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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Vorrichtungen und Verfahren zum Erfassen von Drücken von fluiden Medien, wie beispielsweise Gasen und Flüssigkeiten, bekannt. Die Messgröße des Drucks ist eine in Gasen und Flüssigkeiten auftretende, allseits wirkende, nicht gerichtete Kraftwirkung. Zur Messung der Drücke gibt es dynamische und statisch wirkende Messwertaufnehmer bzw. Sensorelemente. Dynamisch wirkende Drucksensoren dienen nur zur Messung von Druckschwingungen in gasförmigen oder flüssigen Medien. Die Druckmessung kann direkt, über Membranverformung oder durch einen Kraftsensor erfolgen.
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Insbesondere zur Messung sehr hoher Drücke wäre es ausreichend, einfach einen elektrischen Widerstand dem Medium auszusetzen, denn alle bekannten Widerstände zeigen mehr oder weniger ausgeprägt eine Druckabhängigkeit. Dabei gestaltet sich jedoch die Unterdrückung der gleichzeitigen Abhängigkeit der Widerstände von der Temperatur und die druckdichte Durchführung ihrer elektrischen Anschlüsse aus dem Druckmedium heraus als schwierig.
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Die am weitesten verbreiteten Methode der Druckerfassung verwendet daher zur Signalgewinnung zunächst eine dünne Membran als mechanische Zwischenstufe, die einseitig dem Druck ausgesetzt ist und sich unter dessen Einfluss mehr oder weniger durchbiegt. Sie kann in weiten Grenzen nach Dicke und Durchmesser dem jeweiligen Druckbereich angepasst werden. Niedrige Druckmessbereiche führen zu vergleichsweise großen Membranen mit Durchbiegungen, die im Bereich von 0,1 mm bis 1 mm liegen können. Hohe Drücke erfordern jedoch dickere Membranen geringen Durchmessers, die sich meist nur wenige Mikrometer durchbiegen. Derartige Drucksensoren sind beispielsweise aus Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Aufl. 2010, Seiten 80–82 und 134–136 bekannt.
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Die
DE 10 2008 054 382 A1 beschreibt ein Drucksensormodul, das einen Drucksensorchip zur Bestimmung des Drucks eines Messmediums, einen Adapter zur Druckübertragung auf den Drucksensorchip, ein mit dem Drucksensorchip kontaktiertes Steckerteil sowie Befestigungsmittel zur Festlegung des Drucksensormoduls in einer Aufnahmeöffnung einer Wand umfasst.
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Bei den derartigen Drucksensoren wird ein separates Sensormodul mit Messelement verwendet. Für verschiedene Medienanforderungen ist eine Rückseitenbeaufschlagung des Messelements oder eine Passivierung durch Gel möglich.
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Trotz der durch diese Drucksensoren bewirkten Verbesserungen besteht nach wie vor ein Optimierungspotenzial bekannter Drucksensoren. So ist die Medienresistenz durch die Rückseitenbeaufschlagung bei geklebten Sensorelementen aktuell bestehender Drucksensoren gut, jedoch aufgrund von Wasser und Partikeln, die sich auf der Membran absetzen können, problematisch. Der Druckbereich ist eingeschränkt und Lötungen sind bezüglich Korrosion anfällig. Bei der Passivierung mit einem Gel ist eine Diffusion des Mediums durch das Gel vorhanden und kann durch verschiedene chemische und/oder physikalische Prozesse zur Veränderung der Schutzwirkung oder Messsignalbeeinflussung führen.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird dementsprechend ein Drucksensor zur Erfassung eines Drucks eines fluiden Mediums vorgeschlagen, welcher die Nachteile bekannter Drucksensoren zumindest weitgehend vermeidet und der eine robuste Auslegung der Medienresistenz für beispielsweise Drucksensoren zur Partikelfilterdiagnose bei gleichzeitiger Erweiterung des Druckbereichs für neue Anwendungen, wie beispielsweise Abgasgegendruck, ermöglicht.
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Ein erfindungsgemäßer Drucksensor zur Erfassung eines Drucks eines fluiden Mediums in einem Messraum umfasst ein Sensorgehäuse, mindestens ein erstes Drucksensorelement zum Messen eines Drucks des Mediums und eine Ansteuer- und/oder Auswerteschaltung zum Ausgeben eines den auf das Drucksensorelement wirkenden Druck anzeigenden Signals. Die Ansteuer- und/oder Auswerteschaltung ist auf oder in einem innerhalb des Sensorgehäuses angeordneten Schaltungsträger angeordnet. Das Drucksensorelement ist auf oder in dem Schaltungsträger angeordnet und mittels mindestens einer ersten Trennmembran von dem fluiden Medium getrennt.
