hochfrequentes Signal übertragen werden, das anfällig für diverse Störeinflüsse ist. In weiter vorteilhafter Weise kann die Auswerteelektronik zusätzlich einen Vorverstärker aufweisen, da in diesem Fall vorverstärkte Signale mit einem höheren Pegel übertragen werden können, die für externe Störungen weniger anfällig sind. Alternativ oder zusätzlich zu ei- nem derartigen Vorverstärker kann die Auswerteelektronik einen Analog-Digital- Wandler aufweisen, mit dem ermittelte Signale bereits digitalisiert werden können, was eine Signalübertragung besonders störsicher macht. Weiterhin kann die Auswerteelektronik alternativ oder zusätzlich zu einem Vorverstärker und/oder einem Analog-Digital-Wandler einen Microcontroller aufweisen, der bereits eine Signalverarbeitung durchführt, bspw. eine Linearisierung, Filterung usw. Bei der Konfiguration der Auswerteelektronik ist besonders vorteilhaft, dass heutzutage auch Microcontroller für Temperaturbereiche bis 200° C verfügbar sind. Komponenten der Elektronik können bspw. in Sol- oder GaAs-Prozessen hergestellt werden.

In besonders vorteilhafter Weise kann die Elektronik aus Logik-Bausteinen bestehen oder Logik-Bausteine aufweisen, bspw. XOR-Gatter, da Logik-Bausteine be- sonders günstig auch in einer Hochtemperatur-Ausführung verfügbar sind. Damit sind sehr einfache Oszillator- und Demodulatorschaltungen realisierbar.

Aufgrund der mit dem Sensorelement direkt verbundenen oder in das Sensorelement integrierten Elektronik können einfache und günstige Kabel für die Versor- gung und Datenübertragung von dem Wegsensor zu Peripheriegeräten und in umgekehrter Richtung verwendet werden, da keine hochfrequenten Signale oder Signale mit niedrigem Pegel übertragen werden müssen. Zur Ansteuerung genügt eine Versorgungsspannung. Die Elektronik am oder im Sensorelement kann ein bereits demoduliertes Signal liefern, für das keine besonderen Anforderungen an die Leitung gestellt werden. Es können daher Standard-Hochtemperaturleitungen oder Stahlmantelkabel für Ausgang und/oder Versorgung verwendet werden, bspw. mit verdrillten Leitungen. Im einfachsten Fall genügt ein Adernpaar (z.B. twisted pair), wenn das Signal auf die Versorgungsleitung in digitaler Form aufmoduliert wird oder analog über eine Stromschnittstelle zur Verfügung gestellt wird. Werden Versorgungs- und Signalleitung getrennt ausgeführt, genügen zwei Adernpaare, bspw. 2 x 2 twisted pair. Diese sind günstiger und einfacher zu verarbeiten als Koaxial- oder Triaxialleitungen. Die Anschlussleitung kann in bekannter Weise durch ein Gehäuse geführt und mit der Elektronik verbunden werden. Hierzu kann die Elektronik einen geeigneten Kabelanschluss aufweisen. Da bei hohen Temperaturen chemische Prozesse beschleunigt ablaufen, ist eine Hermetisierung des Wegsensors oder von Komponenten des Wegsensors besonders vorteilhaft. Im Konkreten können der Wegsensor oder das Sensorelement und/oder die Elektronik hermetisiert sein. Die Hermetisierung hat zwei Aspekte: Zum einen wird verhindert, dass schädliche Stoffe in den Wegsensor oder das Sensorelement und/oder die Elektronik eindringen und dort die Elektronikkomponenten oder die Zuleitungen oder Kontakte angreifen. Zum anderen verhindert die Hermetisierung das Ausgasen bzw. Austreten von Stoffen, die am Einbauort des Wegsensors Verunreinigungen oder Beschädigungen hervorrufen könnten. Eine solche Hermetisierung ist bei bestimmten Anwendungen wie bspw. bei Prozessanlagen oder in der Raumfahrt notwendig.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein Hohlraum des Wegsensors, des Sensorel- ements oder der Elektronik beim Hermetisieren mit einem vorzugsweise trockenen Schutzgas befüllt wird oder evakuiert wird.

