DE102005015160A1

DE102005015160A1 - Drucksensor mit kapazitivem Messprinzip

Info

Publication number: DE102005015160A1
Application number: DE102005015160A
Authority: DE
Inventors: Hermann ESSELBRÜGGE; Peter Lohberg; Thorsten Behrens; Holger Meyer
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Priority date: 2005-02-17
Filing date: 2005-04-02
Publication date: 2006-08-31

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Drucksensor mit kapazitivem Messprinzip zur Druckmessung in einer Kraftfahrzeugbremsanlage, wobei diese ein elektronisches Steuergerät (11) und eine Hydraulikeinheit (1) umfasst, welche miteinander lösbar verbunden sind, wobei der Drucksensor erst durch die Verbindung des Steuergeräts (11) mit der Hydraulikeinheit (1) aus einer ersten metallischen Fläche (4), welche an einer Leiterplatte (6) des Steuergerätes (11) angeordnet ist, und aus einer zweiten metallischen Fläche (13), welche mittels eines hydraulischen Anschlussteils (2) an der Hydraulikeinheit (1) angeordnet ist, gebildet wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Drucksensor mit kapazitivem Messprinzip zur Druckmessung in einer Kraftfahrzeugbremsanlage gemäß Oberbegriff von Anspruch 1.
Die hier beschriebene Erfindung stellt eine Anordnung zur Messung von Druck in Bremsflüssigkeit von elektronischen Bremsanlagen dar. Das Konzept basiert auf dem kapazitiven Messprinzip. Eine mit hydraulischem Druck beaufschlagte Metallmembrane verformt sich plastisch unter der Druckeinwirkung und verringert so den Abstand zu einer gegenüber angeordneten Metallplatte. Diese Verringerung des Abstandes beider Flächen kann als Kapazitätsänderung eines Kondensators erfasst und ausgewertet werden.
Elektronische Bremsanlagen stellen eine Kombination aus einem elektronischen Steuergerät, einer Hydraulikeinheit und einigen peripheren Komponenten dar. Die beschriebene Druckmesseinrichtung befindet sich innerhalb der elektronisch-hydraulischen Einheit.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Drucksensor mit kapazitiven Messprinzip bereitzustellen, welcher zur Druckmessung in Kraftfahrzeugbremsen geeignet ist.

Diese Aufgabe wird durch den Drucksensor gemäß Anspruch 1 gelöst.

Unter dem Begriff „Membran" soll erfindungsgemäß eine Metallfläche oder eine metallisierte Fläche verstanden werden, welche sich unter Druckeinwirkung verformt. Die Membran bildet mit einer ihr gegenüberliegenden Metallfläche und ggf. mit einem dazwischenliegenden Dielektrikum einen Kondensator. Durch die druckbedingte Verformung der Membran ändert sich aufgrund der Abstandsänderung zwischen der Membran und der ihr gegenüberliegenden Metallfläche die Kapazität des Kondensators. Ein hydraulisches Anschlussteil, in welchem ein zu messender Hydraulikdruck vorliegt, kann, wenn es aus Metall besteht, so ausgeformt werden, dass sich eine Membran ergibt. Bei einem hydraulischen Anschlussteil, welches aus einem Nichtmetall besteht, kann auch eine Metallfläche, z. B. mittels eines Sputterprozesses o. ä., aufbebracht werden, welche dann die Membran bildet. Bei metallischen Anschlussteilen kann es vorteilhaft sein, erst eine Isolationsschicht und anschließend eine Metallfläche auf das Anschlussteil aufzubringen.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der Aufbau des Drucksensors sehr kostengünstig ist. Sowohl die Metallflächen als auch das ggf. verwendete Dielektrikum des Kondensators sind kostengünstig herstellbar.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die elektrische Verbindung zwischen dem Drucksensor und dem Steuergerät bzw. der Leiterplatte verglichen mit den heutigen in der Drucksensorik zum Teil eingesetzten dünnen Federkontakten robuster ist, da ein großflächiger Kontakt vorliegt.

Weiterhin ist als vorteilhaft anzusehen, dass bereits vorhandene Ressourcen zur Signalauswertung im Steuergerät verwendet werden können.

Des Weiteren ist die kompakte Bauweise sowie die einfache Montage des Drucksensors vorteilhaft gegenüber den heute üblichen Lösungen.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung wird anhand von Figuren beschrieben, wobei für gleiche Komponenten die gleichen Bezugszeichen verwendet werden.

