Sensor zur Messung von Druck und Temperatur

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor zur Messung von Druck und/oder Temperatur. Der Sensor kann zum Einsatz bei hohen Drücken und hohen Temperaturen in aggressiven Medien ausgebildet sein. Solche Sensoren werden beispiels weise in der Automobilindustrie bei der Kraftstoff einspritzung benötigt.

Die Druckschriften DE 102005 056 762 Al, DE 102017 121 189 Al und DE 102012 013 416 Al beschreiben jeweils Druck- oder Temperatursensoren, bei denen ein Temperaturfühler, beispielsweise in Form eines Thermistors, im Inneren eines Gehäuses angeordnet ist.

Die WO 00/19178 beschreibt einen Sensor, bei dem eine Edelstahlmembran im Sensorgehäuse angeordnet ist, wobei auf der Rückseite der Edelstahlmembran Dehnmessstreifen und ein Auswerteschaltkreis angeordnet ist.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Sensor zur Messung von Druck und/oder Temperatur anzugeben .

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein Sensor zur Messung von Druck und/oder Temperatur ein Gehäuse und eine Membran zur Verformung bei Druckeinwirkung durch ein Medium auf, wobei die Membran an einem zum Kontakt mit dem Medium ausgebildeten Ende des Sensors angeordnet ist. Insbesondere handelt es sich um eine Frontseite des Sensors. Die Membran ist somit nicht im Inneren eines Sensorgehäuses angeordnet, sondern bildet selbst eine Außenfläche des Sensors und eine Kontaktfläche für das Medium. Das Medium muss somit nicht erst ins Innere des Gehäuses gelangen, bevor es auf die Membran trifft. Dies hat den Vorteil, dass die Gefahr einer Kontamination im Inneren des Sensorgehäuses reduziert werden kann. Zudem kann die Ansprechzeit reduziert werden.

Die Membran weist beispielsweise ein Metall auf. Insbesondere kann es sich um eine Edelstahlmembran handeln. Auf diese Weise kann die Korrosionsbeständigkeit gewährleistet werden. Darüber hinaus ist bei der Verwendung von Metallen eine geringe Ansprechzeit bei der Temperaturmessung gegeben.

Der Sensor weist ein Gehäuse auf. Beispielsweise kann zumindest ein Teil des Gehäuses Edelstahl aufweisen. Das Gehäuse weist beispielsweise einen vorderen Bereich auf, der üblicherweise auch als Druckanschluss bezeichnet wird. Der Druckanschluss ist dabei zum Einstecken in eine Bohrung einer Wandung eines Medienbehälters ausgebildet und weist beispielsweise ein Schraubgewinde auf. Das Gehäuse kann einen hinteren Bereich aufweisen, der einen größeren Durchmesser als der vordere Bereich aufweist, und beispielsweise einen Anschlag für die Befestigung des Sensors aufweist. Der hintere Bereich reicht dann nicht in den Medienbehälter hinein. Die Membran ist beispielsweise an der Stirnseite des vorderen Bereichs angeordnet.

Beispielsweise ist auf einer ins Innere des Sensors gewandten Seite der Membran eine sensitive Struktur angeordnet. Die sensitive Struktur ist insbesondere druck- und/oder temperatursensitiv. Beispiele für geeignete sensitive Strukturen sind ein Dehnmessstreifen, ein piezoresistiver Dünnfilm, ein piezoelektrischer Dünnfilm oder ein Widerstandsthermomoter . Die sensitive Struktur kann in Dünnschichttechnik aufgebracht sein, beispielsweise durch Sputtern auf die Membran aufgebracht sein. Die sensitive Struktur kann beispielsweise ein Teilstruktur aufweisen, die temperatursensitiv ist, und eine weitere Teilstruktur aufweisen, die drucksensitiv ist. Zudem kann die sensitive Struktur auch eine elektrische Verbindungsstruktur und eine Kontaktstruktur zur Weiterverbindung aufweisen.

