Kuhnt, Winfried (Zeppelinstrasse 26 Stuttgart, 70193, DE)
Mast, Martin (Keimenaeckerstrasse 52 Gerlingen, 70839, DE)
Rogge, Berthold (Lenbachstrasse 10 Stuttgart, 70192, DE)
Habibi, Masoud (Am Kraeherwald 145 Stuttgart, 70193, DE)
Mayer, Hanspeter (Adnet 336 B Adnet, A-5421, AT)
Scheurich, Heiko (Kirchtalstrasse 7 Stuttgart, 70435, DE)
Kuhnt, Winfried (Zeppelinstrasse 26 Stuttgart, 70193, DE)
Mast, Martin (Keimenaeckerstrasse 52 Gerlingen, 70839, DE)
Rogge, Berthold (Lenbachstrasse 10 Stuttgart, 70192, DE)
Habibi, Masoud (Am Kraeherwald 145 Stuttgart, 70193, DE)
Mayer, Hanspeter (Adnet 336 B Adnet, A-5421, AT)
| 1. | Gefrierresistenter Drucksensor umfassend : ein Drucksensorgehäuse (9), welches einen Druckmessraum (10) umschließt, eine Druckmesszelle (2) und ein elastisch nachgiebiges Ausgleichselement (1 ; 7, 8) welches im Druckmessraum (10) angeordnet ist. |
| 2. | Gefrierresistenter Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elastisch nachgiebige Ausgleichselement (1) selbst elastische Eigenschaften aufweist. |
| 3. | Gefrierrestistenter Drucksensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das elastisch nachgiebige Ausgleichs element aus Gummi, Schaumstoff oder einer elastisch verformbaren Membrandose ausgeführt ist. |
| 4. | Gefrierrestistenter Drucksensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das elastisch nachgiebige Ausgleichs element (1) als elastische Platte ausgeführt ist. |
| 5. | Gefrierresistenter Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elastisch nachgiebige Ausgleichs element elastisch gelagert ist. |
| 6. | Gefrierresistenter Drucksensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das elastisch nachgiebige Ausgleichselement als elastisch eingeklebte Platte (7) ausgebildet ist. |
| 7. | Gefrierresistenter Drucksensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das elastisch nachgiebige Ausgleichselement als eine über eine Feder gelagerte Platte ausgeführt ist. |
| 8. | Gefrierresistenter Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elastisch nachgiebige Ausgleichs element als eine elastische Gehäusewand ausgebildet ist. |
| 9. | Gefrierrestistenter Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elastisch nachgiebige Ausgleichselement als eine im Gehäuse integrierte elastische Platte ausgebildet ist. |
| 10. | Gefrierresistenter Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckmesszelle (2) in Dickschichttechnik ausgeführt ist oder dass die Druckmesszelle (2) eine Schutzschicht aufweist. |
Der Druck wird als mess-und regeltechnische Größe in einer Vielzahl von Anwendungen benötigt, die von der Medizintechnik bis hin zur Kraftfahrzeugtechnik reichen.
Entsprechend vielfältig sind die Anwendungen von Drucksensoren.
Die Entwicklung der Mikroelektronik und Mikromechanik seit den 70er Jahren hat es ermöglicht, Drucksensoren mit Hilfe der Siliziumtechnologie miniaturisiert, kostengünstig und in großen Mengen herzustellen. Derartige Drucksensoren sind jedoch nicht stabil gegenüber hohen Drücken, wie sie auftreten, wenn der Drucksensor einem Druckmedium ausgesetzt wird, welches sich beim Einfrieren volumenmäßig ausdehnt, wie z. B. Wasser.
Ein Beispiel eines gefrierresistenten Drucksensors zeigt die WO-98/31997. Bei dem dort offenbarten Drucksensor ist ein Silizium-Chip auf einem Glasträger befestigt. Der Glasträger weist eine Öffnung zum Silizium-Chip auf. Der Glasträger ist
auf einem rohrförmigen Träger befestigt, sodass eine durchgängige Leitung gebildet wird. Das Druckmedium steht über die Leitung in Kontakt mit dem Silizium-Chip. In der Leitung ist ein kompressibler Einsatz eingebracht.
Nachteilig bei diesem Drucksensor ist, dass es trotz des kompressiblen Einsatzes möglich ist, dass der Drucksensor beim Gefrieren des Fluids beschädigt wird, da der kompressible Einsatz nur in einem Teilstück der Leitung angeordnet ist und somit Fluid im Bereich des Druckmessraums und nach dem kompressiblen Einsatz gefrieren kann, sodass keine ausreichende Expansionsmöglichkeit für das gefrierende Fluid im Druckmessraum gegeben ist und der Drucksensor beschädigt werden kann. Weiterhin ist nachteilig, dass das Verfahren zum Einbringen des kompressiblen Einsatzes aufwendig ist. Weiter wird der kompressible Einsatz während des Befestigungsvorgangs des Silizium-Chips zum Glasträger beziehungsweise des Glasträgers zum rohrförmigen Träger hohen thermischen Beanspruchungen ausgesetzt, sodass er nur eine geringe Lebensdauer aufweist, bzw. bei der Montage beschädigt werden kann.
