DE102006039422A1

DE102006039422A1 - Drucksensor für hydraulische Medien in Kraftfahrzeugbremssystemen und dessen Verwendung

Info

Publication number: DE102006039422A1
Application number: DE102006039422A
Authority: DE
Inventors: Roland Burghardt; Carsten Dr. Zahout-Heil
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Priority date: 2005-08-23
Filing date: 2006-08-23
Publication date: 2007-03-15
Also published as: US8443676B2; EP1946060A1; US20100263452A1; WO2007023168A1

Abstract

Drucksensor, insbesondere zur Messung von Drücken größer als 100 bar, mit einer durch Druckbeaufschlagung auslenkbaren und/oder verformbaren Membran (1, 1'), einem unter der Membran liegenden abgeschlossenen Hohlvolumen (6), welches insbesondere zumindest teilweise mit einem Gas oder einer Gasmischung gefüllt ist, einem Auflagerahmen (2) für die Membran, welcher den Randbereich der Membran gegenüber einem Grundkörper (3) dicht abschließt, und mit zumindest einem Druckmesswandler, welcher die Auslenkung und/oder Verformung der Membran nach dem kapazitiven, piezoresistiven oder einem anderen Prinzip oder mit Hilfe mindestens eines Dehnungsmessstreifens in mindestens eine elektrische Größe umwandelt, wobei der Drucksensor allseitig dicht gekapselt ist und keine nach außen geführten elektrischen Kontakte oder Leitungen aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Drucksensor gemäß Oberbegriff von Anspruch 1 sowie dessen Verwendung.

Aus der DE 199 63 786 A1 geht ein Drucksensor hervor, welcher grundsätzlich für die Anwendung in einem elektronisch geregelten Bremssystem zur Bestimmung des Drucks einer Hydraulikflüssigkeit geeignet ist. Der Sensor besteht im wesentlichen aus einer Halbleiterschicht, die auf ein Borsilikatglas aufgebracht ist. Wird der Sensor mit Druck beaufschlagt, entsteht zwischen den Schichten eine mechanische Spannung im Material, welche auf Grund des piezoelektrischen Effekts durch geeignet angebrachte elektrische Elektroden gemessen werden kann. Auf Grund der verwendeten Materialien ist der aus der obigen Schrift bekannte Drucksensor für aggressive Medien nicht ohne eine zusätzliche Schutzmaßnahme, wie zum Beispiel eine Einbettung in Silikon, einsetzbar.

Es besteht daher die Aufgabe, einen für die oben genannte Anwendung besonders geeigneten Drucksensor zur Verfügung zu stellen, welcher sich durch eine besonders hohe Resistenz gegenüber aggressiven Medien auszeichnet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Drucksensor gemäß Anspruch 1, der insbesondere ohne eine Einbettung in ein Schutzmaterial auskommt.

Die Erfindung betrifft einen Drucksensor, insbesondere zur Messung von Drücken größer als 100 bar, mit einer durch Druckbeaufschlagung auslenkbaren und/oder verformbaren Membran. Unterhalb der Membran befindet sich ein abgeschlossenes (erstes) Hohlvolumen, welches insbesondere zumindest teilweise mit einem Gas oder einer Gasmischung gefüllt ist. Die Membran ist im Wesentlichen (ohne anstehender Druckdifferenz) eben und liegt auf einem Auflagerahmen für die Membran auf, welcher den Randbereich der Membran gegenüber einem Grundkörper dicht abschließt, auf dem der Auflagerahmen aufliegt. Der Auflagerahmen kann gesondert gefertigt oder aufgebracht sein oder Teil einer Ausformung des Grundkörpers oder der Membranfläche sein. Der Drucksensor weist zumindest einem Druckmesswandler, welcher die Auslenkung und/oder Verformung der Membran nach dem kapazitiven, piezoresistiven oder einem anderen Prinzip oder mit Hilfe mindestens eines Dehnungsmessstreifens in mindestens eine elektrische Größe umwandelt, auf. Der Drucksensor ist allseitig dicht gekapselt und weist keine nach außen geführten elektrischen Kontakte oder Leitungen auf.