Bei einer Einwirkung eines Drucks auf eine Außenseite der Membran verformt sich die Membran, beispielsweise biegt sich ein mittlerer Bereich der Membran nach innen. Dies führt zu einer Verformung der sensitiven Struktur, worauf ein entsprechendes elektrisches Signal abgegeben wird. Eine drucksensitive Teilstruktur ist beispielsweise in einem mittleren Bereich der Membran angeordnet. Eine temperatur sensitive Teilstruktur kann auch in einem Randbereich der Membran angeordnet sein, sofern keine Verformung der Teilstruktur zur Temperaturmessung notwendig ist.

In einer Ausführungsform weist der Sensor eine Auswerteelektronik auf. Die Auswerteelektronik dient zur Auswertung der von der sensitiven Struktur abgegebenen Messsignale. Beispielsweise erzeugt die Auswerteelektronik ein elektrisches Ausgangssignal, dass dem gemessenen Druck und/oder der Temperatur entspricht. Die Auswerteelektronik ist beispielsweise in eine Leiterplatte integriert.

Die Auswertelektronik ist beispielsweise beabstandet von der Membran im Gehäuse angeordnet sein. Beispielsweise ist die Auswerteelektronik, insbesondere eine Leiterplatte, im hinteren Bereich und die Membran im vorderen Bereich des Gehäuses angeordnet. Beispielsweise weist der hintere Bereich ein vorderes Ende auf, an dem der vordere Bereich anschließt, und ein dazu entgegen gesetztes hinteres Ende auf, wobei die Auswerteelektronik am hinteren Ende angeordnet ist.

Beispielsweise ist die sensitive Struktur durch eine Verbindungsleitung mit der Auswerteelektronik verbunden. Es kann sich insbesondere um ein Kabel, beispielsweise ein Flachbandkabel handeln. Die sensitive Struktur kann auch durch andersartige Verbindungsleitungen mit der Auswerte elektronik verbunden sein. Beispielsweise kann auch eine flexible Leiterplatte („FlexPCB") eingesetzt werden.

Die beabstandete Anordnung, insbesondere eine Anordnung in einem hinteren Bereich des Gehäuses, hat den Vorteil, dass die Auswerteelektronik vor hohen oder auch niedrigen Temperaturen des zu vermessenden Mediums geschützt ist. Somit sind nur die Komponenten in der Nähe des Mediums angeordnet, auf die das Medium zur Ermittlung der Messwerte direkt oder indirekt über die Membran einwirken muss.

Beispielsweise weist das Gehäuse einen Hohlraum, insbesondere einen luftgefüllten Hohlraum auf. Die Auswerteelektronik ist beispielsweise derart im Gehäuse angeordnet, dass sich der luftgefüllte Hohlraum zwischen der Auswerteelektronik und der Membran befindet. Beispielsweise ist die Auswerteelektronik am Gehäuse befestigt, wobei der luftgefüllte Hohlraum direkt an die Auswerteelektronik auf der Seite anschließt, die der Befestigungsseite abgewandt ist.

Der Hohlraum bewirkt dabei eine zusätzliche Isolierung der Auswerteelektronik von der Temperatur des Mediums. Somit ist die Auswerteelektronik besser vor einem Ausfall geschützt.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird bei einem Verfahren zur Messung einer Temperatur und/oder eines Drucks der vorgehend beschriebene Sensor bereitgestellt und die Membran in Kontakt zu einem zu vermessenden Medium gebracht. Beispielsweise wird ein vorderer Bereich in eine Bohrung einer Wandung eingesteckt, hinter der sich das zu vermessende Medium befindet. Aus den erhaltenen Ausgangssignalen einer sensitiven Struktur und, gegebenen falls, einer Auswerteelektronik kann die Temperatur und/oder der Druck bestimmt werden.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird bei einem Verfahren zur Herstellung des vorgehend beschriebenen Sensors eine Membran bereitgestellt und eine sensitive Struktur auf die Membran aufgebracht. Es wird ein Gehäuseteil bereitgestellt und die Membran wird an einem Ende des Gehäuseteils befestigt. Insbesondere wird die Membran von außen, d.h., von einer Seite, die sich beim zusammengebauten Sensors außerhalb des Sensorgehäuses befindet, am Gehäuseteil befestigt. Beispielsweise wird die Membran an das Gehäuseteil angeschweißt. Das Gehäuseteil weist an seiner Stirnseite beispielsweise eine Stufe auf, in die die Membran eingelegt wird. Die Stufe ist beispielsweise derart ausgebildet, dass die seitlichen Bereiche der Membran bündig mit der Stirnseite des Gehäuseteils abschließen.

