Die vorliegende Erfindung betrifft ein Messgerät mit einem Sensorelement und einer Mess- und Betriebsschaltung. Ein gattungsgemäßes Messgerät umfasst: ein Sensorelement zum Erfassen einer Messgröße, wobei das Sensorelement einen elektrischen Wandler zum Bereitstellen eines von der Messgröße abhängigen elektrischen Primärsignals und einen Sensorkörper mit zumindest einem ebenen Oberflächenabschnitt aufweist; eine Mess- und Betriebsschaltung zum Treiben des elektrischen Wandlers und zum Verarbeiten der von dem elektrischen Wandler bereitgestellten Signale, wobei die Mess- und Betriebsschaltung mindestens einen Träger, und mehrere Schaltungskomponenten aufweist, welche mindestens einen integrierten Schaltkreis, und mindestens ein diskretes, passives elektrisches Bauelement umfassen, wobei der Träger einen elektrisch isolierenden Trägerkörper und Leiterbahnen aufweist, die in dem Trägerkörper und/oder an mindestens einer Trägerkörperoberfläche verlaufen, wobei der integrierte Schaltkreis und das passive elektrische Bauelement an der Trägerkörperoberfläche angeordnet und durch die Leiterbahnen kontaktiert sind. Die Primärsignale, sind möglichst unverfälscht der Mess- und Betriebsschaltung zuzuführen, um eine Wandlung in robustere Signale zu erzielen, die weniger empfindlich gegenüber Störgrößen und Umgebungseinflüssen wie Temperatur und Feuchte sind. Dazu ist die Mess- und Betriebsschaltung Nahe dem Wandler am Sensorkörper angeordnet.

Die Offenlegungsschrift DE 101 35 568 A1 offenbart Druckmessgerät mit einem Sensorelement auf dessen Rückseite eine Mess- und Betriebsschaltung angeordnet und von einer metallischen Kappe überdeckt ist. Die Kappe ist mittels eines Aktivhartlots mit dem Sensorkörper des Sensorelements entlang einer umlaufenden Fügestelle im Randbereich des Sensorkörpers hermetisch dicht gefügt. Dies ist einerseits sehr aufwändig zu fertigen, setzt die Schaltung bei der Fertigung einer großen thermischen Belastung aus, und kann konstruktionsbedingt zu beachtlichen thermomechanischen Spannungen und Hysterese führen.

Die Offenlegungsschrift DE 102 00 780 A1 offenbart ein Druckmessgerät mit einem keramischen Sensorkörper und einem keramischen Topf, der auf der Rückseite des Sensorkörpers angeordnet und von dem Sensorkörper verschlossen ist. In dem Topf ist eine Mess- und Betriebsschaltung eingeschlossen. Der Topf dient zugleich zur rückseitigen Abstützung des Sensorkörpers, ist also eine mechanisch bestimmende Komponente des Druckmessgeräts. Hierbei ist es besonders aufwändig, eine einerseits hermetisch dichte und andererseits hysteresefreie Verbindung zwischen Topf und Sensorkörper zu erzielen.

Die Offenlegungsschrift DE 103 26 975 A1 offenbart ein Druckmessgerät mit

Drucksensorelement, das einen kapazitiven Wandler aufweist, und mit einer Mess- und

Betriebsschaltung die in einer hermetisch dichten Kapsel auf einer rückseitigen Oberfläche eines Sensorkörpers der Druckmesszelle angeordnet ist. Die hermetisch dichte Kapsel umfasst einen keramischen oder metallischen Werkstoff, und ist über eine zentrale Stütze oder Anschlussdrähte beabstandet zu der rückseitigen Oberfläche des Sensorkörpers gehalten. Die Anschlussdrähte bilden eine feuchteabhängige parasitäre Kapazität, wobei eine Hydrophobierung der Anschlussdrähte die Feuchteabhängigkeit verringern soll.

