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WO2020212336A1 - Sensor zur erfassung von druck, füllstand, dichte, temperatur, masse und/oder durchfluss - Google Patents

Sensor zur erfassung von druck, füllstand, dichte, temperatur, masse und/oder durchfluss Download PDF

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Publication number
WO2020212336A1
WO2020212336A1 PCT/EP2020/060445 EP2020060445W WO2020212336A1 WO 2020212336 A1 WO2020212336 A1 WO 2020212336A1 EP 2020060445 W EP2020060445 W EP 2020060445W WO 2020212336 A1 WO2020212336 A1 WO 2020212336A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
sensor
component
deflection
section
nanowires
Prior art date
Application number
PCT/EP2020/060445
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Wiegand ALEXANDER
Original Assignee
Wika Alexander Wiegand Se & Co. Kg
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Wika Alexander Wiegand Se & Co. Kg filed Critical Wika Alexander Wiegand Se & Co. Kg
Priority to DE112020001930.6T priority Critical patent/DE112020001930A5/de
Priority to CN202080028160.0A priority patent/CN113677970B/zh
Publication of WO2020212336A1 publication Critical patent/WO2020212336A1/de
Priority to US17/500,686 priority patent/US11976994B2/en

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    • G01K7/18—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements the element being a linear resistance, e.g. platinum resistance thermometer
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    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N9/00—Investigating density or specific gravity of materials; Analysing materials by determining density or specific gravity
    • G01N9/26—Investigating density or specific gravity of materials; Analysing materials by determining density or specific gravity by measuring pressure differences

Definitions

  • the invention relates to a sensor for detecting pressure, level, density, temperature, mass and / or flow.
  • Sensors for detecting pressure, fill level, density, temperature, mass or flow rate are generally known from the prior art.
  • the invention is based on the object of specifying a sensor that is improved over the prior art for detecting pressure, fill level, density, temperature, mass and / or flow rate.
  • the sensor according to the invention for detecting pressure, level, density,
  • Temperature, mass and / or flow comprises a sensor component for detecting a physical quantity of pressure, fill level, density, temperature, mass and / or flow.
  • the sensor component includes a thin one
  • deflection-sensitive section which is provided with an electronic evaluation device on a side facing away from a process medium, i.e. a side which is configured in an arrangement facing away from the process medium when the sensor component is in operation, and on a side facing the process medium when pressure is applied, which is formed in an operation of the sensor component to an arrangement facing the process medium, an elastic deflection takes place in the direction of the process medium turned away side.
  • This deflection can be measured electronically by means of the evaluation device.
  • the section susceptible to deflection is located at least mainly in a central area of the sensor component.
  • the sensor component further comprises a coupling section which extends circumferentially around the deflection-sensitive section and which is designed to be coupled to at least one further component on one side or on both sides.
  • the coupling section is at least partially stiffened, fixed or contacted by the further component.
  • nanowires also referred to as nanowires, are arranged at least in sections on the coupling section of the sensor component and / or on the further component.
  • the senor has a structure in which a sensor part or a
  • Sensor component is connected to a second component by means of the nanowires.
  • the nanowires permanently fix the two components to one another.
  • this connection is electrically conductive and also pressure-tight, so that in particular a pressure-tight connection to a process connection or
  • Sensor carrier part can be produced. Such a connection by means of nanowires can be implemented particularly easily and reliably.
  • the nanowires are on one side or both sides directly on the coupling section or a coupling section of the other component or applied in strips as an intermediate layer. Nanowires applied in this way enable a particularly stable connection. In the case of one-sided application, when they are pressed together, clawing occurs in the surface of the other component, which is cleaned and / or roughened, for example.
  • the further component is a sensor carrier part which faces the process medium during its operation and which in particular has a process access with a thread to a sealing one
  • the deflection-sensitive section and the circumferential coupling section a sensor disk which is reinforced by a completely circumferential ring section.
  • the sensor disk is therefore mechanically particularly stable and, at the same time, designed for precise and sensitive detection.
  • the sensor component is installed on both sides in the area of the coupling section with nanowires as a sandwich between the sensor carrier part and another disk-like component and is thus designed to be particularly compact and mechanically stable.
  • the sensor carrier part is made of brass, stainless steel or an alloy and the sensor component is made of a ceramic or a silicon oxide ceramic.
  • the sensor component is made of a ceramic or a silicon oxide ceramic.
  • Nanowire connection to the sensor carrier part has a fixing and / or sealing and / or electrically contacting function. Using the nanowire connection the sensor carrier part is on in a particularly simple and reliable manner
  • the includes
  • deflection-sensitive section comprises a first electrically conductive layer and a disk-like second component designed as a sensor upper part comprises a second electrically conductive layer, a deflection and / or expansion of the deflection-sensitive section being capacitively detectable on the two electrically conductive layers.
  • a capacitive detection is particularly reliable, exact and robust.
  • Deflection-sensitive section is provided at least in sections with an electrical resistance layer and / or strain measuring resistors, and a deflection and / or expansion or a temperature present there can be or is resistively detectable. Resistive detection is also particularly reliable, exact and robust.
  • the sensor carrier part is designed as a coupled second disk-like component and carries a printed circuit board, which electronic components for an electronic evaluation of the
  • Coupling section generate electrical contact and mechanical fixation of the sensor component and the sensor carrier part.
  • Such a structure is very compact, so that the sensor can be designed to be particularly small.
  • the attachment and contacting by means of the nanowires are very reliable, robust and easy to produce.
  • a further component carries a printed circuit board, electronic components arranged thereon being fastened and contacted with nanowires.
  • This training also enables an extremely compact design of the sensor.
  • the attachment and contacting by means of the nanowires are very reliable, robust and easy to produce.
  • these are or is
  • Sensor carrier part and / or a disk-like second component designed as a sensor upper part is provided with electrically conductive layers which are circular, point-like, ring-like, semicircular or segment-like. These layers are provided for the capacitive detection of the deflection and / or expansion of the deflection-sensitive section, the respective shape being selected in particular as a function of an application of the sensor and thus being precisely adaptable to the requirements of the application.