Vor dem Befestigen der Membran kann eine Verbindungsleitung, beispielsweise ein Kabel, an der sensitiven Struktur befestigt werden. Es kann ein zweites Gehäuseteil bereitgestellt werden und die Verbindungsleitung kann beispielsweise nach der Befestigung der Membran am Gehäuse an einen elektrischen Kontakt, insbesondere einer Auswerteelektronik, im zweiten Gehäuseteil angeschlossen werden. Anschließend kann das erste Gehäuseteil mit dem zweiten Gehäuseteil verbunden werden.

In der vorliegenden Offenbarung sind mehrere Aspekte einer Erfindung beschrieben. Alle Eigenschaften, die in Bezug auf eine Vorrichtung oder ein Verfahren offenbart sind, sind auch entsprechend in Bezug auf den anderen Aspekt offenbart, auch wenn die jeweilige Eigenschaft nicht explizit im Kontext der anderen Aspekte erwähnt wird.

Die Beschreibung der hier angegebenen Gegenstände ist nicht auf die einzelnen speziellen Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr können die Merkmale der einzelnen Ausführungsformen - soweit technisch sinnvoll - miteinander kombiniert werden.

Im Folgenden werden die hier beschriebenen Gegenstände anhand von schematischen Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 eine Ausführungsform eines Sensors im Längsschnitt,

Figur 2 zeigt eine Ausführungsform einer Membran mit Aufsicht auf eine Rückseite,

Figur 3 zeigt in Diagrammform Verfahrensschritte bei der Herstellung eines Sensors.

Vorzugsweise verweisen in den folgenden Figuren gleiche Bezugszeichen auf funktionell oder strukturell entsprechende Teile der verschiedenen Ausführungsformen.

Figur 1 zeigt einen Sensor 1, der zur Messung von Temperatur und/oder Druck ausgebildet ist. Der Sensor 1 weist eine Gehäuse 2 mit einem ersten Gehäuseteil 3 und einem zweiten Gehäuseteil 4 auf. Ein vorderer Bereich 5 des Gehäuses 2 ist dazu ausgebildet, in einem Medium eingebracht zu werden, dessen Temperatur und/oder Druck zu bestimmen ist. Der vordere Bereich 5 wird auch als Druckanschluss bezeichnet. Beispielsweise weist der vordere Bereich 5 ein Schraubgewinde zur Verschraubung mit einer Wandung eines Mediumbehälters auf. Beispielsweise wird der Sensor 1 eingeschraubt, bis ein Anschlag 18 an der Wandung des Mediumbehälters anliegt. Ein hinterer Bereich 6 des Gehäuses 2 weist Steuerelektronik auf. Der vordere Bereich 5 weist einen geringeren Durchmesser auf als der hintere Bereich 6 des Drucksensors 1.

Am Ende des vorderen Bereichs 5 ist eine Membran 7 befestigt, auf die das Medium direkt einwirken kann. Insbesondere ist die Membran 7 an einer Stirnseite des vorderen Bereichs 5 angeordnet. Der vordere Bereich 5 ist beispielsweise zylinderförmig mit einer Seitenfläche und einer Stirnseite ausgebildet. Die Membran 7 weist insbesondere ein Metall, beispielsweise Edelstahl, auf oder besteht aus einem Metall.

Die Membran 7 ist beispielsweise scheibenförmig ausgebildet. Die Membran 7 weist vorliegend einen mittleren Bereich 8 mit einer geringeren Dicke und einen Randbereich 9 mit einer größeren Dicke auf. Der Randbereich 9 ist am Gehäuse 2 beispielsweise durch Schweißen verbunden. Das Gehäuse 2 weist dazu beispielsweise eine Stufe 20 an seiner Stirnseite auf, in die die Membran 7 eingelegt und an der die Membran 7 befestigt ist. Die Membran 7 ist insbesondere frontbündig am Gehäuse 2 angeordnet. Die Membran 7 weist beispielsweise einen Randbereich 9 auf, der bündig mit dem Gehäuse 2 abschließt .

