Membran, Drucksensorsystem und Verfahren zur Herstellung des DrucksensorSystems

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Membran und ein

Drucksensorsystem, das eine Membran aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des

Drucksensorsystems .

Drucksensoren sind weit verbreitete Bauteile für die Messung von Absolut-, Relativ- und Differenzdrücken in einer Vielzahl von technischen Anwendungen. Insbesondere in der

Automobilindustrie ist eine exakte Messung von Drücken mittels Drucksensoren unerlässlich. So wird durch die exakte Messung von Differenzdrücken am Abgasstrang von Diesel- und Ottomotoren eine effiziente Abgasreinigung mittels

Partikelfiltern erreicht.

Um den stetig steigenden Anforderungen an die Abgasreinigung zu genügen, müssen Differenzdrücke am Abgasstrang so schnell wie möglich, idealerweise direkt nach einem Motorkaltstart gemessen werden. Dies kann insbesondere im Winter zu

Problemen führen, da Kondensate, die in einem Abgas enthalten sind, gefrieren können. Gefrorene Kondensate können direkt an druckempfindlichen Membranen des Drucksensors anhaften oder sich in Hinterschneidungen in einer Medienzuleitung des

Drucksensors sammeln. Dies kann zur Verfälschung von

Messsignalen oder schlimmstenfalls, durch Expansion des

Kondensats beim Gefrieren, zur Beschädigung des Drucksensors führen . Da die druckempfindlichen Membranen in den Drucksensoren dazu dienen, Drücke, die von druckerzeugenden Medien erzeugt werden, zu detektieren und/oder weiterzuleiten, ist es für eine zuverlässige Druckmessung vorteilhaft, wenn die

druckempfindlichen Membranen frei von anhaftenden Kondensaten sind .

Um insbesondere die druckempfindlichen Membrane von

gefrorenen Kondensaten zu befreien, werden herkömmlicherweise die Drucksensoren an Orten des Motors platziert, wo die gefrorenen Kondensate durch Motorabwärme auftauen können. Da dafür aber eine gewisse Temperatur des Motors notwendig ist, wird eine gewisse Zeit benötigt, um diese Temperatur zu erreichen. Dadurch ist eine Druckmessung am Abgasstrang direkt nach dem Motorkaltstart nicht gewährleistet.

Weiterhin ist es möglich den Drucksensor mittels eines zusätzlichen Heizeielements zu beheizen. Obwohl dadurch gefrorene Kondensate schnell und effizient aufgetaut werden können, widerspricht ein zusätzlicher Energiebedarf, der für ein Beheizen des Drucksensors notwendig ist, dem Gedanken eines energieeffizenten und umweltschonenden Fahrzeugs.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher das

Bereitstellen einer Membran, die für die Verwendung in einem Drucksensorsystem geeignet und vorgesehen ist. Des Weiteren ist die Membran unter Bedingungen, die zu einer Bildung von gefrorenen Kondensaten auf der Membran führen können, ohne Wärmezufuhr jeglicher Art, frei von solchen Kondensaten.

Weiterhin werden ein Drucksensorsystem, das die Membran aufweist, und ein Verfahren zur Herstellung des

Drucksensorsystems angegeben. Diese Aufgaben werden durch eine Membran nach Anspruch 1 gelöst. Ein Drucksensorsystem, das eine Membran aufweist und ein Verfahren zur Herstellung des Drucksensorsystems sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen.

Es wird eine Membran bereitgestellt, die eine hydrophobe Stelle aufweist.

Also hydrophob soll hier und im Folgenden eine Stelle der Membran bezeichnet werden, bei der nach Aufbringung eines Wassertropfens auf die Stelle ein Kontaktwinkel zwischen dem Wassertropfen und der Stelle von mehr als 90° gemessen wird.

Weiterhin wird ein Drucksensorsystem bereitgestellt, das ein Gehäuse, mindestens eine Medienzuleitung und ein

drucksensitives Element umfasst, wobei das drucksensitive Element mindestens eine Membran aufweist.