Es zeigt:
1 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drucksensors,
2 einen Detailausschnitt der ersten Ausführungsform des Drucksensors, und
3 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drucksensors.
1 zeigt eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drucksensors. Der Drucksensor, welcher im wesentlichen ein hydraulisches Anschlussteil 2 und eine druckempfindliche Membran 13 umfasst, ist innerhalb einer Hydraulikeinheit 1 und einem Steuergerät 11, welches im wesentlichen aus einem Gehäuse 9 und einer Leiterplatte 6 besteht, angeordnet. Das Steuergerät 11 und die Hydraulikeinheit 1 sind über vereinfacht dargestellte Verbindungen, üblicherweise mehrere Schraubverbindungen 10, miteinander verbunden. Das Steuergerät 11 bietet auch Platz für die Auswerteelektronik 7 zur Signalverarbeitung der Drucksensorsignale. Das hydraulische Anschlussteil 2 wird hierbei durch die druckempfindliche Membran 13 abgeschlossen. Diese beiden Komponenten (hydraulisches Anschlussteil 2 und Membran 13) bilden zusammen einen Druckwandler aus z. B. galvanisch leitendem Material. Über eine mechanische Verbindung 3, z. B. eine Clinchverbindung oder eine Verstemmung oder Verschraubung mit einer O-Ringabdichtung, ist das hydraulische Anschlussteil 2 an der Hydraulikeinheit 1 druckdicht befestigt.
Zwischen der Leiterplatte 6, welche über Leiterplattenhalter 18 mit dem Gehäuse 9 des Steuergeräts 11 verbunden ist, und der Membran 13 befindet sich ein als Dielektrikum 5 dienendes Material. Die obere Seite des Dielektrikums 5 liegt an einer Kupferfläche 4 der Leiterplatte 6 an. Dielektrikum 5 und Kupferfläche 4 sind hierbei in 1 stark vergrößert dargestellt. Die Toleranzkette ist so auszulegen, dass das Dielektrikum 5 immer um einen Minimalbetrag zusammengepresst wird, um eine sichere Verbindung mit der Kupferfläche 4 zu gewährleisten. Durch die Zusammenpressung werden die Toleranzen der mechanischen Konstruktion aus Steuergerät 11, Hydraulikeinheit 1 und Anschlussteil 2 ausgeglichen. Da das Dielektrikum 5 bei der Montage von der Hydraulikeinheit 1 und dem Steuergerät 11 zusammengedrückt wird und die Leiterplatte 6 die auftretende Kraft auffangen muss, kann die Leiterplatte 6 von hinten mit einem Stempel 12 gestützt werden. Dieser kann beispielsweise im Gehäuse 9 integriert sein.
Der Anschluss des Dielektrikums 5 an die auf der Leiterplatte 6 befindliche Auswerteelektronik 7 erfolgt über die Kupferfläche 4 und eine Durchkontaktierung 8 und Leiterbahnen zur Auswerteelektronik 7. Der Anschluss zwischen der Auswer teelektronik 7 und der Hydraulikeinheit 1 wird über eine galvanische Verbindung 14 hergestellt. Die Hydraulikeinheit 1 ist wiederum galvanisch mit dem hydraulischen Anschlussteil 2 verbunden. Derartige Verbindungen werden heute zur Optimierung der elektromagnetischen Verträglichkeit realisiert.
Eine nicht druckbeaufschlagte Referenzkapazität 16, welche über eine geeignete, z. B. ringförmige, Befestigung 17 mit der Hydraulikeinheit 1 verbunden ist, dient hierbei zur Messung und Auswertung von Druckdifferenzen zwischen dieser nicht druckbeaufschlagten Referenzkapazität 16 und der druckbeaufschlagten Kapazität des Drucksensors. Das Dielektrikum der Referenzkapazität 16 entspricht hierbei dem Dielektrikum des Drucksensors, wodurch Temperatureinflüsse minimiert werden. Es können auch mehrere druckbeaufschlagte Kapazitäten und/oder Referenzkapazitäten zur Druckmessung verwendet werden.
2 zeigt einen Detailausschnitt der ersten Ausführungsform des Drucksensors. Das Dielektrikum 5 ist hierbei auf die Kupferfläche 4 der Leiterplatte 6 geklebt. Der entsprechende Fertigungsprozess des Klebens lässt sich leicht automatisieren. So kann in einer Fertigungslinie erst der Kleber auf der Leiteplatte 6 aufgebracht und anschließend das Dielektrikum 5 mittels Bestückungsautomat auf den Kleber montiert werden. Alternativ kann das Dielektrikum 5 auch auf die Membran 13 aufgeklebt werden.