Somit kann das Medium auf die Membran 7 einwirken, ohne dass das Medium erst einen Kanal im Gehäuse 2 passieren muss. Die sensitive Struktur 21 ist somit nicht in direktem Kontakt mit einem Druckmedium, so dass der Sensor 1 auch in aggressiven, korrosiven Medien eingesetzt werden kann. Der Sensor 1 eignet sich zudem auch für Medizinprodukte und die Lebensmittel industrie.

Die Membran 7 ist biegbar am Gehäuse 2 gelagert. Die Dicke der Membran im mittleren Bereich beträgt beispielsweise 20 bis 300 pm. Die geeignete Dicke kann abhängige vom Druckbereich gewählt werden. Der Durchmesser der Membran 7 beträgt beispielsweise 1 bis 10 mm und kann abhängig von der Dimension des vorderen Bereichs 5 des Gehäuses 2 gewählt werden.

In Figur 2 ist eine Rückseite der Membran 7 dargestellt. Auf der Rückseite ist eine sensitive Struktur 21 zur Messung des Drucks und/oder der Temperatur angeordnet. Die sensitive Struktur 21 weist beispielsweise eine drucksensitive Teilstruktur 10 und eine temperatursensitive Teilstruktur 11 auf. Es kann auch lediglich eine drucksensitive Struktur vorhanden sein. Es kann auch lediglich eine temperatursensitive Struktur vorhanden sein. Die drucksensitive Teilstruktur 10 ist beispielsweise am Übergang vom mittleren Bereich 8 zum Randbereich angeordnet, so dass sie eine möglichst große Dehnung erfährt. Es ist auch möglich, dass eine drucksensitive Struktur auch gleichzeitig temperatursensitiv ist. Weiterhin kann die sensitive Struktur 21 eine Kontaktstruktur 22 zur Anbringung einer Verbindungsleitung und eine Verbindungsstruktur 23 zur elektrischen Verbindung der Teile aufweisen.

Die sensitive Struktur 21 ist beispielsweise in Dünnschichttechnik auf die Membran 7 aufgebracht. Die sensitive Struktur 21 kann insbesondere durch Sputtern auf die Membran 7 aufgebracht sein. Beispielsweise weist die sensitive Struktur 21 einen Dehnmessstreifen, einen piezoresistiven Dünnfilm und/oder einen piezoelektrischen Dünnfilm auf. Die sensitive Struktur 21 kann zur Messung der Temperatur ein sogenanntes Widerstandsthermometers (RTD für resistance temperature device) aufweisen. Das Widerstandsthermometer weist beispielsweise Ni oder Pt auf und kann als Dünnfilmstruktur auf die Membran 7 aufgebracht sein. Eine derartige Struktur kann platzsparend ausgebildet sein und ermöglicht somit eine einfache Miniaturisierung des Sensors 1. Es ist insbesondere kein separater Temperatur fühler nötig. Außer der sensitiven Struktur 21 sind auf der Membran 7 keine weiteren elektrischen Elemente, insbesondere keine Auswerteelektronik angeordnet.

Durch die gezeigte frontbündige Anordnung der Membran 7 kann Totraum, und damit die Gefahr von Ablagerungen und Kontamination des Sensors 1 reduziert werden. Zudem ist durch die direkte Einwirkung des Mediums auf die verformbare Membran 7 kein Übertragungsmedium, beispielsweise ein üblicherweise verwendetes festes, flüssiges oder gasförmiges Übertragungsmedium, zur Übertragung des Drucks an einen sensitiven Bereich notwendig.