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Beispielsweise ist das Drucksensorelement in den Schaltungsträger integriert. Das Drucksensorelement kann von der Trennmembran beabstandet sein. Beispielsweise wird zwischen dem Drucksensorelement und der Trennmembran ein Übertragungsraum ausgebildet. Der Übertragungsraum kann mit einem Übertragungsmedium gefüllt sein, das zum Übertragen eines auf die Trennmembran wirkenden Drucks des fluiden Mediums auf das Drucksensorelement geeignet ist. Das Übertragungsmedium kann eine Flüssigkeit sein. Beispielsweise ist das Übertragungsmedium eine Flüssigkeit, die eine geringe thermische Ausdehnung, geringe Viskosität und geringe Wasseraufnahme aufweist, um gegenüber Temperatureinflüssen unempfindlich zu sein. Beispielsweise ist das Übertragungsmedium ein Öl. Das Drucksensorelement kann in einem Sensorelementraum in dem Schaltungsträger angeordnet sein. Der Sensorelementraum kann mit einem Übertragungsmedium gefüllt sein. Beispielsweise ist das Übertragungsmedium Öl. Der Sensorelementraum kann mittels eines Verschlusselements verschlossen sein. Der Sensorelementraum kann von einem Innenraum des Sensorgehäuses mittels einer zweiten Trennmembran getrennt sein. Die zweite Trennmembran kann zum Aufbringen eines Gegendrucks ausgebildet sein. Das Übertagungsmedium in dem Sensorelementraum kann zum Übertragen des auf die zweite Trennmembran wirkenden Gegendrucks auf das erste Sensorelement geeignet sein. An oder in dem Schaltungsträger kann mindestens ein zweites Drucksensorelement angeordnet sein, das zum Messen eines auf die erste Trennmembran aufgebrachten Gegendrucks ausgebildet ist.
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Der Gegendruck kann elektrisch oder mechanisch aufgebracht werden. Eine derartige Anordnung erlaubt das Erfassen eines Differenzdrucks.
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Eine Grundidee der vorliegenden Erfindung ist, eine in den Schaltungsträger integrierte Ölvorlage mit einem Drucksensorelement vorzusehen. Die Messelemente werden in den Schaltungsträger integriert, wie beispielsweise mittels des so genannten Embedding. Die Druckzuführungen sind hierbei offen zu gestalten. Anschließend wird eine Trennmembran in den Schaltungsträger integriert und die entstehenden Volumina durch ein geeignetes Druckübertragungsmedium gefüllt. Die Messelemente für die Druckmessung können als 1-Chip, d. h. Membran mit integrierter Auswerteschaltung, oder 2-Chip, d. h. Membran mit separater Auswerteschaltung, ausgeführt werden. Des Weiteren sind auch mehrere Messelemente pro Schaltungsträger verbaubar. Die Trennmembran dient zur Trennung des außen anliegenden zu messenden fluiden Mediums, wie beispielsweise Luft oder Abgase oder dergleichen, und des Druckübertragungsmediums voneinander. Die Trennmembran ist aus einem medienresistenten Material mit geeigneter Beschichtung zur weiteren Anwendung. Wichtig ist hierbei, dass neben der Medienresistenz die Trennmembran eine ausreichend gute Flexibilität, d. h. möglichst weich, aufweist. Dies ist beispielsweise durch eine möglichst dünne Ausführung zu realisieren. Mögliche Materialien für die Trennmembranen sind Stahl, PTFE, PI oder dergleichen.
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Das Druckübertragungsmedium ist typischerweise ein Öl mit geringer thermischer Ausdehnung, geringer Viskosität und geringer Wasseraufnahme um gegenüber Temperatureinflüssen unempfindlich zu sein.
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Das Drucksensorelement und die Ansteuer- und Auswerteschaltung sind entsprechend den Druckanforderungen geeignet zu wählen und können mit Standardtechnologien oder speziellen Technologien, wie beispielsweise Embedding, integriert werden. Hierbei ist unter anderem eine Flip-Chip-Technik und/oder Silizium-Durchkontaktierung möglich, mit der die Chips mittels „Bumps“ (Kontaktpunkte) verbunden sind.
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Die Öffnungen in der Leiterplatte für das Druckübertragungsmedium sind dicht zu verschließen, so dass kein Öl austreten kann. Eine Leckage würde eine Signalveränderung bewirken. In dem Schaltungsträger sind gegebenenfalls auch weitere Bauelemente enthalten wie beispielsweise Kondensatoren oder dergleichen. An dem Schaltungsträger sind Anschlüsse zur elektrischen Kontaktierung vorhanden.