  • deflection-sensitive section in a center of the sensor component and has a thickness of 0.1 mm to 0.8 mm. A thickness within this range leads to a particularly great stability of the deflection-sensitive
  • the nanowires are applied on one side or on both sides and are made of copper, tin, silver, nickel, gold or stainless steel.
  • the sensor carrier part is made of brass, stainless steel or an alloy and the sensor component is made of a ceramic or a silicon oxide ceramic.
  • a molded second connection is provided for measuring a differential pressure.
  • This connection enables in particular access to the interior of the sensor on a side of the sensor component facing away from the process access and thus a measurement of a differential pressure between both sides of the sensor component.
  • Differential pressure can, for example, also be recorded as a flow rate on a pipe orifice.
  • Figures 1 A to 1F schematically a carrier part during a production of
  • FIG. 2 schematically shows a perspective view of a sensor component in a half section and a second disk-like component removed from it
  • FIG. 3 schematically shows a sectional illustration of a sensor for detecting pressure, fill level, density, temperature, mass and / or flow rate and
  • Figures 4A to 4D schematically a plan view of differently shaped
  • a support part 32 is schematically during a
  • nanowires 28 also referred to as nanowires
  • Carrier part 32 shown in various manufacturing phases according to the prior art.
  • nanowire 28 or nanowire used in the following can also denote a collection of several fibers.
  • a so-called target 21 is first applied to the carrier part 32.
  • Structures 22 are then applied to target 21 in a lithography process in accordance with FIG. 1B.
  • a start layer 23, on which the nanowires 28 are produced, is then applied to these structures 22 as shown in FIG.
  • an electrolyte 25 being applied to the structural layer 24, for example by means of a sponge.
  • the clearances 26 have, for example, a cylindrical shape with a diameter of 0.5 ⁇ m to 3 ⁇ m.
  • the structure layer 24 according to FIG. IE is then removed, for example by means of acid A, as a result of which the nanowires 28, as shown in FIG. 1F, are exposed.
  • the nanowires 28 can be covered, for example to protect against external influences.
  • Figure 2 shows a perspective view of a possible embodiment of a sensor component 3 in a half section and a possible one
  • the sensor component 3 is designed in particular to detect pressure, but it can also detect another physical variable such as fill level, density, temperature, mass and / or flow rate.
  • the sensor component 3 has a thin deflection-sensitive one
  • Section 3A When pressure is applied, this section 3 A bulges, with a maximum of the bulge in particular in its center.
  • the deflection-sensitive section 3 A bends in particular to the side which faces away from a process medium.
  • This side facing away from the process has an electronic one
  • Evaluation device 11 is provided.
  • This evaluation device 11 can, for example, be a (first) electrically conductive layer 11, which approaches another layer 12 of the second, in particular disk-like, component 2 during the curvature.
  • a capacitance between the two layers or surfaces changes here. This change is measurable and can then be used as a signal for pressure and bulging.
  • the application of pressure is located, for example, in a low pressure range from 25 mbar to 100 bar.
  • a low pressure range from 25 mbar to 100 bar.
  • Section 3 A also referred to as a membrane, formed for example from ceramic material with a thickness of 0.1 mm to 0.8 mm.
  • metallic membranes are also conceivable, which can be acted upon, for example, with pressures of up to 8000 bar.
  • Section 3 A can be measured with an evaluation circuit 31 via a change in capacitance or via a change in electrical resistance if resistors, for example strain measuring resistors, in particular in strip form, and / or a resistance layer 20 are applied to the deflection-sensitive section 3 A.
  • resistors for example strain measuring resistors, in particular in strip form, and / or a resistance layer 20 are applied to the deflection-sensitive section 3 A.
  • the deflection-sensitive section 3 A is located in particular in a central area of the sensor component 3, which is shown here as a round shape.
  • the sensor component 3 can, however, also have any other shape, for example be designed as a cuboid or cube.
  • the coupling section 3 C extends in particular all around, so that a Disc results, which has the deflection-sensitive section 3 A inside.
  • the outer area is stiffened at least on one side so that it does not move or sag when pressure is applied. Part of.
  • the stiffening can be realized on the one hand by means of a pipe section or by means of a completely circumferential ring section 3B, which with the
  • Coupling section 3C is connected. The connection between the
  • Ring section 3B and the coupling section 3C take place, for example, by means of a nanowire layer 15A.
  • the stiffening at the coupling section 3C can be brought about by adding the disk-like second component 2 from above.
  • the second component 2 can contain the second flat electrode for the capacitive measurement.
  • Deflection-sensitive section 3A that is to say the disk-shaped membrane, is provided with nanowires 28 in the coupling section 3C and, for example, pressed with the second component 2. This creates a coupling and fixation as well as a stiffening at the edge of the deflection-sensitive
  • the nanowires 28 are here for example all around the
  • Coupling section 3C applied, or alternatively only in sections in sections 28A, 28B, 28C.
  • a holding force here reaches for example 5 MPa to 50 MPa, for example 10 MPa to 30 MPa.
  • the nanowires 28 have a thickness of 0.3 ⁇ m to 4.0 ⁇ m with a length of 10 ⁇ m to 800 ⁇ m, for example.
  • the nanowires 28 are on one side or both sides directly on the
  • Coupling section 3C of the sensor component 3 or a coupling section of the second component 2 is applied.
  • the application can also take place in strips as an intermediate joint and / or ring band.
  • a one-sided application when the
  • the disk-like second component 2 is in one possible embodiment as
  • Formed printed circuit board or includes such and carries electronic components 10 of the evaluation circuit 31, conductor tracks and / or
  • the components 10 can also use this
  • Nanowire connections be mounted.
  • FIG. 3 shows a sectional illustration of a possible exemplary embodiment of a sensor 30.
