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Dokumentenidentifikation DE102004021523A1 08.12.2005
Titel Sensor zur kapazitiven Bestimmung von Flüssigkeitsparametern
Anmelder Conti Temic microelectronic GmbH, 90411 Nürnberg, DE
Erfinder Lübke, Karsten, 73275 Ohmden, DE;
Mahrle, Jörg, 73035 Göppingen, DE
DE-Anmeldedatum 03.05.2004
DE-Aktenzeichen 102004021523
Offenlegungstag 08.12.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 08.12.2005
IPC-Hauptklasse G01N 27/22
Zusammenfassung Ein Sensor zur kapazitiven Bestimmung von Flüssigkeitsparametern hat einen Innenkörper (1) mit mindestens einem Sensorkontakt. Dieser hat einen Elektrodenabschnitt (12, 18), der an der Außenwand (7a) des Innenkörpers (1) angeordnet ist. Zur elektrischen Kontaktierung des Elektrodenabschnittes (12, 18) mit einem externen Gerät zur Sensordatenverarbeitung dient ein über eine Stirnwand (5) des Innenkörpers (1) überstehender und gegenüber der Außenwand (7a) des Innenkörpers (1) nach innen versetzter Kontaktstift (6, 7). Ferner weist der Sensorkontakt einen Verbindungsabschnitt zwischen dem Elektrodenabschnitt (12, 18) und dem Kontaktstift (6, 7) auf. Die beiden Elektrodenabschnitte (12, 18) und der Verbindungsabschnitt weisen jeweils ein Trägerelement (10) aus einer isolierenden ersten Spritzgusskomponente und einen oberflächenmetallisierten Funktionsbereich (11, 12, 17, 18) aus einer zweiten Spritzgusskomponente auf. Den Innenkörper (1) umgibt ein Außenkörper mit einem zweiten Sensorkontakt. Dieser weist einen Elektrodenabschnitt auf, der an der Innenwand des Außenkörpers angeordnet ist. Es resultiert ein besonders einfach herstellbarer Sensor zur kapazitiven Bestimmung von Flüssigkeitsparametern.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur kapazitiven Bestimmung von Flüssigkeitsparametern nach Anspruch 1.

Derartige Sensoren finden als Ölstandssensoren unter anderem in Motoren, Getrieben sowie Hydrauliksystemen Anwendung. Neben dem Füllstand des Öles und der Öltemperatur werden dabei auch Qualitätsdaten des Öles über eine elektrische Schnittstelle an ein nachfolgendes sensorexternes Steuergerät geliefert, wo eine Auswertung der Messdaten erfolgt. Ein solcher Ölzustandssensor wird auch QLT- oder oil quality, level and temperature-Sensor bezeichnet. In einem solchen Ölzustandssensor wird beispielsweise der Füllstand mit einem Kondensatorelement erfasst. Auch zur Messung der Ölqualität, welche von der Dielektrizitätskonstante des Öles abhängt, wird ein Kondensator verwendet. Diese Kondensatoren werden bei bekannten Ölzustandssensoren auf einem Sensorrohr aus Edelstahl realisiert. Die dabei verwendeten Herstellungsprozesse sind sehr aufwendig. Die bekannten Sensorrohre müssen zudem mit hohem Montageaufwand in einem entsprechenden Gehäuse angeordnet und die Kondensatoren müssen über aufwendige Federkontakte angeschlossen werden.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Sensor zur kapazitiven Bestimmung von Flüssigkeitsparametern zu schaffen, der besonders einfach hergestellt werden kann.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch einen Sensor mit den Merkmalen nach Anspruch 1.

Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass die Herstellung des Elektrodenabschnitts und des Verbindungsabschnitts des mindestens einen Sensorkontaktes des Innenkörpers über ein Zweikomponenten-(2K-)Spritzgussverfahren zu einer unaufwendigen und der Massenproduktion zugänglichen Sensorherstellung führt. Auf ein Abdecken der Elektrodenstrukturen mit Masken kann verzichtet werden. Da die Elektrodenabschnitte und die Verbindungsabschnitte im Kunststoffkörper des Innen- und bevorzugt auch des Außenkörpers integriert sind, wird die Anzahl zu montierender Teile minimiert.

