DE19844556A1 - Druckgeber - Google Patents

Abstract

Bei einem Druckgeber (10) ist die Membran (20) aus Metall, insbesondere Edelstahl hergestellt. Im Biegebereich (21) der Membran (20) sind die Meßwiderstände (30) in Dünnschichttechnik aufgebracht. Ferner befinden sich auf einem Fortsatz (32) der Membran (20) die Auswerteschaltung (35) und weitere elektronische Bauteile, wie z. B. Kondensatoren (40). Dadurch ist eine sehr kompakte Bauweise mit relativ wenig elektrischen Verbindungsstellen möglich.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Druckgeber nach der Gattung des Anspruchs 1. Bei bekannten Druckgebern, z. B. einem in der DE 197 11 366.4 beschriebenen Druckgeber ist die Auswerteschaltung auf einem separaten Bauteilträger angeordnet. Auf der Membran sind auf der dem Druckmedium abgewandten Seite Widerstände in Dünnschichttechnik angebracht. Mit Hilfe von Bonddrähten sind diese Widerstände und die Auswerteschaltung miteinander verbunden. Hierfür sind zusätzliche Montageschritte notwendig. Insbesondere sind die Widerstände und die Schaltungseinheit getrennt voneinander auf einer Konsole angeordnet.

Ferner ist es bekannt, zur Druckerfassung die Kapazitätsänderung zwischen zwei mit Elektroden beschichteten Keramikplatten zu verwenden. Hierbei ist die dem zu messenden Medium zugewandte Keramikplatte dünner ausgebildet und dient als Membran. Auch hier ist die Auswerteschaltung separat angeordnet. Ferner hat Keramik den Nachteil, daß sogenannte parasitäre Kapazitäten Messungen das Meßsignal verfälschen.

Vorteile der Erfindung

Ein Druckgeber mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, daß zusätzliche Bauteilträger, insbesondere Leiterplatten, entfallen. Die elektrischen Bauteile, insbesondere die Auswerteschaltung und die Kondensatoren sind bereits auf der Membran mit untergebracht. Dadurch entfallen die Verbindungen von der Membran zur Leiterplatte hin. Ferner erweist sich die Verwendung von Stahl für die Membran bei Verwendung der Dünnschichttechnik für die Meßwiderstände als vorteilhaft. Die sehr kurzen, elektrischen Verbindungswege zwischen den Meßwiderständen und der Auswerteschaltung ermöglichen eine sehr gute Verträglichkeit gegen elektromagnetische Einstrahlungen. Die sehr kompakte Bauform ermöglicht eine Reduzierung der Anzahl von elektrischen Verbindungselementen und verringert somit die mögliche Anzahl von Ausfallstellen. Dadurch wird die Lebensdauer des Druckgebers erhöht. Die kompakte Bauform des Druckgebers weist wenige, schwingungsanfällige mechanische Teile auf, wodurch der Druckgeber relativ schüttelbeständig ist. Es kann zumindest ein Bondprozess gespart werden. Die elektrischen Verbindungen können zusammen mit dem Befestigen der übrigen elektrischen Bauteile, insbesondere der Auswerteschaltung und der Kondensatoren vorgenommen werden. Ferner ist es auch möglich die Auswerteschaltung in bekannter Hybridtechnik zu fertigen und dabei ohne zusätzliche Bauteile mit der Membran zu verbinden und mit den Widerständen zu kontaktieren. Die elektrische Verbindung zu Steckerpins des Druckgebers kann in einfacher Weise durch Durchkontaktierung oder durch Löten bzw. Kleben im geschlossenen Gehäuse erfolgen. Eine besondere Abdichtung der Steckerpins bzw. ein zusätzliches Vergießen des Innerens im Bereich der Steckerpins ist nicht mehr notwendig. Für das Gehäuse, das den zu messenden Druck aufnehmen muß, reicht es aus, einen Werkstoff mit mittlerer Festigkeit zu verwenden. Besondere Härteprozesse sind nicht erforderlich. Die Montage des O-Rings wird vereinfacht. Die O-Ring-Dichtkammer wird in einfacher Weise durch das Steckergehäuse verschlossen. Die Verdrehsicherung kann in einfacher Weise direkt an der Membran erfolgen, so daß zusätzliche Bohrungen oder Nuten im Gehäuse entfallen können. Wird bei einem nach dem kapazitiven Prinzip arbeitenden Druckgeber eine dem Druckmedium zugewandt Metallmembran verwendet, so kann diese gleichzeitig vom Medium abhängige parasitäre Kapazitäten abschirmen. Eine Beeinflussung des Sensorsignals durch das Druckmedium wird verhindert. Ferner entfällt die Abdichtung durch Kleben oder durch O-Ringe bei Verwendung einer Metallmembran, da diese direkt an das Gehäuse angeschweißt werden kann. Die Metallmembran bietet auch eine bessere Beständigkeit gegen aggressive Druckmedien.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen oder der Beschreibung.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Druckgebers im teilweisen Längsschnitt, Fig. 2 eine Draufsicht auf der dem Medium abgewandten Seite der Membran in Richtung II-II nach Fig. 1, Fig. 3 bis 5 jeweils ein weiteres Ausführungsbeispiel des Druckgebers.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist mit 10 ein Druckgeber bezeichnet, der zur Hochdruckmessung in Kraftfahrzeugen dient. Insbesondere ist er zur Messung von höheren Drücken in aggressivem Medium, wie sie für die Öl-, Diesel-, Benzin-, und Bremsdruckmessung notwendig sind, einsetzbar. Der Druckgeber 10 weist ein Gehäuse 11 auf, das ein flanschartig verbreitetes, als Sechskant ausgebildetes Oberteil 12 aufweist. Der kanalartige Unterteil 13 hat ein Außengewinde 14 zum Einschrauben in ein Drucksystem, dessen dort herrschende Drücke bestimmt werden sollen. Zur Abdichtung gegenüber dem Druckmedium ist die dem Drucksystem zugewandte Stirnseite des Unterteils 13 konisch ausgebildet. Die Stirnseite 15 kann aber auch als Flachsitz ausgebildet sein. Das Gehäuse 10 weist ferner eine mittige, zentrische Durchgangsbohrung 18 auf, die Abschnitte mit unterschiedlichem Durchmesser aufweist. Die Bohrung 18 ist auf der dem Drucksystem abgewandten Seite von einer Membran 20 abgeschlossen. Die Bohrung 18 selbst dient zur Zuführung des Druckmediums zur Membran 20. Die Membran 20 weist einen Biegebereich 21 auf, der der Öffnung der Bohrung 18 zugewandt ist und mindestens die Öffnung der Bohrung überdeckt. Ferner weist die Membran 20 einen ringförmigen Bereich 22 auf, der den Biegebereich 21 umgreift und mit dem die Membran 20 auf dem Oberteil 12 des Gehäuses 11 befestigt ist. Hierzu sind die einander zugewandten Stirnseiten angeschrägt, so daß eine platzsparende Verschweißung der Membran 20 und des Oberteils 12 möglich ist. Ferner wird durch diese schräg verlaufende Schweißnaht eine Abdichtung zur Bohrung 18 hin bewirkt. Eine sichere Abdichtung und einfache Verschweißung erreicht man dadurch, daß ein Steg 25 des Oberteils 12 mit den Fortsätzen der Membran 20 überlappt.