  • the sensor 30 comprises a housing 1, a sensor component 3, for example designed as shown in FIG. 2, a disk-like second component 2,
  • the sensor component 3 and the disk-like second component 2 mounted on it are arranged on the sensor carrier part 4, the sensor carrier part 4 facing a process in the assembled state.
  • the sensor carrier part 4 comprises a process access 5 with a thread 19.
  • the sensor carrier part 4 can be introduced into a process opening in a sealing manner by means of the thread 19. Here, an end of the process access 5 facing away from the process opening is closed with the sensor component 3.
  • the sensor carrier part 4 is formed for example from brass and that
  • Sensor component 3 is fastened to sensor carrier part 4 in a sealing manner with a circular nanowire layer 15B.
  • the sensitive section 3 A and the encircling coupling section 3C is then not only reinforced by means of the completely encircling ring section 3B, but also additionally stabilized by means of coupling to the sensor carrier part 4.
  • the sensor component 3 can also be on both sides in the area of
  • Coupling section 3C can be provided with the nanowire layers 15A, 15B and thus carry the reinforcement downwards to the ring section 3B and upwards as a sandwich composite, the second disk-like component 2.
  • this shoring
  • Nanowires 28 for example, applied to both sides of the coupling section 3C.
  • the sensor carrier part 4 can be made of stainless steel or any other suitable metallic material or any other suitable metallic alloy, in contrast to the formation of brass, in order to connect via nanowires 28 with the sensor component 3, which for example consists of a ceramic or a
  • Silica ceramic is formed to be bonded.
  • the nanowires 28 can be made of copper, tin or stainless steel.
  • the nanowire connection to the sensor component 3 When connected in the sandwich composite to the second, upper, disk-like component 2, the nanowire connection to the sensor component 3 optionally forms an electrical connection around the capacitive layers or electrical resistors, for example, in addition to the fixing and / or sealing effect
  • the deflection-sensitive section 3 A is provided with a first electrically conductive layer 11 and the second disk-like component 2 is provided with a second electrically conductive layer 12.
  • an intermediate layer 14 or a liquid is provided as a dielectric in order to improve the capacitive effect. It is also possible that the layers 11, 12 are provided with special nanowires 28 at a special distance and interlock like fingers in order to improve the capacitive effect in terms of measurement technology.
  • the disk-shaped second element has contact points 13 designed as plated-through holes for the electronic components 10 of the evaluation circuit 31. These vias can thus connect one side to the other directly via nanowires 28 or contact components of the evaluation circuit 31, which are thus brought into connection with one of the conductive layers 11, 12 of the capacitive sensor circuit.
  • a plug 6 is led out of the housing 1 enclosing the sensor component 3 and the second component 2.
  • Contacts 7 of the plug 6 can also be connected inside to a plug or a base plate 8, which is connected to the evaluation circuit 31 via a multi-core cable 9.
  • Access to the interior of the sensor 30 and to the other side of the sensor component 3 for measuring a differential pressure is also possible via a connection 18 molded onto the housing 1. Using the differential pressure, for example, the flow rate can also be recorded as a measured variable on a pipe orifice.
  • FIGS. 4A to 4D plan views of electrically conductive layers 11, 12 for the capacitive measurement are shown.
  • These layers 11, 12 can be flat, circular, punctiform, ring-shaped, semicircular or segment-like.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sensor (30) zur Erfassung von Druck, Füllstand, Dichte, Temperatur, Masse und/oder Durchfluss, wobei zumindest ein zentrales Sensorbauteil (3) mit Nanodrähten (28) zu einem weiteren Bauteil (2, 4) gekoppelt ist und wobei hierbei das Sensorbauteil (3) versteift, fixiert und/oder elektrisch kontaktiert ist.

Description

BESCHREIBUNG
TITEL DER ERFINDUNG Sensor zur Erfassung von Druck, Füllstand, Dichte, Temperatur, Masse und/oder Durchfluss
TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Erfassung von Druck, Füllstand, Dichte, Temperatur, Masse und/oder Durchfluss.
STAND DER TECHNIK
Aus dem Stand der Technik sind allgemein Sensoren zur Erfassung von Druck, Füllstand, Dichte, Temperatur, Masse oder Durchfluss bekannt.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Sensor zur Erfassung von Druck, Füllstand, Dichte, Temperatur, Masse und/oder Durchfluss anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Sensor gelöst, welcher die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist. Mögliche Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche. ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Der erfindungsgemäße Sensor zur Erfassung von Druck, Füllstand, Dichte,
Temperatur, Masse und/oder Durchfluss umfasst ein Sensorbauteil zur Erfassung einer physikalischen Größe von Druck, Füllstand, Dichte, Temperatur, Masse und/oder Durchfluss. Das Sensorbauteil umfasst einen dünnen
durchbiegungsempfindlichen Abschnitt, welcher auf einer einem Prozessmedium abgewandten Seite, das heißt einer Seite, welche in einem Betrieb des Sensorbauteils zu einer vom Prozessmedium abgewandten Anordnung ausgebildet ist, mit einer elektronischen Auswertungsvorrichtung versehen ist und bei Beaufschlagung mit Druck auf einer dem Prozessmedium zugewandten Seite, welche in einem Betrieb des Sensorbauteils zu einer vom Prozessmedium zugewandten Anordnung ausgebildet ist, eine elastische Durchbiegung in Richtung dem Prozessmedium abge wandten Seite erfolgt. Diese Durchbiegung ist mittels der Auswertungsvorrichtung elektronisch messbar. Dabei befindet sich der durchbiegungsempfmdliche Abschnitt zumindest hauptsächlich in einem mittleren Bereich des Sensorbauteils. Das Sensorbauteil umfasst weiterhin einen Kopplungsabschnitt, welcher sich umlaufend um den durchbiegungsempfindlichen Abschnitt erstreckt und welcher dazu ausgebildet ist, mit zumindest einem weiteren Bauteil auf einer Seite oder auf beiden Seiten gekoppelt zu werden. Bei der Kopplung ist der Kopplungsabschnitt wenigstens partiell durch das weitere Bauteil versteift, fixiert oder kontaktiert. Für die Kopplung sind auf dem Kopplungsabschnitt des Sensorbauteils und/oder auf dem weiteren Bauteil zumindest abschnittsweise Nanodrähte, auch als Nanowires bezeichnet, angeordnet.