Der Einsatz von PPS-Material nach Anspruch 2 ist aufgrund der guten dielektrischen Eigenschaften dieses Materials in Abhängigkeit von der Temperatur vorteilhaft. Bevorzugt wird ein glasfaserverstärktes PPS-Material, beispielsweise PPS GF 40 %, eingesetzt.

LCP-Material nach Anspruch 3 hat für die Oberflächenmetallisierung besonders vorteilhafte Eigenschaften.

Diese vorteilhaften Eigenschaften werden durch eine Pd-Dotierung nach Anspruch 4 weiter verbessert.

Ein zweischichtiger Aufbau der Metallisierung nach Anspruch 5 hat zur Bildung von Messelektroden besonders geeignete Eigenschaften. Die bevorzugt eingesetzte Ni-Oberfläche schützt die darunter liegende Metallisierungsschicht, bei der es sich insbesondere um eine Kupfermetallisierung handeln kann, des Sensors. Auch bei einem Langzeiteinsatz in Motorenöl über einen großen Temperaturbereich ist dann eine einwandfreie Funktion des Sensors gewährleistet.

Mehrere Sensorkontakte nach Anspruch 6 erlauben eine unabhängige kapazitive Bestimmung verschiedener Flüssigkeitsparameter.

Eine Anordnung der Elektrodenabschnitte und/oder der Verbindungsabschnitte nach Anspruch 7 minimiert kapazitiv parasitäre Begleiteffekte bei der Messdatenerfassung. Diese Begleiteffekte werden ebenfalls verringert, indem bevorzugt möglichst kurze Kontaktstifte zum Einsatz kommen.

Eine Kontakthülse nach Anspruch 8 erlaubt eine einfache elektrische Kontaktierung des Kontaktstiftes.

Ein Einpresskontakt nach Anspruch 9 erlaubt eine elektrische Anbindung der Kontaktstifte, ohne dass ein Lötschritt erforderlich ist.

Eine Kontakthülse nach Anspruch 10 kann während des Zweikomponenten-Spritzgussprozesses gleichzeitig mit dem Innenkörper hergestellt werden.

Ein Kontaktstift nach Anspruch 11 kann im Rahmen des Spritzgussvorganges am Innenkörpers angebracht werden. Ein zusätzlicher Anbringungsschritt entfällt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:

1 eine Seitenansicht eines Innenkörpers eines erfindungsgemäßen Sensors zur kapazitiven Bestimmung von Flüssigkeitsparametern;

2 einen Schnitt gemäß Linie A-A durch den Innenkörper nach 1;

3 einen Schnitt gemäß Linie B-B durch den Innenkörper nach 1;

4 eine stirnseitige Ansicht des Innenkörpers nach 1, von einer Kontaktstift-Seite her gesehen; und

5 einen Schnitt gemäß Linie C-C durch den Innenkörper nach 1.

In den 1 bis 5 ist ein Innenkörper 1 eines Sensors zur kapazitiven Bestimmung von Flüssigkeitsparametern dargestellt. Der Innenkörper 1 weist eine im wesentlichen zylindrische und um eine Längsachse 2 rotationssymmetrische Gestalt auf. Der Sensor weist neben dem Innenkörper 1 noch einen nicht dargestellten Außenkörper auf, der rohrförmig ist und den Innenkörperumgibt. Sowohl der Innenkörper 1 als auch der Außenkörper sind als Spritzgussteile ausgeführt. Als Spritzgusstechnik zur Herstellung des Innenkörpers 1 und des Außenkörpers kann die MID (Molded Interconnect Device)-Technologie herangezogen werden.

Im Einsatz ist der Innenkörper 1 so ausgerichtet, dass sein in den 1 bis 3 linkes Ende oben und sein in den 1 bis 3 rechtes Ende unten angeordnet ist. Im Einsatz befindet sich zwischen dem Innenkörper 1 und dem Außenkörper die Flüssigkeit, deren Parameter bestimmt werden sollen. Ein im Einsatz unterer Abschnitt des Innenkörpers 1 dient der kapazitiven Messung der Flüssigkeitsqualität und wird daher als Qualitätsabschnitt 3 bezeichnet. Die gesamte Höhe des Innenkörpers 1 dient der kapazitiven Füllstands-Bestimmung der Flüssigkeit zwischen dem Innenkörper 1 und dem Außenkörper und wird daher als Füllstandsabschnitt 4 bezeichnet.