Die Membran 7 gewährleistet zudem eine schnelle Temperaturübertragung zu einer temperatursensitiven Struktur, so dass die Messgenauigkeit hoch ist. Die schnelle Temperaturübertragung wird insbesondere bei einer metallischen Membran aufgrund der hohen thermischen Leit fähigkeit gewährleistet. Die Membran 7 weist beispielsweise eine Ansprechzeit von t65 < 5s auf. Die Ansprechzeit t65 ist die Zeit, nach die Temperatur des Sensors 65 % der Zieltemperatur beträgt.

Darüber hinaus ermöglicht die frontbündige Anordnung eine große Freiheit in der Gestaltung des vorderen Bereichs 5 des Sensors 1, da für die Membran 7 nur geringer Platz an der Stirnseite, aber kein Platz im Innenraum benötigt wird. Der Sensor 1 ist aufgrund der frontbündigen Anordnung der Membran 7 und der gezeigten Ausbildung der sensitiven Struktur 21 zudem kostengünstig herstellbar.

Wie in Figur 1 zu sehen ist, ist die sensitive Struktur 21 mit einer Auswerteelektronik 12 verbunden, die von der Membran 7 beabstandet ist. Aufgrund des Abstandes zwischen Membran 7 und Auswerteelektronik 12 ist die Auswerte elektronik 12 vom Medium ausreichend beabstandet, so dass der Sensor 1 auch bei hohen Temperaturen ohne Gefahr der Beschädigung der Auswerteelektronik eingesetzt werden kann. Beispielsweise beträgt der Abstand D zwischen Membran 7 und Auswerteelektronik 12 mindestens 1 cm. Der Abstand d zwischen Auswerteelektronik 12 und einem Anschlag 18 des Gehäuses 2 für die Befestigung an einer Wandung eines Mediengehäuses beträgt beispielsweise mindestens 0,5 cm.

Insbesondere ist die Auswerteelektronik 12 an einer inneren Wandung 24 des hinteren Bereichs 6 ausgebildet. Die innere Wandung 24 ist dem vorderen Bereich 5 zugewandt. Zwischen der inneren Wandung 24 des hinteren Bereichs 6 und einer gegenüberliegenden, inneren Wandung 25 des vorderen Bereichs 5 ist ein Hohlraum 16 ausgebildet. Die Auswerteelektronik 12 ist somit durch den Hohlraum 16 von der inneren Wandung 25 des vorderen Bereichs 5 so weit wie möglich beabstandet.

Die hier genannten Abstände sind beispielsweise für Temperaturen bis 125 °C geeignet. Für höhere Temperaturen bis 180 °C kann der Abstand vergrößert werden, beispielsweise kann der Abstand D ca. 5,5 cm und der Abstand d mindestens 2 cm betragen.

Beispielsweise ist die sensitive Struktur 21 über eine Verbindungsleitung 13, z.B. ein Flachbandkabel, mit der Auswerteelektronik 12 verbunden. Die Verbindungsleitung 13 ist beispielsweise an der sensitiven Struktur 21, insbesondere an einer Kontaktstruktur 22 (siehe Figur 2), angelötet. Es ist beispielsweise auch möglich, die Verbindungsleitung 13 durch Nano-Klett-Welding an der sensitiven Struktur 21 zu befestigen. Die Verbindungsleitung 13 ist beispielsweise über einen Stecker mit der Auswerteelektronik 12 verbunden. Die Verbindungsleitung 13 ist vorliegend durch einen Kanal 15 im vorderen Bereich 5 des Gehäuses 2 geführt. Die Verbindungsleitung 13 verläuft dann beispielsweise durch einen Hohlraum 16 im hinteren Bereich 6. Der Hohlraum 16 ist beispielsweise als luftgefüllter Hohlraum ausgebildet. Der Hohlraum 16 bietet somit eine Isolier funktion gegenüber hohen Temperaturen des Druckmediums.

Die Verbindungsleitung 13 kann beispielsweise auch als integraler Bestandteil einer Leiterplatte ausgebildet sein, auf der die Auswerteelektronik angeordnet ist. Beispielsweise führt die Verbindungsleitung in Form eines schmalen Streifens auf einen flächigeren Bereich der Leiterplatte hin. Beispielsweise ist die Verbindungsleitung 13 Bestandteil einer flexiblen Leiterplatte („FlexPCB").