Durch die allseitig dichte Kapselung ergibt sich der Vorteil, dass auch unter rauen, feuchten Umgebungsbedingungen eine lange Lebensdauer des Sensors erreicht wird. Insbesondere ist der Sensor für eine Verwendung in Flüssigkeiten, besonders bevorzugt in aggressiven Medien geeignet.

Im Falle der Ausbildung des Sensors mit einer Kondensatorstruktur befindet sich zumindest eine elektrisch leitende Messelektrode im Bereich der Membranfläche, so dass diese von der vorformbaren Membranfläche bewegt wird. Zudem ist eine Gegenelektrode vorhanden, welche am Grundkörper befestigt ist und gemeinsam mit der Messelektrode einen Kondensator bildet. Durch die Druckbeaufschlagung des Sensors ändert sich die Auslenkung der Membran und damit der Abstand der Kondensatorplatten. Die damit einhergehende Kapazitätsänderung kann als ein Maß für den Druck herangezogen werden.

Vorzugsweise weist die Membranfläche einen im wesentlichen nicht verformten Teil, der zum Beispiel in der Nähe des Randes liegt, auf, welcher mit einer Referenzelektrode versehen ist, die in Verbindung mit der oder einer weiteren Gegenelektrode eine kapazitive Referenzmessung erlaubt. Durch Einbeziehung der Referenzmessung kann die Genauigkeit der Druckmessung erhöht werden beziehungsweise eine Kompensation von Störgrößen erreicht werden.

Der Grundkörper und/oder der Auflagerahmen besteht bevorzugt zumindest teilweise aus einem korrosionsbeständigen Material, insbesondere auf Basis von Kunststoff oder Metall oder Keramik. Die Membran ist vorzugsweise entweder aus Metall, aus Kunststoff oder aus einem keramischen Material hergestellt. Die genannten Materialien können außerdem in geringen Mengen Bestandteile anderer Materialien aufweisen, so lange die angestrebte Korrosionsbeständigkeit dadurch nicht wesentlich beeinträchtigt wird.

Die Membran besteht insbesondere aus einem keramischen Material, dessen druckabhängige Auslenkung besonders bevorzugt kapazitiv ermittelt wird. Es ist aber auch möglich und daher als eine alternative bevorzugte Ausführungsform vorgesehen, den erfindungsgemäßen Drucksensor mit durch Druck resistiv veränderbaren elektrischen Leiterstrukturen auszurüsten und auf diese Weise ein durch die Druckbeaufschlagung veränderbares elektrisches Signal zur Verfügung zu stellen.

Es ist zweckmäßig, dass die Membran eine Druckmessplatte ist.

Vorzugsweise ist die Membranfläche Teil des Gehäuses.

Wenn der erfindungsgemäße Sensor insbesondere im Wesentlichen vollständig auf Basis von Keramik hergestellt ist, ergibt sich der Vorteil einer besonders hohen Resistenz gegenüber aggressiven Messmedien, wie zum Beispiel einer unter hohem Druck stehenden Bremsflüssigkeit. Mögliche Materialien für Verformungskörper sind dann ebenfalls Keramik, Metall, Glas aber auch Kunststoff.

Nach einer alternativ bevorzugten Ausführungsform wird das Maß der Druckbeaufschlagung nicht kapazitiv, sondern mit resistiv druckabhängigen Messstrukturen gemessen, welche mit der Elektronikeinheit verbunden sind. Bei der Ausführungsform des Sensors mit einer resistiven Messstruktur wird bevorzugt der piezoresistive Effekt oder die dehnungsinduzierte Gestaltsänderung der resistiven Struktur genutzt. Bei dem Sensor nach dem piezoresistiven Prinzip ist der Verformungskörper bevorzugt monolithisch aus Silizium gebildet. Die eigentlichen Messelemente sind dann insbesondere in die Druckmessplatte implantiert. Bei Einleitung eines Druckes wird eine mechanische Spannung in der Membran und/oder der Druckmessplatte erzeugt.

Die resistiven Strukturen lassen sich als Dünnfilm oder Dickschicht herstellen. Die resistiven Strukturen sind jedoch bevorzugt als Dickschichtmaterial aufgebracht.