Über eine im Einsatz untenseitige Stirnwand 5 hinaus ragen aus dem Innenkörper 1 zwei Kontaktstifte 6, 7. Diese dienen zur elektrischen Kontaktierung von noch zu beschreibenden Messelektroden des Innenkörpers 1 mit einem externen Gerät zur Sensordatenverarbeitung. Die Kontaktstifte 6, 7 sind gegenüber einer Außenwand 7a des Innenkörpers 1 nach innen versetzt und erstrecken sich parallel zur Längsachse 2 und zu dieser benachbart.

Der in 1 untere Kontaktstift 7 ist dem Qualitätsabschnitt 3 zugeordnet. 2 zeigt die elektrische Kontaktierung des Kontaktstiftes 7. Im Innenkörper 1 ist der Kontaktstift 7 in eine Kontakthülse 8 eingesteckt, welche in einer Ausnehmung 9 in der unteren Stirnwand 5 des Innenkörpers 1 ausgeführt ist. Ein Grundkörper 10 des Innenkörpers 1 dient als Trägerelement der Kontakthülse 8 aus einer isolierenden ersten Spritzgusskomponente. Auf dieser aufgebracht ist die Kontakthülse 8 mit einem oberflächenmetallisierten Funktionsbereich aus einer zweiten Spritzgusskomponente.

Einstückig angespritzt am Kontaktstift 7 ist ein sich bezogen auf die Längsachse 2 radial erstreckender Verbindungsabschnitt 11. Zu diesem gehört wiederum der Grundkörper 10 als Trägerelement und ein oberflächenmetallisierter Funktionsbereich aus der zweiten Spritzgusskomponente. Der Verbindungsabschnitt 11 dient der elektrischen Kontaktierung der Kontakthülse 8 mit einer im Qualitätsabschnitt 3 angeordneten Qualitäts-Messelektrode 12. Diese ist einstückig an den Verbindungsabschnitt 11 angespritzt, wobei wiederum der Grundkörper 10 als Trägerelement dient und ein oberflächenmetallisierter Funktionsbereich aus der zweiten Spritzgusskomponente vorliegt.

Im eingebauten Zustand liegt der Verbindungsabschnitt 11 in der Ausnehmung 9 oberhalb eines Dichtbundes 13, welcher ein zwischen dem Innenkörper 1 und dem Außenkörper definiertes hohlzylindrisches Messvolumen gegen die Kontaktstifte 6, 7 abdichtet. Die Qualitäts-Messelektrode 12 erstreckt sich axial längs der Längsachse 2 zwischen dem Dichtbund 13 und einem den Qualitätsabschnitt 3 abschließenden Distanzbund 14. Letzterer dient als Abstandshalter des Innenkörpers 1 zum Außenkörper.

3 zeigt die elektrische Kontaktierung des Kontaktstiftes 6. Auch der dem Füllstandsabschnitt 4 zugeordnete Kontaktstift 6 ist in eine Kontakthülse 15 eingesteckt, die genauso aufgebaut ist wie die Kontakthülse 8 und ebenfalls in eine Ausnehmung 16 in der unteren Stirnwand 5 des Innenkörpers 1 eingesetzt ist. Über einen ebenfalls in der Ausnehmung 16 angeordneten Verbindungsabschnitt 17 steht die Kontakthülse 15 mit einer Füllstands-Messelektrode 18 des Innenkörpers 1 in elektrischem Kontakt. Die beiden Ausnehmungen 9, 16 sind über eine Trennwand 16a (vgl. 4 und 5) voneinander getrennt, so dass die Kontaktstifte 6, 7 und die Verbindungsabschnitte 11, 17 und im weiteren Verlauf auch die Messelektroden 12, 18 voneinander isoliert vorliegen. Die Messelektroden 12, 18 sind an der Außenwand des Innenkörpers 1 angeordnet.

Die Füllstands-Messelektrode 18 erstreckt sich längs des gesamten Füllstandsabschnittes 4. Sie weist zwischen dem Dichtbund 13 und dem Distanzbund 14 einen ersten fingerartigen Füllstands-Messelektrodenabschnitt 19 auf. Dieser erstreckt sich parallel zur Längsachse 2. Dem ersten Füllstands-Messelektrodenabschnitt beidseitig benachbart sind zwischen dem Dichtbund 13 und dem Distanzbund 14 längs der Außenwand 7a zwei Isolationsnuten 20 angeordnet, die die Füllstands-Messelektrode 18 elektrisch von der Qualitäts-Messelektrode 12 isolieren.

