DE10114862B3

DE10114862B3 - Drucksensoreinrichtung

Info

Publication number: DE10114862B3
Application number: DE10114862A
Authority: DE
Inventors: Johannes Dr. Ante; Markus Gilch; Christian Geiger; Hans-Peter Landgraf; Andreas Ott
Original assignee: First Sensor Technology GmbH
Current assignee: First Sensor Technology GmbH
Priority date: 2001-03-26
Filing date: 2001-03-26
Publication date: 2006-07-13
Anticipated expiration: 2021-03-27
Also published as: DE10114862B9; US6643976B2; US20020134164A1

Abstract

Drucksensoreinrichtung mit einer Membran (4), die einseitig mit einem Arbeitsmedium (6) beaufschlagt ist, und einem Sensorchip (8), der auf der dem Arbeitsmedium (6) abgewandten Seite der Membran (4) angeordnet ist, und einer in dem Sensorchip (8) ausgebildeten Messbrücke mit vier Sensorelementen (10–13), die zwei parallel angeordnete Paare bilden und die Paare zueinander im rechten Winkel angeordnet sind, wobei die Sensorelemente eng beabstandet zueinander in dem Randbereich des Sensorchips (8) angeordnet sind, der hingewandt ist zu dem Mittelpunkt der Membran.

Description

Die Erfindung betrifft eine Drucksensoreinrichtung, die insbesondere geeignet ist zum Erfassen von hohen Drücken. Derartige Drucksensoreinrichtungen werden insbesondere eingesetzt zum Erfassen eines Kraftstoffdruckes in einer Kraftstoffversorgungseinheit eines Kraftfahrzeugs.

Eine bekannte Drucksensoreinrichtung ( DE 198 33 712 A1 ) hat einen Membrankörper mit einer zylinderförmigen Ausnehmung, in der sich das Arbeitsmedium befindet. Im Anschluss an die Ausnehmung ist in dem Membrankörper eine Membran ausgebildet. Auf der Membran ist ein Sensorchip konzentrisch zu der zylinderförmigen Ausnehmung angeordnet. Auf dem Sensorchip sind Sensorelemente punktsymmetrisch zu dem Mittelpunkt des Sensorchips und damit der Achse der zylinderförmigen Ausnehmung angeordnet. Die Sensorelemente sind in Form einer Wheatstone Brücke verschaltet und liefern ein Sensorsignal, das den Druck in dem Arbeitsmedium repräsentiert. Ein gutes Messverhalten der Sensorelemente bei der bekannten Drucksensoreinrichtung ist nur dann gewährleistet, wenn die Sensorelemente annähernd in dem Bereich der auf dem Sensorchip projizierten Stirnfläche der zylinderförmigen Ausnehmung liegen. Dies hat jedoch zur Folge dass der Sensorchip jeweils an den Durchmesser der zylinderförmigen Ausnehmung angepasst sein muss. Im Falle von größeren Durchmessern der Ausnehmung ist damit auch zwangsläufig ein größerer Sensorchip notwendig, was die Kosten für dessen Herstellung erhöht.

Die DE 197 14 703 A1 beschreibt einen Drucksensor mit einer metallischen Membrane und einem Rahmen, wobei zum Nachweis der Auslenkung der Membrane ein Siliziumbrückenelement mit piezoresistiven Widerstandselementen angeordnet ist. Das Siliziumbrückenelement ist durch einen Bonddraht mit einer Hybridschaltung verbunden, in welcher die Auswertung der Signale des Siliziumbrückenelementes erfolgt.