Des Weiteren wird ein Verfahren zur Herstellung eines

Drucksensorsystems, das eine Membran enthält, angegeben. Dieses Verfahren umfasst folgende Schritte:

- Bereitstellen eines Gehäuses, das mindestens eine

Medienzuleitung aufweist,

- Bereitstellen eines Sensorkerns,

- Bereitstellen eines inerten Öls,

- Bereitstellen einer Membran,

- Erzeugen einer hydrophoben Stelle auf der Membran,

- Herstellen eines drucksensitiven Elements aus dem

Sensorkern, dem inerten Öl und der Membran, die die

hydrophobe Stelle aufweist,

- Befestigen des drucksensitiven Elements in dem Gehäuse mittels Klebungen, um ein Drucksensorsystem zu erhalten. Die Membran kann derart ausgestaltet sein, dass die

hydrophobe Stelle eine gesamte Außenfläche der Membran, die direkt in Kontakt mit einem druckerzeugendem Medium, ist. Das druckerzeugende Medium kann beispielsweise ein Abgas eines Otto- oder Dieselmotors sein.

Die hydrophobe Stelle an der Membran verhindert, dass sich Kondensate an selbiger niederschlagen . Da dadurch keine

Kondensate an der Membran anhaften, können diese auch nicht an selbiger gefrieren. Dadurch wird ein Entfernen von

gefrorenen Kondensaten mittels Beheizen der Membran durch beispielsweise Motorabwärme oder ein zusätzliches Heizelement überflüssig. Dies ermöglicht eine Druckmessung direkt nach dem Motorkaltstart ohne zusätzlichen Energieverbrauch.

Weiterhin verhindert die hydrophobe Stelle eine Anhaftung von Verschmutzungen an der Membran, wodurch eine passive

Selbstreinigung der Membran ermöglicht wird.

Des Weiteren kann die Membran des drucksensitiven Elements derart ausgestaltet sein, dass die Membran für eine Anwendung in dem Drucksensorsystem in vertikaler Ausrichtung geeignet und vorgesehen ist. Durch die vertikale Ausrichtung der

Membran können die Kondensate effektiv von selbiger

abfließen. Dies führt dazu, dass Messfehler verringert werden .

Weiterhin kann die Medienzuleitung des Drucksensorsystems eine kritische Fläche aufweisen, die derart ausgebildet ist, dass

- die kritische Fläche mit einer gedachten, horizontalen Hilfsfläche einen Tiefenwinkel ß einschließt, für den gilt:

0° < ß < 90°,

- und die kritische Fläche keine Hinterschneidungen bildet. Als kritische Flächen werden hier und im Folgenden Flächen bezeichnet, auf denen sich durch Schwerkrafteinfluss

Kondensate sammeln können, die beim Gefrieren dazu führen können, dass das drucksensitive Element des

Drucksensorsystems beeinträchtigt oder beschädigt wird.

Durch eine Ausgestaltung der kritischen Fläche derart, dass diese in dem Tiefenwinkel ß geneigt ist und keine

Hinterschneidungen bildet, kann ein effizentes Abfließen der Kondensate durch Schwerkrafteinfluss erfolgen. Dadurch werden Messfehler und eine Gefahr einer Beschädigung des

drucksensitiven Elements durch gefrierende Kondensate

verringert .

Des Weiteren kann das drucksensitive Element des

Drucksensorsystems mittels Klebungen, die aus einem

medienresistenten Klebstoff bestehen, in dem Gehäuse

befestigt sein.

Ein medienresistenter Klebstoff ist ein Klebstoff, der seine Eigenschaften, insbesondere seine Haftwirkung, unter

Einwirkung des druckerzeugenden Mediums nicht verändert.

Dadurch wird gewährleistet, dass sich Klebungen unter der Einwirkung des druckerzeugenden Mediums nicht auflösen. Dies ist insbesondere für die Messung von Differenzdrücken am Abgasstrang von Otto- und Dieselmotoren wichtig, da die

Abgase meistens auch aggressive Stoffe wie Säuren enthalten, die ansonsten zu einer Beschädigung der Klebungen führen können .

Durch die Verwendung von Klebungen kann auf andere

Befestigungsmittel und Abdichtungen für das drucksensitive Element wie O-Ringe oder Metallstutzen verzichtet werden. Dadurch ist es möglich, das Drucksensorsystem derart

auszugestalten, dass die kritische Fläche, die in einem

Tiefenwinkel ß geneigt ist und keine Hinterschneidungen bildet, direkt in Kontakt mit dem drucksensitiven Element ist. Dies führt dazu, dass keine Flächen in direktem Kontakt mit dem drucksensitiven Element sind, die es ermöglichen, dass sich Kondensate direkt an selbigen sammeln können.