Somit weist der Sensor einen Aufbau auf, bei dem ein Sensorteil oder eine
Sensorkomponente mit einem zweiten Bauteil mittels der Nanodrähte verbunden ist. Dabei fixieren die Nanodrähte die beiden Bauteile dauerhaft zueinander. Zusätzlich ist diese Verbindung elektrisch leitfähig und darüber hinaus druckdicht, so dass insbesondere eine druckdichte Verbindung zu einem Prozessanschluss oder
Sensorträgerteil herstellbar ist. Eine solche Verbindung mittels Nanodrähten ist besonders einfach und zuverlässig realisierbar.
In einer möglichen Ausgestaltung des Sensors sind die Nanodrähte einseitig oder beidseitig direkt auf den Kopplungsabschnitt oder einem Kopplungsabschnitt des weiteren Bauteils oder streifenartig als Zwischenfügelage aufgebracht. Derart aufgebrachte Nanodrähte ermöglichen eine besonders stabile Verbindung. Bei einer einseitigen Applikation kommt es beim Zusammendrücken zu einer Verkrallung in der Oberfläche des jeweils anderen Bauteils, welche beispielsweise gereinigt und/oder aufgeraut ist.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Sensors ist das weitere Bauteil ein in seinem Betrieb dem Prozessmedium zugewandtes Sensorträgerteil, welches insbesondere einen Prozesszugang mit einem Gewinde zu einer dichtenden
Einbringung in eine Prozessöffnung umfasst, wobei ein der Prozessöffnung abgewandtes Ende des Prozesszugangs mit dem Sensorbauteil verschlossen ist. Eine solche Ausbildung ermöglicht eine einfache, sichere und mediendichte Anordnung des Sensors an einer Anlage bzw. einem Prozess.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Sensors bilden der
durchbiegungsempfindliche Abschnitt und der umlaufende Kopplungsabschnitt eine Sensorscheibe, welche durch einen vollständig umlaufenden Ringabschnitt verstärkt ist. Somit ist die Sensorscheibe mechanisch besonders stabil und gleichzeitig zu einer exakten und sensiblen Erfassung ausgebildet.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Sensors ist das Sensorbauteil beidseitig im Bereich des Kopplungsabschnitts mit Nanodrähten als Sandwich verbund zwischen dem Sensorträgerteil und einem weiteren scheibenartigen Bauteil verbaut und somit besonders kompakt und mechanisch stabil ausgebildet.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Sensors ist das Sensorträgerteil aus Messing, Edelstahl oder einer Legierung gebildet und das Sensorbauteil ist aus einer Keramik oder einer Siliziumoxidkeramik gebildet. Eine solche Materialkombination ermöglicht eine einfache und zuverlässige Verbindung zwischen Sensorträgerteil und Sensorbauteil mittels Nanodrähten.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Sensors weist eine
Nanodrahtverbindung zum Sensorträgerteil eine fixierende und/oder dichtende und/oder elektrisch kontaktierende Funktion auf. Mittels der Nanodrahtverbindung ist das Sensorträgerteil in besonders einfacher und zuverlässiger Weise an
Anforderungen einer jeweiligen Anwendung anpassbar.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Sensors umfasst der
durchbiegungsempfindliche Abschnitt eine erste elektrisch leitende Schicht und ein scheibenartiges, als Sensoroberteil ausgebildetes zweites Bauteil umfasst eine zweite elektrisch leitenden Schicht, wobei eine Durchbiegung und/oder Dehnung des durchbiegungsempfindlichen Abschnitts an den beiden elektrisch leitenden Schichten kapazitiv erfassbar ist. Eine solche kapazitive Erfassung ist besonders zuverlässig, exakt und robust.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Sensors ist der
durchbiegungsempfindliche Abschnitt zumindest abschnittsweise mit einer elektrischen Widerstandsschicht und/oder Dehnungsmesswiderständen versehen und eine Durchbiegung und/oder Dehnung oder eine dort vorhandene Temperatur sind bzw. ist resistiv erfassbar. Auch eine resistive Erfassung ist besonders zuverlässig, exakt und robust.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Sensors ist das Sensorträgerteil als angekoppeltes zweites scheibenartiges Bauteil ausgebildet und trägt eine Leiterplatte, welche elektronische Komponenten zu einer elektronischen Auswertung der
Durchbiegung und/oder Dehnung umfasst, wobei die Nanodrähte über den
Kopplungsabschnitt eine elektrische Kontaktierung und eine mechanische Fixierung des Sensorbauteils und des Sensorträgerteils erzeugen. Ein solcher Aufbau ist sehr kompakt, so dass der Sensor besonders kleinbauend ausgebildet werden kann. Die Befestigung und Kontaktierung mittels der Nanodrähte sind dabei sehr zuverlässig, robust und einfach herstellbar.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Sensors trägt ein weiteres Bauteil eine Leiterplatte, wobei auf dieser angeordnete elektronische Komponenten mit Nanodrähten befestigt und kontaktiert sind. Auch diese Ausbildung ermöglicht eine äußert kompakte Bauweise des Sensors. Die Befestigung und Kontaktierung mittels der Nanodrähte sind dabei sehr zuverlässig, robust und einfach herstellbar. In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Sensors sind bzw. ist das