Die Hermetisierung kann auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen. In besonders einfacher Weise kann die Hermetisierung durch ein Gehäuse realisiert sein, vorzugsweise durch ein mit dem Substrat - insbesondere umlaufend - verlötetes Gehäuse, welches mit dem Substrat hierdurch hermetisch dicht verbunden ist. Beispielsweise kann ein Metallgehäuse mit einem Keramiksubstrat hermetisch dicht verlötet werden, bspw. durch Aktivlöten oder durch ein Laserschweißen mit vorher per Vakuumlöten aufgelötetem Metallring. Ein derartiges Metallgehäuse bietet in vorteilhafter Weise eine Abschirmung gegenüber Abstrahlung oder Einstrahlung störender Signale.

Alternativ hierzu kann die Hermetisierung durch eine Kapselung im Substrat realisiert sein. Dabei kann eine Anordnung der Elektronik oder einer Komponente der Elektronik in oder auf einer Lage oder Schicht des Substrats realisiert werden. In weiter vorteilhafter Weise kann mindestens eine weitere darüber angeordnete Lage oder Schicht des Substrats zur weiteren Kapselung der Elektronik oder einer Komponente der Elektronik realisiert sein. Mit anderen Worten kann die Elektronik in einer Lage mittels weiterer darüber angeordneter Lagen„vergraben" sein. Hier- durch ist eine besonders sichere Hermetisierung des Sensors und im Konkreten der Elektronik oder einer Komponente der Elektronik realisiert.

Weiterhin kann durch das Metallgehäuse oder die Kapselung eine hohe Druck- dichtigkeit erreicht werden, was bei manchen Anwendungen notwendig ist, wo neben hohen Temperaturen auch hohe Drücke vorherrschen (z. B. bei Tiefbohrungen).

Der erfindungsgemäße Wegsensor kann beispielsweise induktiv, über Wirbelstrom oder kapazitiv arbeiten.

Mit dem erfindungsgemäßen Wegsensor ist ein kompakter, hochtemperaturtaugli- cher Wegsensor mit direkt verbundener oder integrierter Elektronik bereitgestellt, wobei eine einfache Leitung zum Anschluss an Versorgungs- und/oder Periphe- riegeräte verwendet werden kann. Dabei kann eine hohe Signalqualität durch ein mittels der Elektronik des Wegsensors bereits aufbereitetes und verstärktes Signal bereitgestellt werden. Als Anwendung für den erfindungsgemäßen Wegsensor kommt insbesondere die Messung von Abstand, Position, Weg und Schwingung mittels induktivem, kapazitivem oder Wirbelstrom-Messprinzip in Frage.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die nachgeordneten Ansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung zu ver- weisen. In Verbindung mit der Erläuterung bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 in einer geschnittenen Darstellung einen Wegsensor gemäß einem ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 in einer geschnittenen Darstellung ein zweites erfindungsgemäßes

Ausführungsbeispiel, Fig. 3 in einer geschnittenen Darstellung ein drittes erfindungsgemäßes

Ausführungsbeispiel,

Fig. 4 in einer geschnittenen Darstellung ein viertes erfindungsgemäßes

Ausführungsbeispiel und

Fig. 5 ein Blockschaltbild eines fünften erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels. Fig. 1 zeigt in einer geschnittenen Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen kontaktlos arbeitenden Wegsensors mit einem für hohe Temperaturen ausgelegten Sensorelement 1 mit einem mehrlagigen Substrat 2 aus LTCC-Keramik, wobei es sich hier um einen induktiven oder Wirbelstrom- Wegsensor handelt. Im Substrat 2 eingebettet sind mehrlagige Windungen 3 einer Spule des Sensorelements 1. Auf der Rückseite des Substrats 2 ist eine Elektronik mit Elektronikkomponenten 4 angeordnet, wobei jede Elektronikkomponente 4 ein mit dem Substrat 2 verlötetes Keramikgehäuse aufweist. Der Wegsensor misst den Abstand 5 zu einem Messobjekt 6. Fig. 2 zeigt in einer geschnittenen Darstellung ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen kontaktlos arbeitenden Wegsensors, wobei dieses Ausführungsbeispiel im Wesentlichen die gleiche Anordnung wie das erste Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 aufweist. Allerdings weisen die Elektronikkomponenten kein Keramikgehäuse auf, sondern sind durch Halbleiter-Bausteine, so ge- nannte Elektronik-Chips, Dies, 7 gebildet, die mittels Golddraht-Bonds 8 auf Bondpads des Substrats 2 gebondet sind.