Des Weiteren kann die Membran des Drucksensorsystems einen Durchmesser aufweisen, der ein Durchmesser der

Medienzuleitung des Drucksensorsystems ist. Maßgeblich für den Durchmesser der Membran ist der Durchmesser des Teils der Medienzuleitung, der in direktem Kontakt mit dem

drucksensitiven Element ist. Dadurch wird es ermöglicht, weitere Bestandteile des drucksensitiven Elements, wie beispielsweise Schweißringe, die als Sammelstellen für

Kondensate dienen können, in das Gehäuse des

Drucksensorsystems zu integrieren.

Weiterhin kann die Membran des Drucksensorsystems aus einem Membranmaterial bestehen, dass ausgewählt ist aus einer

Gruppe umfassend Metalle und Silizium. Insbesondere die

Verwendung von Edelstahl als Membranmaterial führt im

Vergleich zu anderen Membranmaterialien zu einer Verbesserung einer Beständigkeit des drucksensitiven Elements gegenüber aggressiven Medien wie Säuren.

Ferner kann die hydrophobe Stelle der Membran des

Drucksensorsystems aus einer zusätzlichen hydrophoben

Schicht, die ein hydrophobes Material enthält, bestehen.

Insbesondere kann die zusätzliche hydrophobe Schicht

Fluorosilane enthalten. Des Weiteren kann die hydrophobe Stelle der Membran des Drucksensorsystems eine Vielzahl von hierarchisch

angeordneten mikrometergroßen und submikrometergroßen

Einheiten aufweisen, die aus dem Membranmaterial bestehen. Einzelne mikrometergroße Einheiten können einen Durchmesser von 1 ym bis 5 ym aufweisen. Einzelne submikrometergroße Einheiten können einen Durchmesser < 1 ym aufweisen. Der Begriff hierarchisch bedeutet hier, dass auf den

mikrometergroßen Einheiten, die direkt auf einer Stelle der erfindungsgemäßen Membran ausgebildet sind, die die

hydrophobe Stelle werden soll, eine Vielzahl von

submikrometergroßen Einheiten ausgebildet ist. Durch eine Anordnung einer Vielzahl solcher hierarchisch angeordneten mikrometergroßen und submikrometerkgroßen Einheiten wird die hydrophobe Stelle erzeugt, die eine Anhaftung von Kondensaten an die Membran effektiv verhindert.

Die hydrophobe Stelle der Membran kann durch Beschichten einer Stelle der Membran, die die hydrophobe Stelle werden soll, mit einer zusätzlichen hydrophoben Schicht, die ein hydrophobes Material enthält, erzeugt werden.

Weiterhin kann die hydrophobe Stelle der Membran durch eine Temperaturbehandlung einer Stelle der Membran, die die hydrophobe Stelle werden soll, erfolgen. Die

Temperaturbehandlung erfolgt dabei in einem Medium, das ausgewählt ist aus einer Menge, die wenigstens Luft, reaktive Gase, reaktive Lösungen und Plasma enthält.

Als reaktiv sollen hier und im Folgenden Gase und Lösungen bezeichnet werden, die dazu geeignet sind, mittels chemischer Reaktionen, eine nicht hydrophobe Stelle der Membran derart zu verändern, dass die Stelle hydrophob wird.

Im Folgenden werden ein drucksensitives Element, das eine Membran mit einer hydrophoben Stelle aufweist und ein

Drucksensorelement anhand von schematischen Figuren

beschrieben .

Figur 1 zeigt im Querschnitt einen Ausschnitt eines

drucksensitiven Elements.

Figur 2 zeigt im Querschnitt ein Drucksensorsystem.

Figur 1 zeigt im Querschnitt einen Ausschnitt eines

drucksensitiven Elements 1. Das drucksensitive Element 1 umfasst eine Sensorkern 2, der eine Aussparung 3 aufweist, die mit einer Membran 4 aus Edelstahl bedeckt ist. Der

Sensorkern 2 weist alle notwendigen Bauteile, wie ein

Messelement und ein Signalwandler, auf, um Drücke, die von einem druckerzeugendem Medium erzeugt werden, in ein

normiertes Ausgangssignal umzuwandeln. Weiterhin umfasst der Sensorkern auch Befestigungsmittel für die Membran 4. Die Aussparung 3 des Sensorkernerns 2 ist mit einem inerten Öl gefüllt. Das inerte Öl schützt den Sensorkern 2 vor

Beschädigungen durch das druckerzeugende Medium. Drücke, die auf die Membran 4 ausgeübt werden, werden direkt über das inerte Öl, das nicht kompressibel ist, auf das Messelement übertragen. Das Messelement wiederum erzeugt ein Signal, das mittels des Signalwandler in ein normiertes Ausgangssignal umgewandelt wird.