Die Membran 20 ist aus Metall, insbesondere Edelstahl, hergestellt. Dadurch ist sie widerstandsfähig gegenüber aggressiven Medien, deren Druck bestimmt werden soll. Wie aus der Fig. 2 näher zu ersehen ist, sind auf der Membran 20 im Biegebereich 21 mehrere Widerstände 30 in Dünnschichttechnik angeordnet. Sie können Dehnmeßstreifen sein. Diese Widerstände 30 dienen zur Signalerfassung, indem die vom Druck hervorgerufene Durchbiegung des Biegebereichs 21 von den Widerständen 30 in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Ferner weist die Membran 20 einen flanschartigen Fortsatz 32 auf, der über den ringförmigen Steg 22 hinausragt. Auf diesen Fortsatz 32 ist der Auswerteschaltkreis 35 für das von den Widerständen 30 gewonnene Meßsignal angeordnet. Ebenfalls in Dünnschichttechnik sind die Leiterbahnen 36 und die Kontaktflächen 37 für die Auswerteschaltung 35 ausgebildet. Die Leiterbahnen 36 verbinden die Widerstände 30 mit den Kontaktflächen 37 und somit mit der Auswerteschaltung 35. Damit sich die Durchbiegung des Biegebereichs 21 nicht störend auf die Auswerteschaltung 35 auswirkt, ist diese auf dem Flansch 32 angeordnet. Auf der Membran 20 können neben der Auswerteschaltung 35 auch zusätzliche andere elektronische Bauteile, wie z. B. Kondensatoren zum Schutz gegen elektromagnetische Einkopplungen angeordnet sein. Die Membran 20 weist auf der dem Fortsatz 35 gegenüberliegenden Seite ebenfalls einen kleinen Fortsatz 41 auf, der als Verdrehsicherung der Membran in dem Oberteil 12 dient.