Die Offenlegungsschrift DE 10 2008 054 97 A1 offenbart ein Druckmessgerät mit Drucksensorelement auf dessen Rückseite ein Gehäuse zur Kapselung einer Mess- und Betriebsschaltung aufgelötet ist. In dem Gehäuse ist die Mess- und Betriebsschaltung über Bonddrähte an den kapazitiven Wandler des Drucksensorelements angeschlossen, bevor das Gehäuse mit einem mit dem Gehäuse zu verlötenden Deckel geschlossen wird. Die Konstruktion ist sehr aufwändig und bedingt eine vergleichsweise große Gehäusegrundfläche, da innerhalb des Gehäuses noch Bonddrähte von einem freien Bereich einer rückseitigen Sensoroberfläche zur Mess- und Betriebsschaltung zu führen ist. Dies ist einerseits teuer, verringert die freibleibende Fläche auf der Rückseite des Sensorkörpers, an der Sensorelement abgestützt werden kann. Zudem kann eine große Gehäusegrundfläche bei unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten von Gehäuse, Sensorkörper sowie Lotmaterial zwischen Gehäuse und Sensorkörper größere thermomechanische Spannungen im Sensorkörper bewirken, die in einer Temperaturhysterese resultieren.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Messgerät bereitzustellen, das einerseits unempfindlich ist gegenüber Feuchteeinflüssen und andererseits den Einfluss von thermomechanischen Spannungen auf das Messgerät reduziert. Die Aufgabe wird gelöst durch das Messgerät gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1.

Das erfindungsgemäße Messgerät umfasst: ein Sensorelement zum Erfassen einer

Messgröße, wobei das Sensorelement einen elektrischen Wandler zum Bereitstellen zum

Bereitstellen von messgrößenabhängigen elektrischen Primärsignalen und einen Sensorkörper mit zumindest einem ebenen Oberflächenabschnitt aufweist; eine Mess- und Betriebsschaltung zum Treiben des elektrischen Wandlers und zum Verarbeiten der von dem elektrischen Wandler (130) bereitgestellten Primärsignale, wobei die Mess- und Betriebsschaltung mindestens einen Träger, und mehrere Schaltungskomponenten aufweist, welche mindestens einen integrierten Schaltkreis, und mindestens ein diskretes, passives elektrisches Bauelement umfassen, wobei der Träger einen elektrisch isolierenden Trägerkörper und Leiterbahnen aufweist, die in dem Trägerkörper und/oder an mindestens einer Trägerkörperoberfläche verlaufen, wobei der integrierte Schaltkreis und das passive elektrische Bauelement an der Trägerkörperoberfläche angeordnet und durch die

Leiterbahnen kontaktiert sind; wobei erfindungsgemäß der T rägerkörper an dem

Oberflächenabschnitt fixiert sind, und der Wandler mit Schaltungskomponenten der Mess- und Betriebsschaltung über Leiterbahnen elektrisch verbunden ist, wobei die auf Trägerkörper angeordneten Komponenten mit einer Formmasse eingekapselt sind, insbesondere durch

Umspritzen mit der Formmasse.

Durch Einkapseln der Komponenten der Mess- und Betriebsschaltung auf einem Trägerkörper sind die Komponenten hinreichend gegen Feuchte geschützt.

Die Mess- und Betriebsschaltung weist vorzugsweise einen A/D-Wandler auf, welcher die Primärsignale frühzeitig in der Verarbeitungskette digitalisiert, so dass die weitere Signalverarbeitung weitgehend unempfindlich gegen Feuchteeinflüsse ist.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist der Trägerkörper mittels eines Ball-Grid-Arrays mit Anschlusskontakten des Wandlers in dem Oberflächenabschnitt verbunden.

Die Verbindung des Trägerkörpers mit An Schluss kontakten des Wandlers über ein Ball-Grid- Array führt zu extrem kurzen exponierten elektrischen Verbindungen zwischen dem Sensorkörper und dem Trägerkörper. Damit sind die elektrischen Verbindungen, die unmittelbar einen

Feuchteeinfluss ausgesetzt sind erheblich reduziert.