Die DE 41 37 624 A1 beschreibt ein Silizium-Chip zur Verwendung in einem Kraftsensor, bei welchem die Kraft über einen Stempel auf die Seite des Chips ausgeübt wird, auf welcher Schaltkreise und piezoresistive Elemente angeordnet sind. Der Chip ist auf einem Gegenlager gelagert, eine Membran ist nicht vorhanden.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Drucksensoreinrichtung so auszubilden, dass sie kostengünstig herzustellen ist und gleichzeitig eine hohe Empfindlichkeit bei der Erfassung des Druckes aufweist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 Eine Drucksensoreinrichtung,
2 bis 7 Drauf sichten auf einen Membrankörper, der in der Drucksensoreinrichtung angeordnet ist.
Elemente gleicher Konstruktion und Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Eine Drucksensoreinrichtung (1) umfasst ein erstes Gehäuseteil 1 mit einem Außengewinde 2, das in ein entsprechendes Gegengewinde beispielsweise einer Kraftstoffleiste (Common-Rail, Fuel-Rail) einer Brennkraftmaschine einschraubbar ist.
Ein Membrankörper 3 ist vorgesehen, der vorzugsweise mittels einer Schweißverbindung mit dem ersten Gehäuseteil 1 verbunden ist. Der Membrankörper 3 ist vorzugsweise aus Stahl ausgebildet, kann aber auch beispielsweise aus Keramik ausgebildet sein. Der Membrankörper 3 umfasst eine Membran 4, die im Anschluss an eine zylinderförmige Ausnehmung 5 in dem Membrankörper 3 ausgebildet ist. Die zylinderförmige Ausnehmung wird im Folgenden als Bohrung 5 bezeichnet. Die Membran 4 ist einseitig mit einem Arbeitsmedium 6 beaufschlagt. Auf der dem Arbeitsmedium 6 abgewandten Seite der Membran ist ein Sensorchip 8 unter Zuhilfenahme eines Verbindungsmediums befestigt. Das Verbindungsmedium ist vorzugsweise ein Glaslot oder ein Klebemittel. Der Sensorchip weist Sensorelemente 10, 11, 12, 13 (2) auf die in Form einer Wheatstone-Brücke miteinander verschaltet sind und ein Messsignal liefern, das den Druck in dem Arbeitsmedium 6 repräsentiert.
Die Drucksensoreinrichtung hat ferner ein zweites Gehäuseteil 15 (1), in dem Steckkontakte 16, 17, 18 angeordnet sind, die elektrisch leitend mit Anschlüssen auf dem Sensorchip 8 verbunden sind.
2 zeigt eine Draufsicht auf den Membrankörper 3 und zwar auf die Seite, an der der Sensorchip 8 angeordnet ist. Ein gestrichelter Kreis 20 stellt die Projektion der Bohrung 5 dar. Der Mittelpunkt der Bohrung ist mit dem Bezugszeichen 21 gekennzeichnet.
Die Sensorelemente 10 bis 13 sind vorzugsweise monolitisch integriert auf dem Sensorchip ausgebildet. Die Sensorelemente 10 bis 13 sind so eng zueinander beanstandet auf dem Sensorchip 8 angeordnet, dass die auf die Sensorelemente einwirkenden mechanischen Spannungen annähernd gleich sind. Die Sensorelemente 10 bis 13 sind ferner in einem Randbereich des Sensorchips 8 angeordnet, der hingewandt ist zu dem Mittelpunkt der Membran, der dem Mittelpunkt 21 der Bohrung 5 entspricht. In diesem Teil des Randbereichs weist das von den Sensorelementen 10 bis 13 gelieferte Messsignal eine besonders hohe Empfindlichkeit auf, wodurch eine hohe Auflösung im gewünschten Druckmessbereich gewährleistet ist.
In dem Sensorchip 8 sind noch analoge und/oder digitale Schaltungsstrukturen ausgebildet die zur Signalaufbereitung des von den Sensorelementen gelieferten Messsignals dienen. Die Dimensionierung des Sensorchips 8 hängt von dem Umfang der auf dem Sensorchip zu integrierenden Schaltungsstrukturen ab, ist jedoch unabhängig von dem Durchmesser der Projektion 20 der Bohrung 5. Dies hat den entscheidenden Vorteil, dass der Sensorchip 8 für Membrankörper 3 mit verschiedenen Durchmessern der Projektion 20 der Bohrung 5 eingesetzt werden kann. Gleichzeitig ist durch Anordnung der Sensorelemente 10–13 in dem Randbereich, der hingewandt ist zu dem Mittelpunkt der Membran, gewährleistet, dass mechanische Spannungen, die eine Verformung der Membran 4 bewirken, mit einer sehr hohen Auflösung erfasst werden können. Der Randbereich ist etwa das äußere Drittel der Fläche des Sensorchips 8.