Ein als Zylinder ausgeführter Behälter 15 hält das Dielektrikum 5 und die Membran 13 in einer vorgegebenen Position zueinander. Der zylindrische Behälter 15 kann an das hyd raulische Anschlussteil 2 zum Beispiel durch Laserschweißen befestigt werden.
3 zeigt eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Drucksensors. Bei dieser Ausführungsform wird ebenfalls, wie bereits in der ersten Ausführungsform, die durch einen hydraulischen Druck hervorgerufene Verformung der Membran 13 erkannt und ausgewertet. Bei der zweiten Ausführungsform wird hierzu die Kapazitätsänderung zwischen zwei Kondensatorplatten, welche durch die Membran 13 und die Kupferfläche 4 realisiert sind, ausgewertet. Die Membran 13 und die Kupferfläche 4 weisen im zusammengebauten Zustand der Hydraulikeinheit 1 mit dem Steuergerät (hier nicht dargestellt) einen möglichst geringen Abstand voneinander auf. Die Membran 13 ist isolierend auf dem hydraulischen Anschlussteil 2 aufgebracht und verformt sich unter Druckeinwirkung dahingehend, dass sie sich der gegenüberliegenden Kupferfläche 4 nähert und sich damit die Kapazität der Anordnung erhöht. Dies kann in einer nachgeschalteten Auswerteelektronik genutzt werden, um die zur Kapazitätsänderung führende Druckänderung zu ermitteln. Das hydraulische Anschlussteil 2 kann bei der zweiten Ausführungsform auch aus einem nicht leitenden Material hergestellt werden. Die Referenzkapazität 16 wird in Form einer zweiten Metallfläche realisiert, welche ringförmig am äußeren Rand der Membran 13 aufgebracht ist. Es muss durch eine geeignete Geometrie der Membran 13 nur sichergestellt sein, dass sich diese Metallfläche bei Druckeinwirkung nicht mit verformt und auf der Gegenseite eine entsprechende Kondensatorfläche existiert. Die Referenzkapazität 16 dient hierbei ebenfalls wieder zur Temperaturkompensation und als Referenzkondensator.
Die Kontaktierung zwischen der Leiterplatte 6 und der Membran 13 und dem membranseitigen Teil der Referenzkapazität 16 kann hierbei durch Federkontakte 20 erfolgen. Die steuergerätseitige Kupferfläche 4 ist Bestandteil eines Deckels 21, der z. B. aus Kunststoff gefertigt ist. Dieser Deckel 21 ist mit Einpresskontakten 22 fest mit dem Gehäuseunterteil 23 des Steuergerätes verbunden. Diese Einpresskontakte 22 sind im Deckel 21 integriert und stellen nach der Montage neben der mechanischen Verbindung auch die elektrische Verbindung der steuergerätseitigen Kupferfläche 4 zur Leiterplatte 6 her.
Eine umlaufende Dichtung 19 (z. B. ein O-Ring) wird zur Abdichtung zwischen dem Deckel 21 und dem hydraulischen Anschlussteil 2 verwendet. Um den Abstand zwischer der Membran 13 und der Kupferfläche 4 konstant zu halten und die ganze Einheit mechanisch zu fixieren, sind an dem Deckel 21 Rastnasen angebracht, die eine formschlüssige Verbindung zum hydraulischen Anschlussteil 2 ermöglichen.
Im Folgenden wird die Auswertung der Drucksignale in Abhängigkeit der Kapazitätsänderungen des Drucksensors anhand des Aufbaus gemäß der ersten Ausführungsform beschrieben. Die Erfassung der Kapazität wird durch bekannte Messverfahren ermittelt. Es kann z. B. die Verstimmung eines Schwingkreises durch die Kapazitätsänderung ausgewertet werden. Denkbar sind auch Integrationsschaltungen.
Um hohe Genauigkeit zu erzielen, muss das Druckmesssystem, wie es in der Druckmesstechnik üblich ist, vor dem Einsatz kalibriert werden. Dieses ist allein schon deshalb erforderlich, da das Dielektrikum 5 für den Toleranzausgleich des Zusammenbaus zusammengepresst wird. Es ist also mechanisch nicht exakt definiert. Für den Nullpunktabgleich im Betrieb können heute übliche Softwarealgorithmen eingesetzt werden.
Da die Kennlinie eines kapazitiven Druckmessaufnehmers nicht linear ist, muss eine Linerarisierung in der Auswerteelektronik erfolgen.
Kapazitive Messverfahren erfordern räumliche Nähe von Messelement und Auswerteelektronik. Bei der vorgestellten Anordnung ist diese Bedingung erfüllt.
Die Messung des Drucks wird bei dieser Anordnung als Kapazitätsänderung des Plattenkondensators, bestehend aus Membran 13, Dielektrikum 5 und Kupferfläche 4, ausgewertet.
Es gilt die Beziehung (Kapazität eines Plattenkondensators):
mit