Auf das Oberteil 12 ist ein Steckergehäuse 45 befestigt. Das Steckergehäuse 45 weist hierzu ein becherförmig ausgebildetes unteres Gehäuseteil 36 auf, dessen Wandung in eine Ausnehmung 47 des Oberteils 12 des Gehäuses 11 hineinragt. Hierbei liegt die Außenseite der Wandung 46 an einem Fortsatz 48 des Oberteils 12 und die Innenseite der Wandung 46 an der Wand eines zweiten Fortsatzes 49 des oberen Gehäuseteils 12 an. Zwischen dem Fortsatz 48 und der Wandung 46 ist ein O-Ring zur Abdichtung angeordnet. In sonst herkömmlicher Weise befinden sich die Stecker 51 innerhalb einer Wandung 50. Die Stecker 51 sind durch das Gehäuse 45 hindurchgeführt und mit Hilfe einer Vergußmasse 52 abgedichtet. Mit Hilfe von Durchkontaktierungen 53 sind die Stecker 51 mit den Leiterbahnen 36 verbunden. Die Vergußmasse 52 dient dabei auch gleichzeitig als Kleber zum Fixieren der Durchkontaktierungen 53 am Ende der Stecker 51. Die Membran 20 kann spanabhebend, spanlos oder in sogenannter MIM-Technik hergestellt sein.

MIM-Technik bedeutet Metal Injection Moulding. Hier wird eine Mischung aus feinem Metall- und Kunststoffpulver vermischt und anschließend verspritzt. Das so hergestellte Teil wird in einem Wärmeprozeß behandelt, wobei der Kunststoff wieder abgetrennt wird. Anschließend wird das Teil noch gesintert.

Die Beschichtung der Membran 20 erfolgt in üblicher, aus der Zeichnung nicht detailliert ersichtlichen Weise aus einer Isolierschicht, den erwähnten Widerständen 30 sowie den Leiterbahnen 36 und den Kontaktierflächen 37 für den Anschluß der Auswerteschaltung 35 bzw. den zusätzlichen Bauteilen wie den Kondensatoren 40. Die Kontaktierung der Auswerteschaltung 35 und der Kontaktflächen 36 kann durch Lötpunkte an der Unterseite des Chips der Auswerteschaltung 35 in sogenannter Flip-Chip-Technik erfolgen. In der Fig. 3 ist eine Alternative dieser Verbindung der Leiterbahnen 36 bzw. der Kontaktierflächen 37 und der Auswerteschaltung 35 dargestellt. Hier erfolgt die Kontaktierung mit Hilfe von Drahtbondverbindungen 60 von der Oberseite des Chips der Auswerteschaltung 35 auf die Kontaktierflächen 37.

Ferner ist in der Fig. 3 eine Alternative der Verbindung der Leiterbahnen 36 zum Stecker 51 hin dargestellt. Hier können bei einem bereits montierten Steckergehäuse 45 die Enden des Steckers 51 und die Leiterbahnen 36, die zur Auswerteschaltung 35 führen, mit Hilfe von Hochfrequenzlöten oder mit Hilfe eines Leitklebers verbunden werden.

Eine weitere Alternative der elektrischen Verbindung zwischen Stecker 51 und Leiterbahn 36 ist in der Fig. 4 dargestellt. Hier erfolgt die elektrische Verbindung zwischen dem Draht und dem Ende des Steckers 51 auf der Außenseite des Steckergehäuses 45. Hierzu ist im Steckergehäuse 45 eine Bohrung 61 ausgebildet, durch die der Draht 62 nach außen ragt und dort mit Hilfe einer Löt- oder Schweiß- oder Leitkleberverbindung mit dem Ende des Steckers 51 verbunden wird. Zum Schutz vor Umwelteinflüssen ist diese Verbindungsstelle mit Hilfe einer Vergußmasse 63 abgedeckt. Auch die Kontaktierung des Drahts 62 mit Hilfe der Leiterbahnen kann in Löt- oder Schweiß- oder Leitkleberverbindung hergestellt werden.

