Drucksensor auf keramischen Druckstutzen Dabei handelt es sich um einen MEMS Drucksensor zum Einsatz in gefrierenden oder hochviskosen Medien, insbesondere zum Einsatz in der Automobiltechnik.

Es kommt vor, dass Kondensat, gefrierende oder hochviskose Medien ein Messesignal von Drucksensoren verfälschen. Solche sind unter anderem heiße, viskose, dünnflüssige kalte, wässrige oder ölige Phasen, kalte dickflüssige Öle,

gefrorenes Wasser oder Kraftstoff. Die Folgen einer

verfälschten Messung können sein: Ungenügende Abgasreinigung, ein Motorschaden oder allgemein ein Schaden an anderen

Elementen eines zu überwachenden Prozesses. Durch eine erhöhte Anforderung an die Abgasreinhaltung von

Verbrennungsmotoren ist es z.B. notwendig, direkt nach einem Motorkaltstart exakte Druckmessungen durchzuführen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Drucksensor anzugeben, der bereits zeitnah zum Motorkaltstart eine korrekte Druckmessung durchführen und die Lebensdauer des Drucksensors erhöhen kann.

Die Aufgabe wird durch einen Drucksensor gemäß dem

vorliegenden Anspruch 1 gelöst. Abhängige Ansprüche geben vorteilhafte Ausführungen an. Zur Lösung der Aufgabe wird ein Drucksensor vorgeschlagen, mit dem es möglich ist relative oder absolute Drücke zu messen. Dieser umfasst ein Gehäuse, welches wiederum eine Gehäusewand umfasst. Die Gehäusewand kann für eine Messung eines Absolutdrucks abgedichtet sein und für eine Messung des Relativdrucks Öffnungen enthalten, um z.B.

Atmosphärenbedingungen als Referenzdruck zu verwenden. In dem Gehäuse sind angeordnet: ein Sensorelement und ein

Keramiksubstrat.

Das Sensorelement ist ein Bauteil mit dem eine druckbedingte Auslenkung einer Membran bestimmt wird. Es kann in

verschiedenen technischen Varianten ausgeführt sein: z.B. eine direkte Druckbestimmung über Nutzung Piezoeffekt oder über Messung der Dehnung der Membran mithilfe von z.B.

Widerstandselementen. Für die Orientierung des Sensorelements wird im Folgenden die Seite des Sensorelements, an der sich die Membran befindet, als Oberseite des Sensorelements bezeichnet und die gegenüberliegende Seite als Unterseite des Sensorelements .

Das Keramiksubstrat dient als Träger für das Sensorelement und dessen elektrischen Anschluss. Der elektrische Anschluss auf dem Keramiksubstrat dient dazu ein Messsignal aus dem

Drucksensor zu leiten, wo es extern verarbeitet wird und dem Signal ein Druck zugeordnet wird. Das Sensorelement ist so mit dem Keramiksubstrat verbunden, dass sowohl die Oberseite als auch die Unterseite für verschiedene Medien zugänglich sind. Das Sensorelement kann als MEMS-Bauteil ausgebildet sein .

Des Weiteren ist ein Heizelement Bestandteil des

Drucksensors. Es kann an verschiedenen Positionen im

Drucksensor angebracht sein mit dem Zweck, im Drucksensor eine Betriebstemperatur zu erreichen, die eine exakte Messung erlaubt. Durch das Aufheizen des Drucksensors werden mögliche feste und flüssige Kondensate aufgetaut, ggfs. verdampft und zusammen mit eventuell vorhandenen hochviskosen Medien aus dem Drucksensor ausgetrieben bzw. ausgeheizt. Mit dem

Heizelement ist es auch möglich, eine Bildung von

Eiskristallen zu verhindern, die das Sensorelement

beschädigen oder zerstören können.

Der Drucksensor umfasst ein Glas-Keramik-Röhrchen, das an der Unterseite des Sensorelements angeordnet ist. Das Glas- Keramik-Röhrchen dient der Medienzuführung zum Sensorelement und ist durch die Gehäusewand hindurch geführt, wobei das Medium im Inneren des Glas-Keramik-Röhrchens zur Unterseite des Sensorelements transportiert wird, bzw. dort mit dem Sensor in Kontakt treten kann. Der Druck im Medium liegt dann auch am Sensorelement an. Das Medium kann außerhalb des Sensors in einem geschlossenen System eingeschlossen sein. Mit dem Glas-Keramik-Röhrchen ist eine thermische Brücke zwischen dem Sensorelement und dem zu überwachendem System geschaffen und es werden die Medieneigenschafften Druck und Temperatur vom zu messenden System an das Sensorelement übertragen. Das Glas-Keramik-Röhrchen dient der verbesserten Abdichtung der Druckmessung.