Ferner weist die Membran 4 eine hydrophobe Stelle 5 auf, die auf einer gesamten Außenfläche der Membran 4 ausgebildet ist, die dem druckerzeugendem Medium ausgesetzt ist. Durch das Ausbilden der hydrophoben Stelle 5 auf der Membran 4 wird ein Anhaften von Kondensaten, die in dem druckerzeugendem Medium enthalten sind, an der Membran weitgehend verhindert. Dadurch wird eine Beeinträchtigung oder Zerstörung des

drucksensitiven Elements 1 durch die Kondensate, die

gefrieren können, effektiv vermieden.

Figur 2 zeigt im Querschnitt ein Drucksensorsystem. Das

Drucksensorsystem umfasst ein Gehäuse 6, zwei

Medienzuleitungen 7 und ein drucksensitives Element 1, ähnlich dem, wie es in Figur 1 beschrieben ist. Das

drucksensitive Element 1 weist zwei Membranen 4 auf, die vertikal ausgerichtet sind und die sich auf zwei

gegenüberliegenden Seiten des drucksensitiven Elements 1 befinden. Des Weiteren weisen die beiden Membranen 4 jeweils einen Durchmesser auf, der der Durchmesser x des Teils der Medienzuleitungen 7 ist, der mittels der Klebungen 8 in direktem Kontakt mit dem drucksensitiven Element 1 ist. Dies ermöglicht es weitere Bauteile des drucksensitiven Elements 1 wie Schweißringe in das Gehäuse 6 zu intergrieren, wodurch Flächen, an denen sich Kondensate sammeln können, reduziert werden .

Das drucksensitive Element 1 ist über Klebungen 8 in dem Gehäuse 6 befestigt. Dies ermöglicht einen direkten Kontakt der kritischen Flächen 9 der Medienzuleitungen 7 mit dem drucksensitiven Element. Ferner sind die kritischen Flächen 9 derart ausgestaltet, dass sie in einem Tiefenwinkel ß, der von der jeweiligen kritischen Fläche 9 und einer horizontalen Hilfsfläche h aufgespannt wird, geneigt sind und keine

Hinterschneidungen bilden. Dies in Verbindung mit der

vertikalen Ausrichtung der Membran 4 ermöglicht eine effiziente Abführung der Kondensate. Dadurch kann eine

Beeinträchtigung oder sogar Beschädigung des drucksensitiven Elements durch die Kondensate, die gefrieren können,

weitestgehend verhindert werden.

Der hier gezeigte Aufbau des Drucksensorsystems umfasst eine erste Kammer A und eine zweite Kammer B, die durch das drucksensitive Element 1 voneinander getrennt sind. Dieser Aufbau ermöglicht es Differenzdrücke zu messen. Insbesondere ist es möglich Differenzdrücke am Abgasstrang eines Otto- oder Dieselmotors zu messen. Dabei wird ein Abgasdruck vor Eintritt in einen Partikelfilter, beispielsweise in Kammer A, bestimmt und ein Abgasdruck nach Austritt aus dem

Partikelfilter, beispielsweise in Kammer B, bestimmt. Die Differenz aus den beiden Abgasdrücken ergibt den

Differenzdruck, der Aussagen über einen Verschmutzungsgrad eines Partikelfilters zulässt.

Die Membran, das Drucksensorsystem und das Verfahren zur Herstellung eines Drucksensorsystems sind nicht auf die beschriebenen Merkmale beschränkt. Weiterhin sind auch

Ausführungsformen des Drucksensorsystems möglich, die für die Messung von Relativdrücken und Absolutdrücken geeignet sind.

Bezugszeichenliste

1 drucksensitives Element

2 Sensorkern

3 Aussparung

4 Membran

5 hydrophobe Stelle

6 Gehäuse

7 Medienzuleitung

8 Klebung

9 kritische Fläche

A erste Kammer

B zweite Kammer

h horizontale Hilfsfläche

x Durchmesser des Teils der Medienzuleitung, der in direktem Kontakt mit dem drucksensitiven Element ist