In einer Weiterbildung der Erfindung bildet das Gehäuse mit dem Träger ein so genanntes Chip Scale Package. Dieser aus dem Englischen stammende Fachbegriff, der aber auch im

Deutschen üblich ist, steht für eine weitergehende Miniaturisierung als sie mit gewöhnlichen Leiterplatten auf Basis von FR-erhältlich sind. Der Abstand zwischen Kontaktpunkten,

beispielsweise in Form eines Ball-Grid-Arrays, mit denen der T räger auf einem Substrat befestigt und/oder an Kontakte angeschlossen wird, beträgt dabei beispielsweise nicht mehr als 2 mm, insbesondere nicht mehr als 1 mm.

In einer Weiterbildung der Erfindung bedeckt eine orthogonale Projektion der Mess-und Betriebsschaltung nicht mehr als 60%, insbesondere nicht mehr als 50% der zweiten Stirnfläche.

Der Sensorkörper kann insbesondere einen keramischen Werkstoff wie Korund oder einen metallischen Werksstoff wie Edelstahl aufweisen. Dann bestehen zwar erhebliche Unterschiede in den Wärmeausdehnungskoeffizienten, aber durch die erhöhte Integration der Mess- und

Betriebsschaltung in dem Chip Scale Package ist die Grundfläche des Trägerkörpers

vergleichsweise klein, so dass die Auswirkung der unterschiedlichen

Wärmeausdehnungskoeffizienten auf die Messgenauigkeit vergleichsweise gering sind.

In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der Trägerkörper ein Kompositmaterial mit einer Matrix aus Kunststoff, beispielsweise einen faserverstärkten Kunststoff, wobei der Kunststoff insbesondere Bismaleimid-Triazin (BT) oder ein Polyimid aufweist, und wobei die Fasern beispielsweise Glas, Keramik wie AI203 und Kombinationen aus Glas oder Keramik mit einem Kunststoff wie Polyimid umfassen. In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Trägerkörper eine Laminatstruktur auf.

In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Sensorkörper im Bereich des

Oberflächenabschnitts einen ersten Werkstoff mit einem ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten auf und wobei der Trägerkörper einen zweiten Werkstoff mit einem zweiten

Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, wobei die Wärmeausdehnungskoeffizienten um mehr als 20 ppm/K voneinander abweichen, so dass eine Temperaturänderung zu unterschiedlichen

Längenausdehnungen führt die eine Verformung des Sensorkörpers im Bereich

Oberflächenabschnitts und eine Verformung des Trägerkörpers bewirken, wobei die

Verformungsenergie des Trägerkörpers mindestens das Zehnfache, insbesondere mindestens das Zwanzigfache und bevorzugt mindestens das Vierzigfache der Verformungsenergie des

Sensorkörpers beträgt.

Durch geeignete Materialauswahl für den Trägerkörper, beispielsweise eine Matrix von Bismaleimid-Triazin (BT) mit eingebetteten Fasern, lässt sich ein effektives Elastizitätsmodul von etwa 4 GPa für den Trägerkörper erzielen. Das sind etwa 1 % des Elastizitätsmoduls eines hochreinen Korundwerkstoffs, der für den Grundkörper eines Sensorkörpers verwendet wird. In dieser Materialpaarung wird ein Großteil der Verformungsenergie zum Ausgleich von

Wärmeausdehnungsunterschieden, vom Trägerkörper aufgenommen, so dass die Messgenauigkeit nicht durch übermäßige Verformung des Sensorkörpers beeinträchtigt wird.

In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die Mess- und Betriebsschaltung mehrere Träger, die übereinandergestapelt sind und mit jeweils einem benachbarten der Träger über ein Ball- Grid-Array verbunden sind.