Sensorträgerteil und/oder ein scheibenartiges, als Sensoroberteil ausgebildetes zweites Bauteil mit elektrisch leitenden Schichten versehen, welche kreisförmig, punktförmig, ringförmig, halbkreisförmig oder segmentartig geformt sind. Diese Schichten sind zur kapazitiven Erfassung der Durchbiegung und/oder Dehnung des durchbiegungsempfindlichen Abschnitts vorgesehen, wobei eine Wahl der jeweiligen Form insbesondere in Abhängigkeit einer Anwendung des Sensors erfolgt und somit genau an Anforderungen der Anwendung anpassbar ist.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Sensors befindet sich der
durchbiegungsempfindliche Abschnitt in einem Zentrum des Sensorbauteils und weist eine Dicke von 0,1 mm bis 0,8 mm auf. Eine Dicke innerhalb dieses Bereichs führt zu einer besonders großen Stabilität des durchbiegungsempfindlichen
Abschnitts bei gleichzeitig sehr guter Biegbarkeit.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Sensors sind die Nanodrähte einseitig oder beidseitig aufgebracht und aus Kupfer, Zinn, Silber, Nickel, Gold oder Edelstahl gebildet. Eine solche Ausbildung ermöglicht eine einfache und zuverlässige
Verbindung zwischen Sensorträgerteil und Sensorbauteil mittels der Nanodrähte, insbesondere wenn das Sensorträgerteil aus Messing, Edelstahl oder einer Legierung gebildet und das Sensorbauteil aus einer Keramik oder einer Siliziumoxidkeramik gebildet ist.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung des Sensors ist ein angeformter zweiter Anschluss zur Messung eines Differenzdrucks vorgesehen. Dieser Anschluss ermöglicht dabei insbesondere einen Zugang zum Inneren des Sensors auf einer dem Prozesszugang abgewandten Seite des Sensorbauteils und somit eine Messung eines Differenzdrucks zwischen beiden Seiten des Sensorbauteils. Über den
Differenzdruck kann beispielsweise an einer Rohrblende auch als Messgröße ein Durchfluss erfasst werden.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN Mögliche Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
Figuren 1 A bis 1F schematisch ein Trägerteil während einer Herstellung von
Nanodrähten auf diesem in verschiedenen Herstellungsphasen,
Figur 2 schematisch eine perspektivische Ansicht eines Sensorbauteils in einem Halbschnitt und eines von diesem abgenommenen zweiten scheibenartigen Bauteils,
Figur 3 schematisch eine Schnittdarstellung eines Sensors zur Erfassung von Druck, Füllstand, Dichte, Temperatur, Masse und/oder Durchfluss und
Figuren 4A bis 4D schematisch eine Draufsicht unterschiedlich geformter,
elektrisch leitender Schichten.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In den Figuren 1A bis 1F ist schematisch ein Trägerteil 32 während einer
Herstellung von Nanodrähten 28, auch als Nanowires bezeichnet, auf dem
Trägerteil 32 in verschiedenen Herstellungsphasen nach dem Stand der Technik dargestellt.
Der im Folgenden verwendete Begriff Nanodraht 28 oder Nanowire kann dabei auch eine Ansammlung von mehreren Fasern bezeichnen.
Hierbei wird gemäß Figur 1A auf dem Trägerteil 32 zunächst ein so genanntes Target 21 aufgebracht.
Nachfolgend werden gemäß Figur 1B in einem Lithografieprozess Strukturen 22 auf das Target 21 aufgebracht. Auf diesen Strukturen 22 wird anschließend gemäß Figur IC eine Startschicht 23 aufgebracht, auf welcher die Nanodrähte 28 erzeugt werden.
Gemäß Figur ID wird auf diese Startschicht 23 eine Strukturschicht 24,
beispielsweise in Form einer Folie, mit Freimachungen 26 aufgebracht, wobei auf der Strukturschicht 24 ein Elektrolyt 25, beispielsweise mittels eines Schwamms, appliziert wird.
Die Freimachungen 26 weisen beispielsweise eine zylindrische Form mit einem Durchmesser von 0,5 pm bis 3 gm auf.
Bei Anlegen einer elektrischen Spannung wird in den Freimachungen 26 eine Nanodraht- Struktur erzeugt.
Anschließend wird die Struktur Schicht 24 gemäß Figur IE beispielsweise mittels Säure A entfernt, wodurch die Nanodrähte 28, wie in Figur 1F dargestellt, freigelegt werden.
Für die weitere Verarbeitung können die Nanodrähte 28 beispielsweise zu einem Schutz vor äußeren Einwirkungen abgedeckt werden.
Eine solche Technik ist grundsätzlich auch der Druckschrift EIS 2011/0039459 oder US 2016/0143153 entnehmbar.
Figur 2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines möglichen Ausführungsbeispiels eines Sensorbauteils 3 in einem Halbschnitt und eines möglichen
Ausführungsbeispiels eines von dem Sensorbauteil 3 abgenommenen zweiten scheibenartigen Bauteils 2, auch als Sensoroberteil bezeichnet.
Das Sensorbauteil 3 ist hierbei insbesondere zu einer Erfassung von Druck ausgebildet, kann jedoch auch eine andere physikalische Größe wie Füllstand, Dichte, Temperatur, Masse und/oder Durchfluss erfassen. Das Sensorbauteil 3 weist hierzu einen dünnen durchbiegungsempfindlichen
Abschnitt 3A auf. Bei Beaufschlagung mit Druck wölbt sich dieser Abschnitt 3 A, wobei ein Maximum der Wölbung insbesondere in dessen Mitte liegt. Der durchbiegungsempfindliche Abschnitt 3 A biegt sich dabei insbesondere zu der Seite, welche einem Prozessmedium abgewandt ist.
Diese, dem Prozess abgewandte Seite ist mit einer elektronischen
Auswertungsvorrichtung 11 versehen. Diese Auswertungsvorrichtung 11 kann zum Beispiel eine (erste) elektrisch leitende Schicht 11 sein, welche sich während der Wölbung an eine andere Schicht 12 des zweiten, insbesondere scheibenartig ausgebildeten Bauteils 2 annähert. Hierbei ändert sich insbesondere eine Kapazität zwischen den beiden Schichten bzw. Flächen. Diese Veränderung ist messbar und kann dann als Signal für den Druck und die Durchwölbung verwendet werden.