Der Drucksensor umfasst eine Gelfüllung die in einer

Gelbegrenzung auf dem Keramiksubstrat und ist an der

Oberseite des Sensorelements angebracht. Die Gelbegrenzung ist ein oben und unten offener Behälter, der mit der Membran des Sensorelements an seiner Oberseite abschließt und von oben mit einem Gel befüllt sein kann. Die Gelfüllung

überträgt den Atmosphärendruck vom Inneren des Gehäuses auf die Membran des Sensorelements und erfüllt dabei selbst die Funktion einer Membran. Durch die Gelfüllung wird die

Oberseite des Sensorelements geschützt, z.B. vor den

Einflüssen von Feuchtigkeit in der Atmosphäre. Das Heizelement ist beispielsweise dazu ausgebildet, den Drucksensor auf eine Temperatur deutlich oberhalb des

Gefrierpunkts zu erwärmen. Beispielsweise ist eine Erwärmung auf eine Temperatur zwischen 20° C und 50 °C, insbesondere bis zu 160° C vorgesehen.

Das Heizelement kann an vielen verschiedenen Positionen angebracht sein. Diese liegen alle im inneren des

Drucksensors und werden im Folgenden in einer nicht

erschöpfenden Liste aufgeführt:

Das Heizelement kann angeordnet sein

- in oder auf dem Keramiksubstrat (Positionen A und B) , wobei das Heizelement hier vorzugsweise in der Nähe der elektrischen Anschlüsse angebracht ist. Das

Keramiksubstrat kann auch als Schichtkeramik ausgebildet sein. Das Heizelement kann beispielsweise auf eine

Schicht im Inneren oder auf einer Oberfläche des

Keramiksubstrats aufgedruckt sein.

- in dem Gehäuse, z.B. innen an der Gehäusewand (Position

C) , wobei das Heizelement durch Kleben, Klemmen oder Löten in direktem Kontakt zu Bauteilen des Gehäuses steht,

- innerhalb der Gehäusewand (Position D) ,

- in oder auf dem Glas-Keramik-Röhrchen (Positionen E und

F) , oder

- auf der Gelbegrenzung (Position G) . Das Heizelement kann auch in die Gelbegrenzung integriert sein. Die verschiedenen Ausführungen des Heizelements können umfassen: einen leitfähigem Kunststoff, einen z.B. als

Mäander geformten Widerstand oder einen Widerstand mit positiven Temperaturkoeffizienten. Der Vorteil einer möglichen Mäanderform des Widerstands ist, dass der

Widerstand länger ist und folglich einen höheren Wert hat, was zu einer höheren Heizleistung führt. Mit der Verwendung eines Widerstands mit positiven Temperaturkoeffizienten ist eine externe Regelung einer Heizleistung des Heizelements nicht mehr nötig.

In einer weiteren Ausführungsform ist das Heizelement in das Gehäuse des Sensors integriert und kann Mikrowellen

ausstrahlen, mit denen die zu messenden Medien erhitzt werden. Dadurch findet die Erwärmung direkt im Medium statt und es kommt zu einer optimaleren Nutzung der Heizleistung. Ein derartiges Heizelement kann auch an einer anderen Stelle des Sensors angeordnet sein.

Eine Zuführung der Heizleistung kann über verschiedene Wege stattfinden. Dabei gibt es z.B. die Möglichkeit über die Stromzufuhr des Drucksensors, als auch die Variante einer zusätzlichen und vom Sensorelement unabhängigen

Stromversorgung. Die Separation der Energieversorgung hat den Vorteil, dass die Messsignale nicht beeinträchtigt werden.

Neben dem beschriebenen Heizelement kann der Drucksensor ein weiteres Heizelement in einer der erläuterten Bauformen umfassen. Dieses kann an einer der beschriebenen Positionen angebracht sein, die aber von der Position des ersten

Heizelementes verschieden ist. Durch den Einsatz mehrerer Heizelemente kann der Drucksensor homogener und somit effizienter aufgeheizt werden.