Am der unteren Stirnwand 5 abgewandten Ende geht der erste Füllstands-Messelektrodenabschnitt 19 in einen hohlzylindrischen zweiten Füllstands-Messelektrodenabschnitt 21 über. Letzterer endet an der dem ersten Füllstands-Messelektrodenabschnitt 19 abgewandten Seite an einem Distanzstück 22. Letzteres schließt den Isolationskörper 1 am der unteren Stirnwand 5 gegenüberliegenden, im Einsatz oberen Ende ab und hält gemeinsam mit dem Distanzbund 14 den Außenkörper auf Distanz, so dass die Messelektrode des Außenkörpers keinen direkten elektrischen Kontakt mit den Messelektroden 12, 18 haben kann.

Die Kontakthülse 15, der Verbindungsabschnitt 17 sowie die Füllstands-Messelektrode 18 und die Messelektrode des Außenkörpers sind wie die Kontakthülse 8, der Verbindungsabschnitt 11 und die Qualitäts-Messelektrode 12 ebenfalls in einem Zweikomponenten-Spritzgussverfahren hergestellt. Hierbei dient bei den innenkörperseitigen Abschnitten der Grundkörper 10 als Trägerelement, auf welches oberflächenmetallisierte Funktionsbereiche aus einer zweiten Spritzgusskomponente aufgespritzt wurden. Die Kontakthülse 15, der Verbindungsabschnitt 17 und die Füllstands-Messelektrode 18 gehen einstückig ineinander über, sind also aneinander angespritzt.

Den 4 und 5 ist zu entnehmen, dass die Verbindungsabschnitte 11, 17, die den beiden Messelektroden 12, 18 jeweils zugeordnet sind, um 180° in Umfangsrichtung um die Längsachse 2 des Innenkörpers 1 gegeneinander versetzt angeordnet sind.

Der Innenkörper 1 wird folgendermaßen hergestellt: Zunächst wird der Grundkörper 10 im Spritzguss aus einer nicht metallisierbaren Kunststoffvariante, beim vorliegenden Ausfüihrungsbeispiel aus Poly-Phenylensulfid (PPS), hergestellt. In 2K-Spritzgusstechnik wird über den Grundkörper 10 im Funktionsbereich der Messelektroden 12, 18 sowie der zugehörigen Kontaktierungen für die Kontaktstifte 6, 7 ein zweites, metallisierbares Kunststoffmaterial, im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein flüssigkristallines Polymer (LCP) über den Grundkörper 10 gespritzt. Überspritzt wird nur der Bereich, der später zur Kontaktierung dienen soll. Das LCP-Material kann zum Beispiel durch Pd-Dotierung metallisiert werden. Durch dieses 2K-Spritzgussverfahren werden die Messelektroden 12, 18, die Verbindungsabschnitte 11, 17 sowie die Kontakthülsen 8, 15 hergestellt. Anschließend werden die Kontaktstifte 6, 7 in die zugehörigen Kontakthülsen 8, 15 eingesteckt, wobei die elektrische Verbindung zwischen diesen Komponenten über einen Einpresskontakt hergestellt wird. Alternativ ist es möglich, diese elektrische Verbindung über einen Lötprozess herzustellen. Die oberflächenmetallisierten Kontakthülsen 8, 15 können beispielsweise auf Basis eines SnAg/SnAgCu-Lötprozess mit den Kontaktstiften 6, 7 verlötet werden.

Die Oberflächenmetallisierung der im 2K-Verfahren hergestellten Komponenten kann mehrschichtig sein, wobei zum Beispiel eine Kupfer-Grundschicht vorgesehen ist, auf die eine Nickelschicht aufgetragen ist. Alternativ zu der Nickelschicht kann auch eine Zinnschicht eingesetzt sein.

Bei einer Variante einer elektrischen Anbindung der Kontaktstifte 6, 7 werden diese als Einlegeteile vor dem Spritzprozess in das Spritzwerkzeug eingelegt. Anschließend erfolgt eine dichte Umspritzung der Einlegeteile mit den zu metallisierenden Kontakthülsen, die anschließend metallisiert werden. Hierdurch erfolgt eine elektrische Kontaktierung der Kontaktstifte 6, 7.