Der Sensorchip 8 ist asymmetrisch zu dem Mittelpunkt der Membran 4 angeordnet und zwar so, dass ein Großteil des Sensorchips 8 außerhalb der Projektion 20 der Bohrung 5 auf dem Membrankörper 3 aufliegt. Dies hat den Vorteil, dass die in diesem Bereich befindlichen Schaltungsstrukturen mit wesentlich geringeren mechanischen Spannungen beaufschlagt sind, als dies innerhalb der Projektion 20 der Bohrung der Fall ist. In diesem Bereich können dann entsprechende Schaltungsstrukturen angeordnet sein, die durch mechanische Spannungen leicht zerstört oder in ihrer Funktionsweise beeinträchtigt werden.
Der Sensorchip 8 ist ferner so auf dem Membrankörper 3 angeordnet, dass die Sensorelemente 10 bis 13 innerhalb der Projektion 20 der Bohrung 5 auf der Membran 4 aber nahe dem äußeren Umfang der Bohrung angeordnet sind. In diesem Bereich führt eine relativ hohe Positioniertoleranz des Sensorchips 8 auf dem Membrankörper 3 nur zu einer sehr geringen Streuung der von den Sensorelementen gelieferten Messsignale.
Die Sensorelemente 10 bis 13 sind in der 2 nicht maßstabsgetreu dargestellt sie sind vielmehr vorzugsweise als piezoresistive Sensorelemente ausgebildet mit einer Länge von etwa 50 Mikrometer und einer Breite von etwa 5 Mikrometer, während der Sensorchip beispielsweise Ausmaße von 3 mal 4 Millimeter aufweist.
Die 3, 4, 5 zeigen alternative Anordnungen des Sensorchips 8 auf dem Membrankörper 3 und entsprechend alternative Anordnungen der Sensorelemente 10 bis 13 auf dem Sensorchip 8. Die Sensorelemente 10 bis 13 sind in allen Fällen in zwei parallel angeordneten Paaren angeordnet, wobei die Paare zueinander jeweils im rechten Winkel angeordnet sind.
6 zeigt eine Ausführungsform, bei der auf dem Sensorchip 8 eine weitere Messbrücke mit entsprechenden Sensorelementen ausgebildet ist. Der Sensorchip 8 ist dabei so auf den Sensormembran 4 angeordnet, dass beide Messbrücken mit in etwa gleichen mechanischen Spannungen beaufschlagt werden. Dies ist der Fall, wenn die beiden Messbrücken jeweils in etwa den gleichen radialen Abstand vom Mittelpunkt der Membran haben.
Bei dieser Ausführungsform kann Vorteilhafterweise ein Ablösen des Sensorchips im Bereich einer der Messbrücken erkannt werden und gegebenenfalls eine entsprechende Fehlermeldung erzeugt werden.
7 offenbart die Anordnung zweier Sensorchips 8 und 8' auf dem Membrankörper 3. Dadurch kann speziell für den Einsatz als Bremsdrucksensor die aus Sicherheitsgründen erforderliche Redundanz auf einfache Art und Weise sichergestellt werden.
Die Ausbildung der Sensorelemente 10 bis 13 als piezoresistive Sensorelemente, hat den Vorteil, dass die Sensorelemente auf einem als ASIC ausgebildeten Sensorchip einfach ausgebildet werden können. Ferner weisen die als piezoresistive ausgebildeten Sensorelemente eine sehr hohe Empfindlichkeit auf. Die Sensorelemente können jedoch auch beispielsweise als Dünnfilm-Dehnungsmessstreifen ausgebildet sein.

Claims

Drucksensoreinrichtung mit einer Membran (4), die einseitig mit einem Arbeitsmedium (6) beaufschlagt ist, und einem Sensorchip (8), der auf der dem Arbeitsmedium (6) abgewandten Seite der Membran (4) angeordnet ist, und einer in dem Sensorchip (8) ausgebildeten Messbrücke mit vier Sensorelementen (10–13), die zwei parallel angeordnete Paare bilden und die Paare zueinander im rechten Winkel angeordnet sind, wobei die Sensorelemente eng beabstandet zueinander in dem Randbereich des Sensorchips (8) angeordnet sind, der hingewandt ist zu dem Mittelpunkt der Membran.
Drucksensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelemente (10–13) piezoresistive Sensorelemente (10–13) sind.
Drucksensoreinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Sensorchip (8) eine weitere Messbrücke ausgebildet ist, und der Sensorchip (8) so auf der Membran (4) angeordnet ist, dass beide Messbrücken mit den gleichen mechanischen Spannungen beaufschlagt werden
Drucksensoreinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem Membrankörper (3) zwei Sensorchips (8 und 8') angeordnet sind.