Es ist zweckmäßig, dass der Sensor im Gehäuse eine Signalverarbeitung zur Verarbeitung der mindestens einen elektrischen Ausgangsgröße des Druckmesswandlers aufweist.

Bevorzugt weist der Sensor zur Verarbeitung der Kondensatorspannung oder im Falle der resistiven Leiter eine mit den entsprechenden Strukturen elektrisch verbundene Signalverarbeitung auf. Diese Signalverarbeitung ist insbesondere als anwenderspezifischer integrierter Schaltkreis aufgebaut.

Der Sensor umfasst weiterhin bevorzugt eine mit der Signalverarbeitung verbundene oder in dieser integrierte Sendeeinrichtung zur drahtlosen Übertragung einer Druckinformation. Hierzu nutzt der Sensor insbesondere eine in den Sensor integrierte zusätzliche Antennenstruktur und/oder eine Antennenstruktur, welche insbesondere eine Elektrode der Kondensatorstruktur ist. Dies hat den Vorteil, dass gegenüber bekannten Drucksensoren keine korrosionsempfindlichen elektrischen Kontakte nach außen benötigt werden.

Vorzugsweise ist der Sensor für eine, insbesondere periodische, Messung und/oder Datenübertragung zu definierten Zeitpunkten ausgelegt. Alternativ zweckmäßig ist die Auslegung des Sensors für eine ständige Messung und/oder Datenübertragung.

Die drahtlose Signalübertragung ist hinreichend bekannt. Es existieren Systeme bei denen der Sensor eine interne Energiequelle besitzt (Batterie) und Systeme, bei denen sich der Sensor durch ein externes elektromagnetisches Feld speist und diese Energie zum periodischen Übertragen seiner Werte nutzt.

Allen Systemen ist gemein, dass Sie eine Antenne zum Übertragen benötigen und in der Regel eine Signalvorverarbeitung sowie einen Hochfrequenzteil besitzen.

Wie gesagt, ist die Signalverarbeitung bevorzugt integriert ausgeführt.

Der Sensor ist zweckmäßigerweise zylinderförmig ausgebildet ist, wobei besonders zweckmäßig die Zylinderhöhe kleiner als der Zylinderdurchmesser ist.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Sensors bildet der Grundkörper zusammen mit Auflagefläche und Membran einen ersten Hohlraum und zusätzlich mit einer gegenüber der Membranseite angeordneten Abdeckung und einer ebenfalls gegenüberliegend zur Membran in den Grundkörper eingebrachten Ausnehmung einen weiteren Hohlraum, wobei in dem weiteren Hohlraum die Signalverarbeitung integriert ist.

Im weiteren Hohlraum des Sensors nach der weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorzugsweise eine Antennenstruktur angeordnet, welche insbesondere an der inneren Oberfläche der Abdeckung platziert ist.