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Unter einem Drucksensorelement ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Sensorelement zu verstehen, welches die eigentlichen Messsignale bezüglich des Drucks und/oder der Messwerte liefert, die zur Erfassung des Drucks des fluiden Mediums genutzt werden. Beispielsweise kann das Drucksensorelement eine als Messbrücke ausgebildete Sensormembran mit einem oder mehreren piezoresistiven Elementen und/oder anderen Arten von sensitiven Elementen umfassen, wie dies bei Drucksensoren üblich ist. Für weitere mögliche Ausgestaltungen von derartigen Drucksensorelementen kann auf den oben beschriebenen Stand der Technik, insbesondere auf Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Aufl. 2010, Seiten 80–82 und 134–136 verwiesen werden. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich.
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Unter einer Auswerte- und Ansteuerschaltung ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Bauteil zu verstehen, das zur Signalverarbeitung geeignet ist. Beispielsweise kann es sich bei der Auswerte- oder Ansteuerschaltung um eine anwendungsspezifisch integrierte Schaltung (application specific integrated circuit – ASIC) handeln. Eine derartige Schaltung ist eine elektronische Schaltung, die als integrierter Schaltkreis realisiert wird.
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Unter einem Schaltungsträger ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung jedes Bauteil zu verstehen, das geeignet ist eine Schaltung zu tragen. Beispielsweise ist der Schaltungsträger als Leiterplatte ausgebildet. Unter einer Leiterplatte ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Träger für elektronische Bauteile zu verstehen, der der mechanischen Befestigung der elektrischen Verbindung dient. Die Leiterplatten bestehen aus elektrisch isolierendem Material mit daran haftenden, leitenden Verbindungen, den so genannten Leiterbahnen.
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Der erfindungsgemäße Drucksensor kann zur Diagnose von Partikelfiltern oder zum Erfassen eines Gegendrucks, wie beispielsweise Abgasgegendruck vor einem Turbolader, eingesetzt werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
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Es zeigen:
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1 eine Querschnittsansicht eines Drucksensors gemäß einer ersten Ausführungsform,
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2 eine Querschnittsansicht eines Drucksensors gemäß einer zweiten Ausführungsform und
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3 eine Querschnittsansicht eines Drucksensors gemäß einer dritten Ausführungsform.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine Querschnittansicht eines Drucksensors 10 zum Erfassen eines Drucks eines fluiden Mediums gemäß einer ersten Ausführungsform. Der Drucksensor 10 kann beispielsweise zum Erfassen eines Drucks in einer Kraftstoffleitung eines Verbrennungsmotors oder von Abgasen in einem Abgasstrom des Verbrennungsmotors ausgebildet sein. Der in 1 gezeigte Drucksensor 10 eignet sich insbesondere zur Partikelfilterdiagnose. Der Drucksensor 10 umfasst ein Sensorgehäuse 12. Das Sensorgehäuse 12 definiert einen Gehäuseinnenraum 14. Der Drucksensor 10 weist ein erstes Drucksensorelement 16 zur Erfassung des Drucks des fluiden Mediums auf.
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In dem Sensorgehäuse 12 und genauer in dem Gehäuseinnenraum 14 ist ein Schaltungsträger 18 angeordnet. Der Schaltungsträger 18 ist als Leiterplatte 20 ausgebildet. Auf oder in der Leiterplatte 20 ist eine Ansteuer- und/oder Auswerteschaltung 22 angeordnet. Die Ansteuer- und/oder Auswerteschaltung 22 ist beispielsweise eine ASIC 24. Das erste Drucksensorelement 16 ist auf oder in der Leiterplatte 20 angeordnet. Das erste Drucksensorelement 16 ist mittels mindestens einer ersten Trennmembran 26 von dem fluiden Medium getrennt. Insbesondere ist das erste Drucksensorelement 16 von der ersten Trennmembran 26 beabstandet.
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Dabei ist zwischen dem ersten Drucksensorelement 16 und der ersten Trennmembran 26 ein Übertragungsraum 28 ausgebildet. Der Übertragungsraum 28 ist mit einem Übertragungsmedium gefüllt. Das Übertragungsmedium ist zum Übertragen eines auf die erste Trennmembran 26 wirkenden Drucks des fluiden Mediums auf das erste Drucksensorelement 16 geeignet. Das Übertragungsmedium ist eine Flüssigkeit, wie beispielsweise Öl. Als Übertragungsmedium eignen sich grundsätzlich Flüssigkeiten mit geringer thermischer Ausdehnung, geringer Viskosität und geringer Wasseraufnahme, um gegenüber Temperatureinflüssen unempfindlich zu sein.
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Das erste Drucksensorelement 16 und die Ansteuer- und/oder Auswerteschaltung 22 sind entsprechend den Druckanforderungen geeignet zu wählen und können mit Standardtechnologien oder speziellen Technologien, wie beispielsweise Embedding, integriert werden. Hierbei ist unter anderem eine Flip-Chip-Technik und/oder Silizium-Durchkontaktierung möglich, mit der die Chips der Ansteuer- und/oder Auswerteschaltung 22 mittels „Bumps“ (Kontaktpunkte) verbunden sind.