Weiter ist aus der WO-98/20248 ein Sensor für den absoluten Druck im Einlasskrümmer bekannt, welcher ein Gehäuse und einen Deckel aufweist. Dabei ist der Deckel mit dem Gehäuse über mehrere Schlitze und entsprechend ausgebildete Vorsprünge verbunden, um ein Lösen des Deckels vom Gehäuse bzw. eine Zerstörung der Verbindung zwischen den beiden Elementen zu verhindern. Ein derartiger Aufbau ist jedoch nicht für einen gefrierresistenten Drucksensor geeignet.
Vorteile der Erfindung Der erfindungsgemäße gefrierresistente Drucksensor mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass ein elastisch nachgiebiges Ausgleichselement im
Druckmessraum angeordnet ist. Dadurch wird sichergestellt, dass bei einem Gefrieren des Fluids im Druckmessraum sich dieses infolge des Vorhandenseins des elastisch nachgiebigen Ausgleichelements im Druckmessraum ausdehnen kann, ohne dass eine Druckmesszelle des Drucksensors zerstört bzw. beschädigt werden kann. Bei einer normalen Druckbeaufschlagung, d. h. wenn das Fluid im Druckmessraum nicht gefroren ist, hat das elastisch nachgiebige Ausgleichselement keine Funktion. Der Druck breitet sich gleichmäßig bis zur Druckmesszelle aus. Wenn nun das Druckmedium einfriert, kann sich kein bzw. höchstens ein sehr geringer Überdruck einstellen, da das elastisch nachgiebige Element der Volumenausdehnung nachgibt und somit eine Volumenausdehnung des Druckmediums aufnimmt. Daher kann eine Beschädigung der Druckmesszelle bzw. des Gehäuses des Drucksensors verhindert werden.
Vorzugsweise weist das elastisch nachgiebige Ausgleichselement selbst elastische Eigenschaften auf. Dabei kann beispielsweise das elastisch nachgiebige Element aus Gummi oder einem Schaumstoff hergestellt sein, oder als eine elastisch verformbare Membrandose ausgeführt sein.
Vorzugsweise ist das elastisch nachgiebige Ausgleichselement als elastische Platte ausgeführt.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist das elastisch nachgiebige Ausgleichselement elastisch gelagert. Dabei ist es beispielsweise möglich, dass die elastische Lagerung durch eine elastisch eingeklebte Platte gebildet wird. Hierbei wird beispielsweise eine feste Platte im Inneren des Drucksensorgehäuses mittels eines Klebstoffes befestigt, welcher auch nach dem Aushärten elastische Eigenschaften aufweist. Um hierbei eine ausreichende Nachgiebigkeit der
elastisch eingeklebten Platte sicherzustellen, sollte noch zusätzlich zwischen der elastisch eingeklebten Platte und der Gehäusewand ein mit einem Gas gefüllter Hohlraum vorhanden sein, welcher zur Aufnahme der Volumenvergrößerung geeigent ist.
Vorzugsweise ist das elastisch nachgiebige Ausgleichselement nur eine über eine Feder gelagerte Platte. Hierbei sollte die Feder nur eine geringe Federkraft besitzen, um eine ausreichende Expansion des Fluids beim Gefrieren im Druckmessraum zu ermöglichen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist das elastisch nachgiebige Ausgleichselement als eine elastische Gehäusewand ausgeführt. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass ein Teil der Gehäusewand eine geringere Dicke als der Rest der Gehäusewand aufweist. Somit lässt sich ein gefrierresistenter Drucksensor besonders einfach und mit geringen Kosten herstellen.
Vorteilhaft ist das elastisch nachgiebige Ausgleichselement als eine im Gehäuse integrierte elastische Platte ausgeführt. Die Größe der elastischen Platte kann dabei entsprechend der bereitzustellenden Volumenvergrößerung dimensioniert werden. Vorzugsweise ist das im Druck- sensorgehäuse befindliche Medium Wasser.
Um einen zusätzlichen Schutz der Druckmesszelle zu gewährleisten, kann die Druckmesszelle z. B. in Dickschicht- technik ausgeführt sein. Weiterhin ist es auch möglich, dass die Druckmesszelle mit einer Schutzschicht versehen ist.
Erfindungsgemäß ist es weiterhin möglich, dass der Drucksensor z. B. als Absolutdrucksensor oder auch als Differenzdrucksensor ausgeführt ist.
Zeichnung In der Zeichung sind zwei Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen gefrierresistenten Drucksensors und Figur 2 zeigt einen Querschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen gefrierresistenten Drucksensors.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele Der Aufbau der Drucksensoren in den Figuren 1 und 2 ist nicht maßstäblich gezeichnet, um ein besseres Erfassen der vorliegenden Erfindung zu ermöglichen.