Durch Stapelung mehrerer Träger kann bei gleicher Grundfläche der Mess- und

Betriebsschaltung deren Funktionalität erheblich erweitert werden, so dass ggf. auf eine bei Messgeräten übliche Hauptelektronik verzichtet werden kann, welche sonst für eine weitere

Signalverarbeitung und Signalkommunikation vorgesehen ist.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist der integrierte Schaltkreis dazu eingerichtet, anhand einer Übertragungsfunktion und des digitalisierten Primärsignals einen die Messgröße

repräsentierenden Wert zu berechnen.

In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die Mess- und Betriebsschaltung einen Mikroprozessor, der dazu eingerichtet ist einen die Messgröße repräsentierenden Wert in ein Signal gemäß einem Kommunikationsprotokoll der Automatisierungstechnik aufzubereiten, insbesondere ein Feldbusprotokoll, beispielsweise ein Protokoll gemäß Foundation Fieldbus, Profibus, HART oder ein Funkprotokoll.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist der integrierte Schaltkreis auf einem ersten Träger und der Mikroprozessor auf einem zweiten Träger angeordnet.

In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die Mess- und Betriebsschaltung weiterhin einen Energiespeicher, insbesondere einen Gold-Cap, einen Akkumulator oder eine Batterie.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist der Energiespeicher auf einem anderen Träger angeordnet als der integrierte Schaltkreis.

In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst das Sensorelement ein Drucksensorelement.

In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst das Drucksensorelement eine Messmembran, wobei der Sensorkörper einen zumindest abschnittsweise zylindrischen Gegenkörper umfasst, wobei die Messmembran an einer ersten Stirnfläche des Gegenkörpers druckdicht mit dem

Gegenkörper verbunden ist, und wobei die Mess- und Betriebsschaltung an einem

Oberflächenabschnitt einer der Messmembran abgewandten zweiten Stirnfläche angeordnet ist.

In einer Weiterbildung der Erfindung umfasst das Drucksensorelement einen kapazitiven Messwandler, der mindestens eine an der Messmembran angeordnete erste Elektrode und mindestens eine an dem Gegenkörper angeordnete zweite Elektrode aufweist die einander zugewandt sind, wobei die Kapazität zwischen der ersten und der zweiten Elektrode von einer druckabhängigen Auslenkung der Messmembran abhängt, wobei zumindest die zweite Elektrode über mindestens eine Durchführung durch den Gegenkörper mit der Mess- und Betriebsschaltung verbunden ist. Anstelle des kapazitiven Wandlers kann gleichermaßen ein (piezo-)resistiver Wandler verwendet werden.

Wenngleich die Erfindung hier insbesondere im Zusammenhang mit Drucksensoren erläutert wird, betrifft sie gleichermaßen Sensorelemente für andere Messgrößen und Überwachungsgrößen der industriellen Prozessmesstechnik, wie Füllstand, Grenzstand, Durchfluss, Temperatur,

Durchflussrate, Dichte Viskosität Feuchte, pH-Wert, elektrische Leitfähigkeit, oder

Zusammensetzung eines Stoffgemischs.

Die Erfindung wird nun anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 : Einen schematischen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines

erfindungsgemäßen Messgeräts. Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Messgeräts ist ein Druckmessgerät 1 , welches ein Drucksensorelement 100 sowie eine Mess- und Betriebsschaltung 200 aufweist.

Das Drucksensorelement 100 umfasst einen zylindrischen, keramischen Gegenkörper 110 und ein keramische Messmembran 120, die unter Bildung einer Messkammer 121 mittels einer umlaufenden, leitfähigen Fügestelle 135, die ein Aktivhartlot aufweist, mit einer ersten Stirnfläche 1 11 des Gegenkörpers 1 10 verbunden. Das Drucksensorelement 100 umfasst weiterhin einen kapazitiven Wandler 130, der mindestens eine Messelektrode 132an der ersten Stirnfläche 1 1 1 des Gegenkörpers 1 10 und eine Membranelektrode 134 an einer dem Gegenkörper 1 10 zugewandten Oberfläche der Messmembran 120 aufweist.