Die Erfindung betrifft außerdem die Verwendung des zuvor beschriebenen Sensors in Kraftfahrzeugsteuergeräten, insbesondere in Kraftfahrzeugbremsensteuergeräten. Weiterhin bevorzugt ist die Verwendung des Sensors in direkt messenden Reifendruckkontrollsystemen.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand von Figuren.
Es zeigen
1 eine schematische Darstellung eines kapazitiven Drucksensor mit einem Hohlraum im Querschnitt,
2 der Drucksensor nach 1 bei Beaufschlagung mit Druck,
3 der Drucksensor gemäß 1 und 2 in räumlicher Darstellung,
4 ein zweites Beispiel für einen Drucksensor mit zwei Hohlräumen und
5 eine Darstellung des Sensors entsprechend 1 mit Signalverarbeitungsschaltung und Antennenstruktur.
Der kapazitive Drucksensor in 1 besteht aus einer verformbaren Keramikmembran 1, die über einen Lotring 2 auf einem Grundkörper 3 aus Keramik aufsitzt. In einem mittleren, nach innen zum Hohlraum 6 gerichteten Oberflächenbereich der Membran 1 ist eine erste metallische Kondensatorplatte 4 (Messelektrode) mit der Membran fest verbunden. Ebenfalls zum Hohlraum 6 hin gerichtet befindet sich auf einer Fläche des Grundkörpers 3 eine metallische zweite metallische Kondensatorplatte 5 (Gegenelektrode). Im Außenbereich der nach innen gerichteten Membranfläche, also benachbart zu Mess elektrode 4 befindet sich ein weitere, von der Messelektrode elektrisch isolierte Referenzelektrode 8. Gegenelektrode 5 ist so groß ausgeführt, dass diese sowohl Messelektrode 4 als auch Referenzelektrode 7 gegenüber liegt. Lotring 2 bildet einen ringförmigen Auflagerahmen für Membran 1 auf Grundkörper 3. Die zweite Kondensatorplatte 5 ist mit ASIC 7 direkt verbunden. In ASIC 7 ist ein anwenderspezifischer integrierter Schaltkreis enthalten, welcher elektrisch leitend mit den Kondensatorplatten 4, 5 und Referenzelektrode 8 verbunden ist. Es ist auch nach einem nicht dargestellten Beispiel möglich, dass Gegenelektrode mit ASIC 7 vereint ist. wird direkt durch den ASIC gebildet, der auch die primäre Signalverarbeitung trägt. Über einen Leadframe werden die aufbereiteten Signale nach außen geleitet. Das Gehäuse ist verschlossen durch einen geklebten Deckel, bspw. aus Metall oder ebenfalls Keramik.
2 zeigt den Drucksensor in 1 mit einer durch Druckbeaufschlagung verformten Membran 1'. Durch die druckinduzierte Auslenkung der Membran verringert sich der Abstand der Kondensatorplatten 4 und 5. Hierdurch ergibt sich eine elektrisch messbare Erhöhung der Kapazität des durch die Kondensatorplatten 4, 5 gebildeten Kondensators.
In 3 ist der kapazitive Drucksensor gemäß den 1 und 2 in dreidimensionaler Ansicht dargestellt.
4 stellt ein Beispiel für einen Sensor mit einer Antennenstruktur 9 und einem zusätzlichen Hohlraum 8 dar. Die in 4 beschriebene Antennenstruktur kann nach einem nicht dargestellten Beispiel auch in dem Sensor nach den 1 bis 3 vorgesehen werden.
Antennenstruktur 9 benachbart zu Messelektrode 4 auf der Innenseite von Membran 1 angebracht. Antennenstruktur 4 ist spiralförmig ausgebildet. Diese kann mittels Dünnfilm- (CVD, Sputtern) oder Dickschichtverfahren in der gewünschten Form aufgebracht werden. Ebenso kann ein Aufbringen der Antennenstruktur mittels lithografischer Verfahren mit anschließendem Ätzprozess erfolgen. Eine elektrische Verbindung von Antennenstruktur 4 mit ASIC 7 erfolgt über geeignete, nicht dargestellte Verbindungsstellen des Deckels. Dabei kommt sowohl Kleben als auch Löten in Frage.
Zusätzlich zu Antennenstruktur 4 können an Membran 1 auch zusätzliche oberflächenmontierbare Bauteile – wie HF-Komponenten – aufgebracht werden.
Das Ausführungsbeispiel in 4 zeigt einen Sensor mit einem weiteren Hohlraum 8, welcher auf der gegenüberliegenden Seite von Grundkörper 3 als Ausnehmung ausgebildet ist. Hohlraum 8 ist durch einen untere Abdeckung 10 verschlossen. ASIC 7 kann im unteren Hohlraum 8 angeordnet werden. Antennenstruktur 9 ist in Hohlraum 8 an Abdeckung 10 platziert. Eine Verbindung von ASIC 7 mit Antennenstruktur 9 oder den Elektroden 4, 5 und 8 erfolgt entweder über Bonddrähte oder andere geeignete Verbindungstechnologien.
Im Sensor gemäß 4 sind die Komponenten Antennenstruktur 9, ASIC 7 mit integriertem HF-Sender gemeinsam in das Gehäuse des Drucksensors integriert. Hierdurch ergibt sich eine allseitige Kapselung des Sensors.
Der Sensor gemäß 5 unterscheidet sich von den zuvor erläuterten Sensoren dadurch, dass die Kondensatorplatten durch resistive Schichten 11 ersetzt sind. Die Anordnung von ASIC 7 in Hohlraum 6 entspricht der beispielgemäßen, nicht dargestellten Ausführungsform eines Sensors gemäß 1 mit ASIC. Resistive Schichten 11 sind mittels Dünnschicht- oder Dickschichttechnologien auf Membran 1 aufgebracht. Es ist ebenfalls möglich, zur Verformungsmessung geeignete, an sich bekannte Siliziumelemente auf Membran 1 aufzukleben. Hohlräume 6 und 8 können mit Öl oder alternativ mit einem anderen Material gefüllt sein.
In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Sensor eine Druckmessplatte anstatt der Membran auf.