Der vorgehend beschriebene Drucksensor ist beispielsweise zu einer Verwendung in einem Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Einsatz im Abgasbereich eines Kraftfahrzeugs ausgebildet, z.B. im Bereich eines Dieselpartikelsensors oder eines Harnstoffsensors .

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betrieb des vorgehend beschriebenen Drucksensors

angegeben. Gemäß dem Verfahren wird bei einer Inbetriebnahme des Drucksensors das Heizelement zur Aufheizung des

Drucksensors angeschaltet, bis eine festgesetzte

Betriebstemperatur erreicht ist. Bei der festgesetzten

Betriebstemperatur erfolgt eine erste Druckmessung. Das Heizelement wird zur Senkung des Energieverbrauchs

beispielsweise möglichst wenig im Betrieb des Drucksensors zur Heizung eingeschaltet. Beispielsweise wird das

Heizelement bei Erreichen der Betriebstemperatur

abgeschaltet. Ein Gefrieren des Drucksensors wird nachfolgend durch die Motorwärme verhindert. Alternativ ist auch ein dauerhafter Betrieb des Heizelements möglich, um ein

Einfrieren während der Fahrt zu verhindern. Im Folgenden werden die Erfindung und ihre Komponenten anhand einer Auswahl von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen schematischen Figuren näher erläutert.

Figur 1 zeigt die schematische Schnittansicht eines

Drucksensors DS mit verschiedenen Positionen für ein oder mehrere Heizelemente und deren relativen Bezug zu anderen Komponenten des Drucksensors.

Figur 2 zeigt die schematische Schnittansicht eines

Sensorelements.

Die in Figur 1 gezeigte Schnittansicht zeigt den

schematischen Aufbau eines Drucksensors. Dieser weist ein Gehäuse GH umfassend eine Gehäusewand GW auf, ein innerhalb des Gehäuses befindliches Keramiksubstrat KS, ein in das Keramiksubstrat eingebettetes Sensorelement SE, ein Glas- Keramik-Röhrchen GR an der Unterseite des Sensorelements und eine Gelfüllung GF in einer Gelbegrenzung GB an der Oberseite des Sensorelements.

Außerdem sind mehrere verschiedene Varianten zur möglichen Positionierung eines oder mehrerer Heizelemente H,

insbesondere an den Positionen A bis G eingezeichnet. Die eingezeichneten beispielhaften Anbringungsorte des

Heizelements sind wie folgt: Das Heizelement kann

- in oder auf dem Keramiksubstrat (Positionen A und B) ,

- in dem Gehäuse, z.B. innen an der Gehäusewand (Position C) ,

- innerhalb der Gehäusewand (Position D) ,

- in oder auf dem Glas-Keramik-Röhrchen (Positionen E und F) , oder

- auf der Gelbegrenzung (Position G)

angeordnet sein.

Alle Darstellungen der Positionen des Heizelements sind rein schematisch und stehen in keinem Maßstab zu einander oder zu der Größe der jeweilig dargestellten Bauteile.

Figur 2 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht des

Sensorelements SE . Hier ist eine Membran des Sensorelements MS zu erkennen, die hier die Oberseite OS des Sensorelements bildet. Der Oberseite gegenüberliegend ist eine Unterseite US des Sensorelements angeordnet, in der sich ein Mediengang MG zur Membran des Sensorelements MS befindet. Die in Figur 1 und 2 dargestellte Form des Sensorelements is nur beispielhaft. Es können auch andere Formen oder

Materialien zur Konstruktion eines Sensorelements verwendet werden .

Bezeichnungsliste :

A Heizelement auf Keramiksubstrat

B Heizelement in Keramiksubstrat

BL Belüftung

C Heizelement im Gehäuse

D Heizelement in Gehäusewand

DS Drucksensor

DZ Druckzufuhr

E Heizelement in Glas-Keramik Röhrchen

F Heizelement auf Glas-Keramik Röhrchen

G Heizelement auf der Gelbegrenzung

GB Gelbegrenzung

GF Gelfüllung

GH Gehäuse

GR Glas-Keramik :-Röhrchen

GW Gehäusewand

H Heizelement

KS Keramiksubstrat

MG Mediengang

MS Membran des Sensorelements

OS Oberseite des Sensorelements

SE Sensorelement

US Unterseite des Sensorelements