Die Messelektrode 132 ist über eine elektrische Durchführung 133 mit einem ersten durch eine Metallschicht gebildeten Kontaktpunkt 137 an einer zweiten Stirnfläche 115 des Gegenkörpers 1 10 galvanisch verbunden. Die Membranelektrode 134 ist über die Fügestelle 135 und eine metallische Beschichtung 136 einer Mantelfläche 1 17 und Teilen der zweiten Stirnfläche 1 15 des Gegenkörpers 1 10 mit einem zweiten durch eine Metallschicht gebildeten Kontaktpunkt 139 galvanisch verbunden.

Durch den Gegenkörper 1 10 erstreckt sich ein Referenzdruckkanal 140, der in der

Messkammer 121 mündet, sodass die Messkammer 121 mit einem Referenzdruck beaufschlagbar ist. Die Messmembran 120 erfährt demnach eine Auslenkung die von einer Differenz zwischen einem Druck p auf der Außenseite der Messmembran 120 und dem Referenzdruck in der

Messkammer 121 abhängt. Diese Auslenkung wird Mittels des kapazitiven Wandlers 130 erfasst, der an die Mess- und Betriebsschaltung 200 angeschlossen ist. Der kapazitive Wandler 130 umfasst in der Darstellung dieses Ausführungsbeispiels nur eine gegenkörperseitige Elektrode, nämlich die Messelektrode 132, tatsächlich können auch Elektroden am Gegenkörper angeordnet sein nämlich eine zentrale Messelektrode mit einer Kapazität CP zur Membranelektrode 134 und eine die Messelektrode ringförmig umgebende, in der Ruhelage der Messmembran kapazitätsgleiche Referenzelektrode mit einer Kapazität CR zur Membranelektrode. Die Übertragungsfunktion eines solchen kapazitiven Wandlers, der einen Differentialkondensator umfasst, ist in erster Näherung proportional zu (CP-CR)/CP.

Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Mess- und Betriebsschaltung 200 einen Stapel von integriert gekapselten Systemen 220, 240, 260, so genannten System-In-Package- Anordnungen 220, 240, 260, die im folgenden SIP genannt werden. Wenngleich hier drei SIP 220, 240, 260 vorgesehen sind, wird die Erfindung auch durch ein Messgerät mit nur einem ersten SIP 220 realisiert. Das erste SIP 220 umfasst einen Trägerkörper 221 , welcher ein Laminat aus mehreren Lagen eines faserverstärkten Kunstoffs, beispielsweise eine Kunststoffmatrix aus Bismaleimid- Triazin in welche Fasern eingebettet sind, beispielsweise Polyimidfasern, die ihrerseits eine Glasoder Keramikbeschichtung aufweisen können. Zwischen den Lagen und durch die Lagen der Laminatstruktur sind Leiterbahnen präpariert, um die Komponenten des ersten SIP 220 zu kontaktieren, um sie miteinander und mit dem kapazitiven Wandler 130 des Sensorelements 100 zu verbinden. Der Trägerkörper ist mit einem Ball Grid Array mit der zweiten Stirnfläche 1 15 des Gegenkörpers 1 10 fest verbunden, wobei eine erste Lotkugel 223 des Ball Grid Arrays mit dem ersten Kontaktpunkt 137 galvanisch verbunden ist, und wobei eine zweite Lotkugel 225 mit dem zweiten Kontaktpunkt 139 galvanisch verbunden ist, um die Elektroden des kapazitiven Wandlers 130 an das erste SIP 220 die Mess- und Betriebsschaltung 200 anzuschließen. Wenngleich in der Zeichnung nur zwei Kontakte dargestellt sind, können tatsächlich mehrere Kontakte vorhanden sein, insbesondere mindestens drei, nämlich für CP, CR und die Messmembran. Das erste SIP 220 umfasst einen ASIC 224, welcher auf dem Trägerkörper 221 angeordnet und dazu eingerichtet ist, Primärsignale des kapazitiven Wandlers zu digitalisieren und in Abhängigkeit von den digitalisierten Werten anhand einer Übertragungsfunktion einen Druckmesswert bereitzustellen. Das erste SIP 220 umfasst weiterhin passive Komponenten 226, insbesondere Widerstandselemente und Kapazitäten, die benachbart zu dem ASIC 224 auf dem Trägerkörper 224 angeordnet und dazu eingerichtet sind, eine stabile Versorgungsspannung für den ASIC bereitzustellen. Der ASIC 224 und die passiven Komponenten 226 sind mit einer Formmasse 222 mittels Spritzgießen auf dem Trägerkörper 221 eingekapselt. Die Formmasse kann insbesondere in Epoxidharz umfassen. An der dem