Die Auswerteelektronik 12 ist beispielsweise in einer Leiterplatte 14 (printed Circuit board) integriert. Die Leiterplatte 14 ist beispielsweise mit dem Gehäuse 2 verschraubt. Von der Leiterplatte 14 führen elektrische Leitungen 17 aus dem Gehäuse 2 des Sensors 1 heraus. Insbesondere weist die innere Wandung 24 des hinteren Bereichs 6 hierfür eine Ausnehmung auf.

Das erste Gehäuseteil 3 weist beispielsweise Edelstahl auf oder besteht aus Edelstahl. Das zweite Gehäuseteil 4 weist beispielsweise Kunststoff auf oder besteht aus Kuntstoff. Das erste Gehäuseteil 3 ist mit dem zweiten Gehäuseteil 4 beispielsweise durch Bördeln oder eine andere

Verbindungstechnik verbunden. Beispielsweise ist ein hinterer Randbereich des ersten Gehäuseteils 3 an einem umlaufenden Vorsprung des zweiten Gehäuseteils 4 durch Bördeln befestigt.

Der vordere Bereich 5 ist beispielsweise zum Einstecken, insbesondere Einschrauben in eine Bohrung einer Wandung ausgebildet, wobei die Wandung das Medium begrenzt. Die Stirnseite 19 ragt dann in das zu vermessende Medium hinein. Der Anschlag 18 liegt an der dem Medium abgewandten Seite der Wandung an, so dass der hintere Bereich 6 vom Medium getrennt ist.

Figur 3 zeigt in Diagrammform Schritte bei der Herstellung eines Sensors, insbesondere eines Sensors gemäß den vorgehend beschriebenen Figuren.

In einem Schritt A wird eine Membran 7 bereitgestellt und eine sensitive Struktur 21 auf die Membran 7 aufgebracht (siehe Figur 2).

In einem Schritt B wird eine Verbindungsleitung 13 (siehe Figur 1), beispielsweise ein Kabel, an der sensitiven Struktur 21 befestigt, beispielsweise verlötet.

In einem Schritt C wird ein erstes Gehäuseteil 3 bereitgestellt und die Membran 7 wird an einer Stirnseite 19 des Gehäuseteils 5 befestigt. Dabei kann die Membran 7 von außen am Gehäuseteil 5 befestigt werden. Beispielsweise wird die Membran 7 in eine Stufe 20 im Gehäuseteil 5 eingelegt und mit dem Gehäuseteil 5 verschweißt (siehe Figur 1). In einem Schritt D wird ein weiteres Gehäuseteil 4 bereitgestellt. In dem Gehäuseteil 4 kann sich eine Auswerteelektronik 12, insbesondere in Form einer Leiterplatte 14, befinden. Die Verbindungsleitung 13 wird an die Auswerteelektronik 12 angeschlossen. Beispielsweise weist die Verbindungsleitung 13 einen Stecker auf, der in eine Buchse der Auswerteelektronik 12 eingesteckt wird. Anschließend kann das erste Gehäuseteil 3 mit dem zweiten Gehäuseteil 4 verbunden. Beispielsweise wird das erste Gehäuseteil 3 durch Bördeln mit dem zweiten Gehäuseteil 4 verbunden (siehe Figur 1).

Bezugszeichenliste

1 Sensor

2 Gehäuse

3 erstes Gehäuseteil

4 zweites Gehäuseteil

5 vorderer Bereich

6 hinterer Bereich

7 Membran

8 mittlerer Bereich

9 Randbereich

10 drucksensitive Teilstruktur

11 temperatursensitive Teilstruktur

12 Auswerteelektronik

13 Verbindungsleitung

14 Leiterplatte

15 Kanal

16 Hohlraum

17 Leitungen

18 Anschlag

19 Stirnseite

20 Stufe

21 sensitive Struktur

22 Kontaktstruktur

23 Verbindungsstruktur

24 innere Wandung hinterer Bereich

25 innere Wandung vorderer Bereich