Fig. 3 zeigt in einer geschnittenen Darstellung ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen kontaktlos arbeitenden Wegsensors, wobei es sich hier- bei um einen kapazitiven Wegsensor zur Abstandsmessung mit einem Metallgehäuse 9 handelt, das durch Aktivlöten mit dem Substrat 2 aus Keramik verbunden ist. Durch das Aktivlöten ist eine hermetisch dichte Lötverbindung 10 hergestellt. Der kapazitive Wegsensor enthält eine Messelektrode 1 1 und eine konzentrische Schirmelektrode 12, die in das Substrat 2 und damit in das Sensorelement integriert sind.

Fig. 4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel eines kontaktlos arbeitenden erfin- dungsgemäßen Wegsensors, wobei an diesem Beispiel eines Wirbelstrom- Wegsensors eine andere Art der Hermetisierung gezeigt ist. Die Elektronikkomponenten 4 sind innerhalb der Lagen des mehrlagigen Substrats 2„vergraben". Dabei sind die Elektronikkomponenten 4 auf einer Lage angeordnet. Dies geschieht durch die Schaffung eines oder mehrerer Hohlräume 13 im Substrat 2. Dabei wird zunächst eine Lage mit Elektronikkomponenten 4 bestückt. Darauf folgen dann weitere Lagen 14 mit ausgestanzten Freiräumen, die am Schluss mit einer oder mehreren Lagen 15 vollflächig abgeschlossen werden. Nach dem Sintern entsteht eine hermetisch dichte Packung sämtlicher Lagen mit dem eingesinterten Messelement in Form der Spule 3 und der Elektronik aus den Elektronikkomponenten 4.

Fig. 5 zeigt anhand eines Blockschaltbilds ein fünftes Ausführungsbeispiel eines kontaktlos arbeitenden erfindungsgemäßen Wegsensors, wobei es sich hier um einen Wirbelstrom-Wegsensor handelt. Das Sensorelement 1 enthält als Mes- selement eine Spule 24 mit einer Induktivität L und einem Widerstand R, wobei die Spule 24 mit einem Kondensator C 16 zu einem Schwingkreis ergänzt ist. Die Spule 24 ist in dem Substrat versintert. Auf der Rückseite des Substrats befindet sich die Ansteuerungselektronik mit dem Oszillator 17 und die Auswerteelektronik, die aus einem Demodulator 18, einem Vorverstärker 19 und einem Analog-Digital- Wandler 20 als funktionale Baugruppen besteht. Ein mit der Elektronik verbundenes Kabel 21 besteht aus 2 x 2 Adern in twisted-pair-Anordnung, wobei ein Adernpaar 22 als Zuleitung die Versorgungsspannung liefert und ein anderes Adernpaar 23 digitalisierte Signale überträgt. Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Wegsensors wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung sowie auf die beigefügten Ansprüche verwiesen. Schließlich sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Wegsensors lediglich zur Erörterung der beanspruchten Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränken.

Bezugszeichenliste

1 Sensorelement

2 mehrlagiges Substrat

3 Windungen einer Spule, Spule

4 Elektronikkomponente

5 Abstand Sensorelement-Messobjekt

6 Messobjekt

7 Elektronik-Chips (Dies)

8 Golddraht-Bond

9 Metallgehäuse

10 Lötverbindung, Schweißnaht Aktivlot

11 Messelektrode

12 Schirmelektrode

13 Hohlraum

14 Lagen mit ausgestanzten Freiräumen

15 Abschlusslage

16 Kondensator

17 Oszillator

18 Demodulator

19 Vorverstärker

20 AD-Wandler

21 Kabel

22 Adern paar

23 Adern paar

24 Spule