Claims

Drucksensor, insbesondere zur Messung von Drücken größer als 100 bar, mit einer durch Druckbeaufschlagung auslenkbaren und/oder verformbaren Membran (1, 1'), einem unter der Membran liegenden abgeschlossenen Hohlvolumen (6), welches insbesondere zumindest teilweise mit einem Gas oder einer Gasmischung gefüllt ist, einem Auflagerahmen (2) für die Membran, welcher den Randbereich der Membran gegenüber einem Grundkörper (3) dicht abschließt, und mit zumindest einem Druckmesswandler, welcher die Auslenkung und/oder Verformung der Membran nach dem kapazitiven, piezoresistiven oder einem anderen Prinzip oder mit Hilfe mindestens eines Dehnungsmessstreifens in mindestens eine elektrische Größe umwandelt, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor allseitig dicht gekapselt ist und keine nach außen geführten elektrischen Kontakte oder Leitungen aufweist.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dessen Druckmesswandler nach dem kapazitiven Prinzip arbeitet und wobei der Sensor zumindest eine elektrisch leitende Messelektrode (4), die von der vorformbaren Membranfläche bewegt wird, und zumindest eine Gegenelektrode (5), welche am Grundkörper befestigt ist und gemeinsam mit der Messelektrode einen Kondensator bildet, aufweist.
Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranfläche einen im wesentlichen nicht verformten Teil aufweist, welcher mit einer Referenzelekt rode (8) versehen ist, die in Verbindung mit der oder einer weiteren Gegenelektrode eine kapazitive Referenzmessung erlaubt.
Sensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper und/oder der Auflagerahmen zumindest teilweise aus einem korrosionsbeständigen Material, insbesondere auf Basis von Kunststoff oder Metall oder Keramik besteht und die Membran entweder aus Metall, aus Kunststoff oder aus einem keramischen Material besteht.
Sensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass dieser im Gehäuse eine Signalverarbeitung (7) zur Verarbeitung der mindestens einen elektrischen Ausgangsgröße des Druckmesswandlers aufweist.
Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass dieser eine mit der Signalverarbeitung verbundene oder in dieser integrierte Sendeeinrichtung zur drahtlosen Übertragung einer Druckinformation umfasst.
Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass dieser eine in den Sensor integrierte zusätzliche Antennenstruktur (9, 9') umfasst und/oder eine Antennenstruktur, welche insbesondere eine Elektrode der Kondensatorstruktur nutzt.
Sensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranfläche Teil des Gehäuses ist.
Sensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass dieser zylinderförmig ausgebildet ist, wobei insbesondere die Zylinderhöhe kleiner als der Zylinderdurchmesser ist.
Sensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitung integriert ausgeführt ist.
Sensor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (3) zusammen mit Auflagefläche (2) und Membran (1, 1') einen ersten Hohlraum (6) bildet und der Grundkörper mit einer gegenüber der Membranseite angeordneten Abdeckung (10) und einer ebenfalls gegenüberliegend zur Membran in den Grundkörper eingebrachten Ausnehmung einen weiteren Hohlraum (8) bildet, wobei in dem weiteren Hohlraum die Signalverarbeitung (7) integriert ist.
Sensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass im weitern Hohlraum eine Antennenstruktur (9') angeordnet ist, welche insbesondere an der inneren Oberfläche der Abdeckung platziert ist.
Verwendung des Sensors gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12 in Kraftfahrzeugsteuergeräten, insbesondere in Kraftfahrzeugbremsensteuergeräten.