Sensorelement 1 10 abgewandten Oberseite des Trägerkörpers 221 sind außerhalb der durch die Formmasse 222 gebildete Kapsel mit den eingekapselten Komponenten 224, 226 weitere

Kontaktpunkte angeordnet, an welche Signalpfade und die elektrische Versorgung des ersten SIP 220 anzuschließen sind.

Im Ausführungsbeispiel ist an diesen Kontaktpunkten ein zweites SIP 240 mit einem zweiten Ball Grid Array befestigt dessen Lotkugeln 243 und 245 in der Zeichnung dargestellt sind, tatsächlich sind hier deutlich mehr Kontakte vorhanden, um den Datenaustausch zwischen den SIP 220, 240 und die Energieversorgung des ersten SIP 220 zu ermöglichen. Das zweite SIP 240 umfasst ebenfalls einen Trägerkörper 241 und mit Formmasse 242 eingekapselte Komponenten 244, 246 der Mess- und Betriebsschaltung 200. Die Komponenten 244, 246 können ein Spannungsregler- Modul 246 und einen Microcontroller für das Wireless-HART-Protokoll 244 zur Kommunikation mit einem Leitsystem der Prozessautomatisierungstechnik, insbesondere zur Messwertübertragung und/oder einen Microcontroller für das Bluetooth-Protokoll zur Messwertübertragung und/oder Parametrierung der Mess- und Betriebsschaltung 200. Das zweite SIP 240 weist an der dem Sensorelement 1 10 abgewandten Oberseite des zweiten Trägerkörpers 241 außerhalb der durch die Formmasse 242 gebildete Kapsel weitere Kontaktpunkte auf, an welche Signalpfade und die elektrische Versorgung des ersten und zweiten SIP 220, 240 anzuschließen sind.

Im Ausführungsbeispiel ist an diesen Kontaktpunkten ein drittes SIP 260 mit einem dritten Ball Grid Array befestigt dessen Lotkugeln 263 und 265 in der Zeichnung dargestellt sind, tatsächlich sind hier deutlich mehr Kontakte vorhanden, um den Datenaustausch zwischen den SIP und die Energieversorgung des ersten und zweiten SIP 220, 240 zu ermöglichen. Das dritte SIP 260 umfasst ebenfalls einen Trägerkörper 261 und mit Formmasse 262 eingekapselte Komponenten 264, 266 der Mess- und Betriebsschaltung umfassen hier eine Batterie 264 zur Energieversorgung der Mess- und Betriebsschaltung 200 und ein Antennenmodul 266 zur Kommunikation mit einem Leitsystem oder einem Bedientool über Wireless HART bzw. Bluetooth.

Die Materialien der Trägerkörper 241 , 261 und der Formmassen 242, 262 des zweiten SIP 240 und des dritten SIP 260 können insbesondere die gleichen Materialien wie jene des

Trägerkörpers 221 bzw. der Formmassen des ersten SIP 220.