In Figur 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen gefrierresistenten Drucksensors gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Der Drucksensor umfasst ein Gehäuse 9, eine Druckmesszelle 2 und eine Trägerplatte 3. Die Messzelle 2 ist auf der Trägerplatte 3 befestigt und ist im Inneren eines Druckmessraums 10 angeordnet. Hierbei ist die Trägerplatte 3 fest mit dem Gehäuse 9 verbunden.
Weiter weist der Drucksensor gemäß dem ersten Ausführungs- beispiel einen Druckstutzen 4 auf, welcher mit dem Druckmessraum 10 in Verbindung steht und über den ein
Druckmedium wie z. B. Harnstoff in den Druckmessraum 10 zugeführt werden kann.
Weiter ist im Druckmessraum 10 ein z. B. aus Gummi oder einem Schaumstoff hergestelltes elastisch nachgiebiges Aus- gleichselement 1 angeordnet. Wie in Figur 1 gezeigt, ist das elastisch nachgiebige Ausgleichselement 1 direkt an der Wand des Gehäuses 9 z. B. mittels Kleben befestigt. Hierbei liegt die Druckmesszelle 2 dem elastisch nachgiebigen Ausgleichselement 1 direkt gegenüber. Dies ist eine besonders vorteilhafte Anordnung der Druckmesszelle 2 und des elastisch nachgiebigen Ausgleichselements 1 zueinander, um Beschädigungen der Druckmesszelle 2 zu verhindern.
Um die von der Druckmesszelle 2 aufgenommene Drücke weiter zu verarbeiten, ist die Trägerplatte 3 über eine elektrische Verbindung 5 mit einem Stecker 6 verbunden, über den dann die aufgenommenen Werte z. B. einer Steuer-und/oder Auswerteeinheit zugeführt werden können. Auch werden die Versorgung-und die Signalspannung über die elektrische Verbindung 5 von der Trägerplatte 3 zum bzw. vom Stecker 6 geleitet.
Wenn nun das im Druckmessraum 10 vorhandene Druckmedium einfriert, gibt das elastisch nachgiebige Ausgleichselement 1 nach und wird zusammengedrückt. Dadurch vergrößert sich das Volumen des Druckmessraums 10, sodass die Ausdehnung des Druckmediums infolge des Gefrierens kompensiert werden kann.
Daher wird die Druckmesszelle 2 beim Gefrieren des Druckmediums im Druckmessraum 10 nicht beschädigt. Hierbei kann auch ein sehr geringer Überdruck im Druckmessraum 10 während des Gefrierens auftreten, ohne das die Druckmesszelle 2 beschädigt wird.
In Figur 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen gefrierresistenten Drucksensors dar- gestellt. Gleiche Teile sind mit dem gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet.
Im Gegensatz zu dem gefrierresistenten Drucksensor des ersten Ausführungsbeispiels ist beim zweiten Aus- führungsbeispiel als elastisch nachgiebiges Ausgleichs- element eine elastisch eingeklebte Platte 7 vorgesehen. Die Platte 7 ist derart in einem inneren Hohlraum des Gehäuses 9 eingeklebt, dass im Gehäuse 9 neben dem Druckmessraum 10 noch ein weiterer Hohlraum 11 entsteht. Hierbei wird die Platte 7 mittels eines auch nach dem Aushärten elastischen Klebers an ihrem gesamten Umfang in das Gehäuse 9 eingeklebt. Dadurch entsteht der Hohlraum 11, welcher mit einem Gas, z. B. Luft gefüllt ist. Durch das Einkleben ist der Hohlraum 11 gegebenüber dem Druckmessraum 10 abgedichtet.
Somit besteht das elastisch nachgiebige Ausgleichselement beim zweiten Ausgangsbeispiel aus der Platte 7 sowie der elastischen Lagerung 8, welche durch den Klebstoff bereitgestellt wird.
Wenn nun ein im Druckmessraum 10 vorhandenes Druckmedium gefriert, wird die elastisch eingeklebte Platte 7 infolge ihrer elastischen Lagerung etwas in den Hohlraum 11 hineinbewegt, wodurch sich das Volumen des Hohlraums 11 verkleinert. Da im Hohlraum 11 ein gasförmiges Medium vorhanden ist, ist diese Volumenverkleinerung ohne weiteres möglich. Dadurch kann die beim Gefrieren des Druckmediums im Druckmessraum 10 auftretende Volumenvergrößerung ausgeglichen werden. Somit wird die im Druckmessraum 10 angeordnete Druckmesszelle 2 nicht beschädigt.
Zusammenfassend wurde insoweit ein gefrierresistenter Drucksensor beschrieben, welcher ein Drucksensorgehäuse 9, das einen Druckmessraum 10 umschließt, und eine Druckmess- zelle 2 umfasst. Weiter ist ein elastisch nachgiebiges Ausgleichselement 1, 7,8 vorgesehen, welches im Druck- messraum 10 angeordnet ist.
Die vorhergehende Beschreibung der Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung.
Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihre Äquivalente zu verlassen.
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