Der Sensor zur kapazitiven Bestimmung von Flüssigkeitsparametern mit dem Innenkörper 1 nach den 1 bis 5 funktioniert folgendermaßen: Bei zusammengebautem Sensor ist der Innenkörper 1, umgeben vom Außenkörper, über die Kontaktstifte 6, 7 in zugehörige Anschlusskontakte des externen Gerätes zur Sensordatenverarbeitung eingesteckt. Je nach dem Flüssigkeitsfüllstand in einem den Sensor umgebenden Behälter, liegt die Flüssigkeit im Messvolumen zwischen der Außenwand des Innenkörpers 1 und der dieser zugewandten Innenwand des Außenkörpers mit einer entsprechenden Füllhöhe vor. Über die Messelektroden 12, 18 und die zugehörige Gegen-Messelektrode an der Innenwand des Außenkörpers wird die Kapazität im Qualitätsabschnitt 3 und im Füllstandsabschnitt 4 gemessen und ausgewertet.


Anspruch[de]
  1. Sensor zur kapazitiven Bestimmung von Flüssigkeitsparametern

    – mit einem Innenkörper (1) mit mindestens einem ersten Sensorkontakt, welcher umfasst:

    – einen Elektrodenabschnitt (10, 12, 18), welcher an der Außenwand (7a) des Innenkörpers (1) angeordnet ist,

    – einen über eine Stirnwand (5) des Innenkörpers (1) überstehenden und gegenüber der Außenwand (7a) des Innenkörpers (1) nach innen versetzten Kontaktstift (6, 7) zur elektrischen Kontaktierung des Elektrodenabschnittes (10, 12, 18) mit einem externen Gerät zur Sensordatenverarbeitung,

    – einen Verbindungsabschnitt (11, 17) zwischen dem Elektrodenabschnitt (10, 12, 18) und dem Kontaktstift (6, 7),

    – wobei die beiden Elektrodenabschnitte (10, 12, 18) und der Verbindungsabschnitt (10, 11, 17) jeweils ein Trägerelement (10) aus einer isolierenden ersten Spritzgusskomponente und einem oberflächenmetallisierten Funktionsbereich (11, 12, 17, 18) aus einer zweiten Spritzgusskomponente aufweisen,

    – mit einem den Innenkörper (1) umgebenden Außenkörper mit einem zweiten Sensorkontakt, der einen weiteren Elektrodenabschnitt aufweist, welcher an der Innenwand des Außenkörpers angeordnet ist.
  2. Sensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein PPS-Material als erste Spritzgusskomponente.
  3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein LCP-Material als zweite Spritzgusskomponente.
  4. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das LCP-Material Pd-dotiert ist.
  5. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Spritzgusskomponente eine erste Metallisierung, insbesondere auf Cu-Basis, sowie eine darüber angeordnete zweite Metallisierung, insbesondere auf Ni-Basis, aufweist.
  6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch mehrere erste Sensorkontakte zur kapazitiven Bestimmung unterschiedlicher Flüssigkeitsparameter.
  7. Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsbereiche (11, 12, 17, 18) der Elektrodenabschnitte (10, 12, 18) und/oder der Verbindungsabschnitte (10, 11, 17) zwischen den Elektrodenabschnitten (10, 12, 18) und den zugehörigen Kontaktstiften (6, 7) um 180° in Umfangsrichtung des Innenkörpers (1) gegeneinander versetzt angeordnet sind.
  8. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kontaktstift (6, 7) über eine Kontakthülse (8, 15) mit dem zugehörigen Verbindungsabschnitt (10, 11, 17) elektrisch verbunden ist.
  9. Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontakthülse (8, 15) als Einpresskontakt ausgeführt ist.
  10. Sensor nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontakthülse (8, 15) ein Trägerelement (10) aus einer isolierenden ersten Spritzgusskomponente und einem oberflächenmetallisierten Funktionsbereich (8, 15) aus einer zweiten Spritzgusskomponente aufweist und insbesondere als an den zugehörigen Verbindungsabschnitt (10, 11, 17) einstückig angeformte Kontaktkomponente ausgebildet ist.
  11. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch einen als Einlegeteil ausgeführten Kontaktstift (6, 7).
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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