Die Beaufschlagung mit Druck ist beispielsweise in einem Niederdruckbereich von 25 mbar bis 100 bar angesiedelt. Hierbei ist der durchbiegungsempfindliche
Abschnitt 3 A, auch als Membran bezeichnet, beispielsweise aus keramischem Material mit einer Dicke von 0,1 mm bis 0,8 mm gebildet. Es sind jedoch auch metallische Membranen denkbar, welche beispielsweise mit Drücken bis zu 8000 bar beaufschlagbar sind.
Eine elastische Durchbiegung des zentralen durchbiegungs-empfindlichen
Abschnitts 3 A kann mit einer Auswerteschaltung 31 über eine Änderung der Kapazität oder auch über eine Änderung eines elektrischen Widerstands gemessen werden, wenn auf den durchbiegungsempfindlichen Abschnitt 3 A Widerstände, beispielsweise Dehnungsmesswiderstände, insbesondere in Streifenform, und/oder eine Widerstandsschicht 20 aufgebracht sind.
Der durchbiegungsempfindliche Abschnitt 3 A befindet sich insbesondere in einem mittleren Bereich des Sensorbauteils 3, welches hier rund gezeigt ist. Das
Sensorbauteil 3 kann aber auch jeder andere Form aufweisen, beispielsweise als Quader oder Würfel ausgebildet sein.
Rund um den durchbiegungsempfindlichen Abschnitt 3 A, das heißt die Membran, erstreckt sich insbesondere umlaufend Kopplungsabschnitt 3C, so dass sich eine Scheibe ergibt, die im Inneren den durchbiegungsempfindlichen Abschnitt 3 A aufweist. Beispielsweise ist hierbei der äußere Bereich zumindest einseitig versteift, so dass sich dieser bei Beaufschlagung mit Druck nicht bewegt oder durchbiegt. Teil der.
Die Versteifung kann einerseits mittels eines Rohrabschnitts oder mittels eines vollständig umlaufenden Ringabschnitts 3B realisiert sein, welcher mit dem
Kopplungsabschnitt 3C verbunden ist. Die Verbindung zwischen dem
Ringabschnitt 3B und dem Kopplungsabschnitt 3C erfolgt beispielsweise mittels einer Nanodrahtlage 15A.
Andererseits kann die Versteifung am Kopplungsabschnitt 3C dadurch herbeigeführt werden, dass das scheibenartige zweite Bauteil 2 von oben hinzugefügt wird. Dabei kann das zweite Bauteil 2 die zweite flächige Elektrode für die kapazitive Messung enthalten.
Bei der Kopplung wird der Sensorverbund, insbesondere der
durchbiegungsempfindliche Abschnitt 3 A, das heißt die scheibenförmige Membran, im Kopplungsabschnitt 3C mit Nanodrähten 28 versehen und mit dem zweiten Bauteil 2 beispielsweise verpresst. Hierdurch entstehen eine Kopplung und Fixierung sowie zeitgleich eine Versteifung am Rand des durchbiegungsempfindlichen
Abschnitts 3A.
Die Nanodrähte 28 sind hierbei beispielsweise umlaufend auf den
Kopplungsabschnitt 3C aufgebracht, oder alternativ auch nur abschnittsweise in den Abschnitten 28A, 28B, 28C. Eine Haltekraft erreicht hierbei beispielsweise 5 MPa bis 50 MPa, zum Beispiel 10 MPa bis 30 MPa. Die Nanodrähte 28 weisen hierbei beispielsweise eine Dicke von 0,3 pm bis 4,0 pm bei einer Länge von beispielsweise 10 pm bis 800 pm auf.
Die Nanodrähte 28 sind einseitig oder beidseitig direkt auf den
Kopplungsabschnitt 3C des Sensorbauteils 3 oder einem Kopplungsabschnitt des zweiten Bauteils 2 aufgebracht. Alternativ kann die Applikation auch streifenartig als Zwischenfügei age und/oder Ringband erfolgen. Bei einer einseitigen Applikation kommt es beim Zusammendrücken des
Sensorbauteils 3 und des zweiten Bauteils 2 zu einer Verkrallung in der Oberfläche des jeweils anderen Bauteils. Um diese Verkrallung zu optimieren, wird die
Oberfläche zuvor beispielsweise gereinigt und/oder aufgeraut.
Das scheibenartige zweite Bauteil 2 ist in einer möglichen Ausgestaltung als
Leiterplatte ausgebildet oder umfasst eine solche und trägt dabei elektronische Komponenten 10 der Auswerteschaltung 31, Leiterbahnen und/oder
Kontaktpunkte 13 tragen. Die Komponenten 10 können hierbei ebenso über
Nanodraht-Verbindungen montiert sein.
In Figur 3 ist eine Schnittdarstellung eines möglichen Ausführungsbeispiels eines Sensors 30.
Der Sensor 30 umfasst ein Gehäuse 1, ein Sensorbauteil 3, beispielsweise ausgebildet gemäß der Darstellung in Figur 2, ein scheibenartiges zweites Bauteil 2,
beispielsweise ausgebildet gemäß der Darstellung in Figur 2, und ein weiteres, als Sensorträgerteil 4 ausgebildetes Bauteil 4.
Dabei sind das Sensorbauteil 3 und das auf diesem montierte scheibenartige zweite Bauteil 2 auf dem Sensorträgerteil 4 angeordnet, wobei das Sensorträgerteil 4 im montierten Zustand einem Prozess zugewandt ist.
Das Sensorträgerteil 4 umfasst einen Prozesszugang 5 mit einem Gewinde 19.
Mittels des Gewindes 19 kann das Sensorträgerteil 4 dichtend in eine Prozessöffnung eingebracht werden. Hierbei ist ein der Prozessöffnung abgewandtes Ende des Prozesszugangs 5 mit dem Sensorbauteil 3 verschlossen.