ε₀: = elektrische Feldkonstante = 8,8542 × 10^–12 AS/Vm
ε_r: = Dielektrizitätszahl des Dielektrikums
A: = Plattenfläche des Kondensators
d: = Plattenabstand

Bei steigendem Druck wird der Plattenabstand d durch die Verformung der Membran 13 kleiner und damit die Kapazität C größer. Die Plattenfläche A entspricht der Größe der Membran 13 und der Kupferfläche 4. Die Kondensatorplatten können hierbei z. B. rund oder rechteckig ausgestaltet werden. Zu beachten ist, dass der Elastizitätsmodul E des eingesetzten Dielektrikums 5 sehr viel kleiner sein muss als das der Kup ferfläche 4 und der Leiterplatte 6. Damit wird erreicht, dass die Verformung der Membran 13 vom Dielektrikum 5 aufgefangen wird und nicht zu einer Verformung der Leiterplatte 6 führt.
Folgendes Zahlenbeispiel zeigt, welche Kapazitätsänderungen sich unter verschiedenen Randbedingungen erzielen lassen. Der Plattendurchmesser D beträgt in allen Fällen D = 10 mm (ergibt eine Plattenfläche A = 78,54 mm²), das Dielektrikum 5 besitzt eine Dielektrizitätszahl von ε_r = 100:

d₀: = Plattenabstand bei Umgebungsdruck

Bei den o. g. Randbedingungen und einem Plattenabstand d₀ = 0,3 mm beträgt die Ruhekapazität 23,18 pF. Bei einer angenommenen Verkleinerung des Plattenabstandes um 10 μm bei maximalem Druck erhöht sich die Kapazität um 0,8 pF auf 23,98 pF.
Die Rechnung geht von der idealisierten Annahme aus, dass sich die druckbelastete Kondensatorplatte (Membran 13) der unbelasteten Kondensatorplatte (Kupferfläche 4) gleichmäßig annähert. Das ist in der Realität nicht der Fall. In der Praxis wird sich die Membran 13 elastisch in Form einer Aus beulung verformen und die Kapazitätsänderung kleiner als berechnet ausfallen.

1: Hydraulikeinheit
2: hydraulisches Anschlussteil
3: mechanische Verbindung
4: Kupferfläche
5: Dielektrikum
6: Leiterplatte
7: Auswerteelektronik
8: Durchkontaktierung
9: Gehäuse
10: Schraubverbindung
11: Steuergerät
12: Stempel
13: Membran
14: galvanische Verbindung
15: Behälter
16: Referenzkapazität
17: Befestigung
18: Leiterplattenhalter
19: Dichtung
20: Federkontakt
21: Deckel
22: Einpresskontakt
23: Gehäuseunterteil

Claims

Drucksensor mit kapazitivem Messprinzip zur Druckmessung in einer Kraftfahrzeugbremsanlage, wobei diese ein elektronisches Steuergerät (11) und eine Hydraulikeinheit (1) umfasst, welche miteinander lösbar verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor erst durch die Verbindung des Steuergeräts (11) mit der Hydraulikeinheit (1) aus einer ersten metallischen Fläche (4), welche an einer Leiterplatte (6) des Steuergerätes (11) angeordnet ist, und aus einer zweiten metallischen Fläche (13), welche mittels eines hydraulischen Anschlussteils (2) an der Hydraulikeinheit (1) angeordnet ist, gebildet wird.
Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen der ersten metallischen Fläche (4) und der zweite metallische Fläche (13) ein Dielektrikum (5) befindet.
Drucksensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Verbindung des Steuergeräts (11) mit der Hydraulikeinheit (1) das Dielektrikum (5) zusammengepresst wird.
Drucksensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stempel (12) zur Stützung der Leiterplatte (6) vorgesehen ist.
Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Referenzkapazität (16) für eine Druckdifferenzmessung vorhanden ist.
Drucksensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Kontaktierung zwischen der Leiterplatte (6) und der zweiten metallischen Fläche (13) und dem an dem hydraulischen Anschlussteil (2) angeordneten Teil der Referenzkapazität (16) mittels Federkontakte erfolgt.
Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen einem Deckel (21) des Steuergeräts (11) und dem hydraulischen Anschlussteil (2) eine umlaufende Dichtung (19) befindet.
Drucksensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Schnappverbindung eine mechanische Fixierung zwischen dem Deckel (21) und dem hydraulischen Anschlussteil (2) erfolgt.