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Die erste Trennmembran 26 ist aus einem medienresistenten Material mit geeigneter Beschichtung hergestellt. Das Material ist unter Berücksichtigung ausgewählt, dass neben der Medienresistenz die erste Trennmembran 26 eine ausreichend gute Flexibilität, d. h. möglichst weich, aufweist. Dies ist beispielsweise durch eine möglichst dünne Ausführung zu realisieren. Mögliche Materialien für die erste Trennmembran 26 sind Stahl, PTFE, PI oder dergleichen.
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Das erste Drucksensorelement 16 ist insbesondere in einem Sensorelementraum 30 in der Leiterplatte 20 angeordnet. Der Sensorelementraum 30 ist ebenfalls mit dem Übertragungsmedium gefüllt. Der Sensorelementraum 30 ist von dem Gehäuseinnenraum 14 des Sensorgehäuses 12 mittels einer zweiten Trennmembran 32 getrennt. Die zweite Trennmembran 32 kann identisch zu der ersten Trennmembran 26 hergestellt sein. Der Sensorelementraum 30 ist dabei mittels eines Verschlusselements 34 verschlossen. Zum elektrischen Verbinden der Ansteuer- und/oder Auswerteschaltung 22 mit einem nicht näher gezeigten Steckerteil des Sensorgehäuses 12 sind auf der Leiterplatte 20 Leiterbahnen 36 angeordnet. Bei dem gezeigten Drucksensor 10 lässt sich ein auf die erste Trennmembran 26 wirkender Druck des fluiden Mediums erfassen. Zugleich kann auf die zweite Trennmembran 32 ein Gegendruck aufgebracht werden. Der Gegendruck kann beispielsweise mechanisch aufgebracht werden. Dies erlaubt die Erfassung eines Differenzdrucks.
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2 zeigt einen Drucksensor 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Nachfolgend werden lediglich die Unterschiede zu der ersten Ausführungsform beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Bei dem Drucksensor 10 der zweiten Ausführungsform ist im Vergleich zu den ersten Ausführungsformen kein Übertragungsraum 28 vorgesehen. Bei dem in 2 gezeigten Drucksensor 10 ist nur die erste Trennmembran 26 vorgesehen. Des Weiteren ist an oder in der Leiterplatte 20 mindestens ein zweites Drucksensorelement 38 angeordnet, das zum Messen eines auf die erste Trennmembran 26 aufgebrachten Gegendrucks ausgebildet ist. In der Leiterplatte 20 ist nicht nur der Sensorelementraum 30 ausgebildet, der als erster Sensorelementraum 30 bezeichnet werden kann, sondern auch ein zweiter Sensorelementraum 40. Das zweite Drucksensorelement 38 ist in dem zweiten Sensorelementraum 40 angeordnet. Der zweite Sensorelementraum 40 ist ebenfalls mit Öl gefüllt und mittels eines Verschlusselements 34 verschlossen. Das zweite Drucksensorelement 38 kann identisch zu dem ersten Drucksensorelement 26 hergestellt sein.
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Der in 2 gezeigte Drucksensor 10 eignet sich somit zum Erfassen eines auf die erste Trennmembran 26 wirkenden Drucks des fluiden Mediums und eines darauf aufgebrachten Gegendrucks. Der Gegendruck kann beispielsweise elektrisch aufgebracht werden. Dies erlaubt ebenfalls die Erfassung eines Differenzdrucks.
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3 zeigt eine Querschnittsansicht eines Drucksensors 10 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Nachfolgend werden lediglich die Unterschiede zu den vorhergehenden Ausführungsformen beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Das erste Drucksensorelement 16 ist in dem Sensorelementraum 30 angeordnet und mittels der ersten Trennmembran 26 von dem fluiden Medium getrennt. Der Sensorelementraum 30 ist mit einem Übertragungsmedium, wie beispielsweise Öl, gefüllt und mittels eines Verschlusselements 34 verschlossen. Bei dem gezeigten Drucksensor 10 lässt sich ein auf die erste Trennmembran 26 wirkender Druck des fluiden Mediums erfassen. Der Drucksensor 10 der dritten Ausführungsform eignet sich zur Erfassung eines Absolutdrucks, wie dies beispielsweise bei der Erfassung eines Abgasgegendrucks vor bzw. stromaufwärts eines Turboladers erforderlich ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008054382 A1 [0004]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Aufl. 2010, Seiten 80–82 und 134–136 [0003]
- Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Aufl. 2010, Seiten 80–82 und 134–136 [0015]