Das Sensorträgerteil 4 ist beispielsweise aus Messing gebildet und das
Sensorbauteil 3 ist dichtend mit einer kreisförmigen Nanodrahtlage 15B auf dem Sensorträgerteil 4 befestigt. Das Sensorbauteil 3 mit dem durchbiegungs
empfindlichen Abschnitt 3 A und dem umlaufenden Kopplungsabschnitt 3C ist dann nicht nur mittels des vollständig umlaufenden Ringabschnitt 3B verstärkt, sondern auch mittels Kopplung an das Sensorträgerteil 4 zusätzlich stabilisiert. Insbesondere kann das Sensorbauteil 3 aber auch beidseitig im Bereich des
Kopplungsabschnitts 3C mit den Nanodrahtlagen 15A, 15B versehen sein und so die Versteifung nach unten zum Ringabschnitt 3B und nach oben als Sandwichverbund das zweite scheibenartige Bauteil 2 tragen. Bei diesem Verbau werden
Nanodrähte 28 beispielsweise beidseitig auf dem Kopplungsabschnitt 3C appliziert.
Das Sensorträgerteil 4 kann abweichend zur Ausbildung aus Messing auch aus Edelstahl oder jedem anderen geeigneten metallischen Material oder jeder anderen geeigneten metallischen Legierung gebildet sein, um über Nanodrähte 28 mit dem Sensorbauteil 3, welches beispielsweise aus einer Keramik oder einer
Siliziumoxidkeramik gebildet ist, verbunden zu werden. Die Nanodrähte 28 können hierbei aus Kupfer, Zinn oder Edelstahl gebildet sein.
Bei der Verbindung im Sandwichverbund zum zweiten, oberen scheibenartigem Bauteil 2 bildet die Nanodrahtverbindung zum Sensorbauteil 3 zusätzlich zur fixierenden und/oder dichtenden Wirkung optional eine elektrische Verbindung, um die kapazitiven Schichten oder elektrischen Widerstände, beispielsweise
Dehnungsmesswiderstände, elektrisch mit der Auswerteschaltung 31 zu verbinden.
Beispielsweise ist hierzu der durchbiegungsempfindliche Abschnitt 3 A mit einer ersten elektrisch leitenden Schicht 11 versehen und das zweite scheibenartige Bauteil 2 mit einer zweiten elektrisch leitenden Schicht 12 versehen. Bei
Durchbiegung, Dehnung des zentralen durchbiegungsempfindlichen Abschnitts 3A kann dann über die beiden elektrisch leitenden Schichten 11, 12 eine Druck- oder Wölbungsänderung kapazitiv erfasst werden.
In einer möglichen Ausgestaltung ist eine Zwischenlage 14 oder eine Flüssigkeit als Dielektrikum vorgesehen, um den kapazitiven Effekt zu verbessern. Auch ist es möglich, dass die Schichten 11, 12 mit speziellen Nanodrähten 28 in speziellem Abstand versehen sind und fingerartig ineinandergreifen, um somit ebenfalls den kapazitiven Effekt messtechnisch zu verbessern.
In einer möglichen Ausgestaltung weist hierzu das scheibenförmige zweite Element als Durchkontaktierungen ausgebildete Kontaktpunkte 13 zu den elektronischen Komponenten 10 der Auswerteschaltung 31 auf. Diese Durchkontaktierungen können so direkt über Nanodrähte 28 eine Seite mit der anderen verbinden oder Bauteile der Auswerteschaltung 31 kontaktieren, welche so in Verbindung mit einer der leitenden Schichten 11, 12 der kapazitiven Sensorschaltung gebracht werden. Aus dem das Sensorbauteil 3 und das zweite Bauteil 2 umhüllenden Gehäuse 1 ist ein Stecker 6 herausgeführt. Kontakte 7 des Steckers 6 können hierbei im Inneren auch mit einem Stecker oder einer Basisplatte 8 verbunden sein, welche über ein mehradriges Kabel 9 mit der Auswerteschaltung 31 verbunden ist. Über einen am Gehäuse 1 angeformten Anschluss 18 ist weiterhin Zugang zum Inneren des Sensors 30 und zur anderen Seite des Sensorbauteils 3 zur Messung eines Differenzdrucks möglich. Über den Differenzdruck kann beispielsweise an einer Rohrblende so auch der Durchfluss als Messgröße erfasst werden. In den Figuren 4A bis 4D sind Draufsichten elektrisch leitenden Schichten 11, 12 für die kapazitive Messung dargestellt.
Diese Schichten 11, 12 können flächig kreisförmig, punktförmig, ringförmig, halbkreisförmig oder segmentartig geformt sein.
Die Erfindung ist nicht auf die vorhergehenden ausführlichen Ausführungsbeispiele beschränkt. Sie kann in dem Umfang der nachfolgenden Ansprüche modifiziert werden. Ebenfalls können einzelne Aspekte aus den abhängigen Ansprüchen miteinander kombiniert werden.