Im Ausführungsbeispiel nach der Fig. 4 ist ferner ein zusätzlicher Bauteilträger 65 relativ dicht über der Membran 20 angeordnet. Der Bauteilträger 65 kann z. B. eine Leiterplatte oder ein Hybrid sein, der auf Fortsätzen 66 des Oberteils 12 aufliegt. Zwischen der Membran 20 und der Unterseite des Bauteilträgers 65 ist somit noch ein Zwischenraum für die auf der Membran 20 im Biegebereich 21 angeordneten Widerstände 30. Durch eine Bohrung 67 im Bauteilträger 65 werden die Meßsignale mit Hilfe eines Drahtbonds 68 von den Widerständen 30 zu den Leiterbahnen der Auswerteschaltung 35 geführt. Die Auswerteschaltung 35 und die übrigen elektrischen Bauteile, wie z. B. die Kondensatoren 40 können auf der Unterseite des Bauteilträgers 65 angeordnet sein, so daß der sich neben der Membran 20 befindliche Freiraum 70 in der Ausnehmung des Oberteils 12 ausgenutzt werden kann. Die Verbindung zwischen den Leiterbahnen auf der anderen Seite des Bauteilträgers 65 und der Auswerteschaltung 35 und den Kondensatoren 40 erfolgt mit Hilfe von Durchkontaktierungen durch den Bauteilträger 65. Diese Ausführungsvariante hat den Vorteil, daß eine mechanische Entkoppelung zwischen der Membran 20 und den elektrischen Bauteilen, wie der Auswerteschaltung 35 und den Kondensatoren 40 erfolgt. Zusätzlich können der Bauteilträger 65 und die auf ihm angeordneten Elemente mit Hilfe einer Vergußmasse 69 gegenüber Umwelteinflüssen, insbesondere Feuchtigkeit, geschützt werden.

Die Ausbildung nach der Fig. 5 stellt einen nach dem kapazitiven Prinzip arbeitenden Druckgeber 10a dar. Die Drucksignalerfassung erfolgt hier unter Ausnutzung der Kapazitätsänderung zwischen zwei mit Elektroden versehenen Platten. Die eine Platte stellt hierbei die Membran 20, insbesondere der Biegebereich 21 dar, der aus Metall, insbesondere Stahl bzw. Edelstahl ausgeführt ist. Auf der dem Druckmedium abgewandten Seite der Membran 21 ist eine Isolierschicht und eine Elektrodenschicht mit Kontaktflächen aufgebracht. Diese beiden Schichten sind aufgrund der Dünne der beiden Schichten in der Figur nicht erkenntlich. Diese beiden Schichten sind auf der in herkömmlicher Weise aus keramischem Werkstoff ausgeführten, zweiten Platte 90 angeordnet. Auf der anderen Seite dieser zweiten Platte 90 sind die bereits oben erwähnten Kondensatoren 40 und die Auswerteschaltung 35 angeordnet. Der übrige mechanische Aufbau kann entsprechend der Fig. 1, 3, oder 4 ausgeführt werden. Auch hier befinden sich die Auswerteschaltung und die übrigen elektronischen Bauteile direkt auf der Membran 20, die vorteilhafter Weise aus metallischem Material, insbesondere Stahl oder Edelstahl hergestellt ist. Insbesondere die Metallmembran ermöglicht nun eine gute Beständigkeit gegenüber aggressiven Medien, deren Druck bestimmt werden soll.

Claims (10)

1. Druckgeber (10), in dessen Gehäuse (11) eine Öffnung verschließende, metallische Membran (20) angeordnet ist, und auf der dem zu messenden Druck abgewandten Seite der Membran (20) mindestens ein Meßwertaufnehmer (30) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß sich auf der Membran (20) neben dem mindestens einen Meßwertaufnehmer (30) mindestens eine Auswerteschaltung (35) zur Auswertung der Meßsignale des oder der Meßwertaufnehmer (30) befindet.

2. Druckgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Auswerteschaltung (35) außerhalb der Biegezone der Membran (20) angeordnet ist.

3. Druckgeber nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Meßwertaufnehmer (30) und die mindestens eine Auswerteschaltung (35) direkt auf der Membran (20) angeordnet sind.

4. Druckgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Meßwertaufnehmer (30) Dehnmeßstreifen sind.

5. Druckgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Meßwertaufnehmer (30) und die mindestens eine Auswerteschaltung (35) in Dünnschichttechnik aufgebracht sind.

6. Druckgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Membran (20) Kondensatoren (40) angeordnet sind.

7. Druckgeber (10), der nach dem kapazitiven Prinzip arbeitet, in dessen Gehäuse (11) eine Öffnung verschließende Membran (20) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (20) aus Metall besteht und eine erste Elektrode darstellt, daß auf der Membran (20) eine Platte (90) mit einer zweiten Elektrodenschicht angeordnet ist, auf der sich mindestens eine Auswerteschaltung (35) zur Auswertung der kapazitiv gewonnenen Meßsignale befindet.

8. Druckgeber nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Membran (20) und der Platte (90) ein isolierter Spalt vorhanden ist.

9. Druckgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (20) aus Edelstahl besteht.

10. Druckgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Steg (25) des Oberteils (12) mit Fortsätzen (22) der Membran (20) überlappt.