BEZUGSZEICHENLISTE
1 Gehäuse
2 Bauteil
3 Sensorbauteil
3A Abschnitt
3B Ringabschnitt
3C Kopplungsabschnitt
4 Bauteil, Sensorträgerteil
5 Prozesszugang
6 Stecker
7 Kontakt
8 Basisplatte
9 Kabel
10 elektronische Komponente
11 Auswertevorrichtung, Schicht 12 Schicht
13 Kontaktpunkt
14 Zwischenlage
15A Nanodrahtlage
15B Nanodrahtlage
18 Anschluss
19 Gewinde
20 Widerstandsschicht
21 Target
22 Struktur
23 Startschicht
24 Struktur Schicht
25 Elektrolyt
26 Freimachung
28 Nanodraht
28A Abschnitt
28B Abschnitt
28C Abschnitt 30 Sensor
31 Auswerteschaltung
32 Trägerteil
A Säure

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Sensor (30) zur Erfassung von Druck, Füllstand, Dichte, Temperatur, Masse und/oder Durchfluss,
aufweisend
ein Sensorbauteil (3) zur Erfassung einer physikalischen Größe von Druck,
Füllstand, Dichte, Temperatur, Masse und/oder Durchfluss
- mit einem dünnen durchbiegungsempfindlichen Abschnitt (3 A), wobei der durchbiegungsempfindliche Abschnitt (3 A) auf einer einem Prozessmedium abgewandten Seite mit einer elektronischen Auswertungsvorrichtung (11) versehen ist und bei Beaufschlagung mit Druck auf einer dem Prozessmedium zugewandten Seite eine elastische Durchbiegung in Richtung dem Prozessmedium abgewandten Seite erfolgt, welche mittels der Auswertungsvorrichtung (11) elektronisch messbar ist, und wobei der durchbiegungsempfindliche Abschnitt (3 A) sich zumindest hauptsächlich in einem mittleren Bereich des Sensorbauteils (3) befindet,
sowie
- mit einem Kopplungsabschnitt (3C), welcher sich umlaufend um den
durchbiegungsempfindlichen Abschnitt (3 A) erstreckt, und welcher dazu ausgebildet ist, mit zumindest einem weiteren Bauteil (2, 4) auf einer Seite oder auf beiden Seiten gekoppelt zu werden, wobei bei der Kopplung der Kopplungsabschnitt (3C) wenigstens partiell durch das weitere Bauteil (2, 4) versteift, fixiert oder kontaktiert ist, wobei
- für die Kopplung auf dem Kopplungsabschnitt (3C) des Sensorbauteils (3) und/oder auf dem weiteren Bauteil (2, 4) zumindest abschnittsweise Nanodrähte (28) angeordnet sind.
2. Sensor (30) nach Anspruch 1, wobei
die Nanodrähte (28) einseitig oder beidseitig direkt auf den Kopplungsabschnitt (3C) oder einem Kopplungsabschnitt des weiteren Bauteils (2, 4) oder streifenartig als Zwischenfügei age aufgebracht sind.
3. Sensor (30) nach Anspruch 1 oder 2, wobei
ein weiteres Bauteil (4) ein in seinem Betrieb dem Prozessmedium zugewandtes Sensorträgerteil (4) ist, welches insbesondere einen Prozesszugang (5) mit einem Gewinde (19) zu einer dichtenden Einbringung in eine Prozessöffnung umfasst, wobei ein der Prozessöffnung abgewandtes Ende des Prozesszugangs (5) mit dem Sensorbauteil (3) verschlossen ist.
4. Sensor (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
der durchbiegungsempfindliche Abschnitt (3 A) und der umlaufende
Kopplungsabschnitt (3C) eine Sensorscheibe bilden, welche durch einen vollständig umlaufenden Ringabschnitt (3B) verstärkt ist.
5. Sensor (30) nach Anspruch 3 oder 4, wobei
das Sensorbauteil (3) beidseitig im Bereich des Kopplungsabschnitts (3C) mit Nanodrähten (28) als Sandwichverbund zwischen dem Sensorträgerteil (4) und einem weiteren scheibenartigen Bauteil (2) verbaut ist.
6. Sensor (30) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei
das Sensorträgerteil (4) aus Messing, Edelstahl oder einer Legierung gebildet ist und das Sensorbauteil (3) aus einer Keramik oder einer Siliziumoxidkeramik gebildet ist.
7. Sensor (30) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei
eine Nanodrahtverbindung zum Sensorträgerteil (4) eine fixierende und/oder dichtende und/oder elektrisch kontaktierende Funktion aufweist.
8. Sensor (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
der durchbiegungsempfindliche Abschnitt (3 A) eine erste elektrisch leitende
Schicht (11) und ein scheibenartiges, als Sensoroberteil ausgebildetes zweites Bauteil (2) eine zweite elektrisch leitenden Schicht (12) umfasst, wobei eine
Durchbiegung und/oder Dehnung des durchbiegungsempfindlichen Abschnitts (3 A) an den beiden elektrisch leitenden Schichten (11, 12) kapazitiv erfassbar ist.
9. Sensor (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
der durchbiegungsempfindliche Abschnitt (3 A) zumindest abschnittsweise mit einer elektrischen Widerstandsschicht (20) und/oder Dehnungsmesswiderständen versehen ist, und eine Durchbiegung und/oder Dehnung oder eine dort vorhandene Temperatur resistiv erfassbar sind.
10. Sensor (30) nach einem Ansprüche 5 bis 9, wobei
das Sensorträgerteil (4) als angekoppeltes zweites scheibenartiges Bauteil ausgebildet ist und eine Leiterplatte trägt, welche elektronische Komponenten (10) zu einer elektronischen Auswertung der Durchbiegung und/oder Dehnung umfasst, wobei die Nanodrähte (28) über den Kopplungsabschnitt (3C) eine elektrische Kontaktierung und eine mechanische Fixierung des Sensorbauteils (3) und des Sensorträgerteils (4) erzeugen.
11. Sensor (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
ein weiteres Bauteil (2) eine Leiterplatte trägt und auf dieser angeordnete
elektronische Komponenten (10) mit Nanodrähten (28) befestigt und kontaktiert sind.
12. Sensor (30) nach einem der Ansprüche 3 bis 11, wobei
das Sensorträgerteil (4) und/oder ein scheibenartiges, als Sensoroberteil
ausgebildetes zweites Bauteil (2) mit elektrisch leitenden Schichten (11, 12) versehen sind bzw. ist, welche kreisförmig, punktförmig, ringförmig, halbkreisförmig oder segmentartig geformt sind.
13. Sensor (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
der durchbiegungsempfindliche Abschnitt (3 A) sich in einem Zentrum des
Sensorbauteils (3) befindet und eine Dicke von 0,1 mm bis 0,8 mm aufweist.
14. Sensor (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
die Nanodrähte (28) einseitig oder beidseitig aufgebracht und aus Kupfer, Zinn, Silber, Nickel, Gold oder Edelstahl gebildet sind.
15. Sensor (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
ein angeformter Anschluss (18) zur Messung eines Differenzdrucks vorgesehen ist.
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