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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Druckmessanordnung, mindestens umfassend ein Sensorelement mit einer druckempfindlichen Sensormembran und Schaltungsmittel zum Erfassen der Membranauslenkungen in Form von elektrischen Messsignalen.
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Druckmessanordnungen der hier in Rede stehenden Art werden im Maschinenbau, der Prozessmesstechnik, der Kfz-Technik wie auch in der Medizintechnik für vielfältige Messaufgaben verwendet. Eine Anwendung aus dem Bereich der Kfz-Technik besteht in der Überwachung des Bremsdrucks.
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Der Bremsdruck hängt davon ab, wie stark der Fahrer auf das Bremspedal tritt, was wiederum Ausdruck für die Stärke des Bremswunschs ist. Es hat sich gezeigt, dass ca. 90% aller Bremsungen im Straßenverkehr mit einem Bremsdruck von weniger als 50bar ausgeführt werden. Dabei handelt es sich zumeist um Bremsvorgänge, bei denen die Fahrzeuggeschwindigkeit zur Anpassung an den normalen Verkehrsfluss gezielt gedrosselt wird. Der Bremsdruck bei den restlichen 10% der Bremsungen liegt in einem Druckbereich von > 50bar bis ca. 280bar, wobei die Auftrittswahrscheinlichkeit mit der Höhe des Bremsdrucks rapide abnimmt. Diese Bremsvorgänge sind meist Gefahrensituationen zuzuordnen.
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Bei vielen Fahrzeugen werden die Bremsdruckinformationen zusammen mit anderen Zustandsinformationen von einem Fahrerassistenzsystem ausgewertet, wie beispielsweise von einem Bremsassistenten oder einem Antiblockiersystem, um den Fahrer je nach Fahrsituation durch eine automatische Bremskraftregelung zu unterstützen. Dabei muss zwischen einer sogenannten Komfortregelung bei normalen Bremsvorgängen und einer Notbremsung in Gefahrensituationen unterschieden werden. Während die Komfortregelung relativ genaue Bremsdruckinformationen in einem unteren Druckbereich bis zu ca. 50bar erfordert, reichen für die Regelung im Fall einer Notbremsung vergleichsweise grobe Bremsdruckinformationen aus.
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Deshalb werden in der Praxis häufig mehrere Drucksensoren zum Erfassen des Bremsdrucks vorgesehen, die in unterschiedlichen Kreisen angeordnet sind, also z.B. am Hauptbremszylinder und an den Radkreisen. Je nach System werden bis zu fünf Drucksensoren verwendet. Der Raddruck ist auf einen geringeren Druckwert begrenzt als der Druck am Hauptbremszylinder. Wenn der Hauptkreis beispielsweise auf 280bar abgeglichen ist, ist der Raddruck auf 200bar begrenzt. Sowohl im Hauptkreis als auch in den Radkreisen werden jeweils Drucksensoren mit einem linearen Kennlinienverhalten eingesetzt, die den gesamten Druckbereich von 0bar bis 280bar bzw. von 0bar bis 200bar abdecken. Bei dieser Anwendung werden beispielsweise gekapselte Drucksensoren mit einem Metall-Dünnschicht-Sensorelement verwendet. Das Sensorelement ist hier über einem flanschartigen Druckanschluss im Gehäuseboden montiert und über Bonddrähte und einen Kontaktblock mit einer Signalverstärker-Schaltung elektrisch verbunden. Das Sensorelement, der Kontaktblock und die Leiterplatte mit der Signalverstärker-Schaltung bilden eine kompakte Anordnung, über der ein kappenartiger Gehäusedeckel auf dem Gehäuseboden montiert ist.
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In der
DE 199 57 556 A1 wird eine Druckmessanordnung beschrieben, die ein mikromechanisches Sensorelement mit einer druckempfindlichen Sensormembran umfasst, auf der vier Messwiderstände angeordnet und in einer Wheatstonebrücke verschaltet sind. Neben diesen Schaltungsmitteln zum Erfassen der Membranauslenkungen umfasst die bekannte Druckmessanordnung noch eine weitere Wheatstonebrücke, in der zwei auf der Sensormembran angeordnete Kompensationswiderstände und zwei auf dem Membranrahmen angeordnete Rahmenwiderstände verschaltet sind. Diese zweite, als Kompensationsbrücke bezeichnete Wheatstonebrücke dient zur Verbesserung der Linearität des Kennlinienverhaltens der Druckmessanordnung. Die Ausgangssignale der Messbrücke und der Kompensationsbrücke sind nämlich so miteinander verschaltet, dass der nichtlineare Anteil des Ausgangssignals der Messbrücke durch den nichtlinearen Anteil des Ausgangssignals der Kompensationsbrücke kompensiert wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Mit der vorliegenden Erfindung wird die Realisierung einer Druckmessanordnung mit einem nichtlinearen Kennlinienverhalten vorgeschlagen, das an die speziellen anwendungsbezogenen Anforderungen der Druckmessanordnung angepasst ist.
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Dies wird erfindungsgemäß mit Hilfe einer Auswerteschaltung für die elektrischen Messsignale des Sensorelements erreicht, die mindestens einen ASIC (Application Specific Integrated Circuit) umfasst. Dieser ASIC ist so programmiert, dass das auf Basis der Messsignale generierte Ausgangssignal der Druckmessanordnung in mindestens einem vorgebbaren ersten Druckbereich eine deutlich höhere Auflösung aufweist als in mindestens einem vorgebbaren zweiten Druckbereich. Erfindungsgemäß sind das Sensorelement und die Auswerteschaltung mit dem ASIC in einem Bauteil verbaut.
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Der erfindungsgemäßen Druckmessanordnung wird also ein vorgegebenes nichtlineares Kennlinienverhalten aufgeprägt, indem die Messsignale des Sensorelements mit Hilfe des funktionsangepasst programmierten ASICs der Auswerteschaltung entsprechend verrechnet werden. Durch Vorgabe eines geeigneten Kennlinienverhaltens kann die erfindungsgemäße Druckmessanordnung so für verschiedenste Anwendungen individuell konfiguriert werden. Insbesondere können mit Hilfe einer erfindungsgemäßen Druckmessanordnung relativ große Messbereiche abgedeckt werden, die Teilbereiche mit unterschiedlichen Anforderungen an die Messempfindlichkeit umfassen, wie z.B. im Fall der Bremsdruckerfassung. Dadurch kann die Anzahl der für eine Messaufgabe vorgesehenen Drucksensoren reduziert werden oder die Genauigkeit für relevante Druckmessbereiche deutlich erhöht werden. Des Weiteren kann die Varianz der Drucksensoren, d.h. unterschiedliche Sensortypen für unterschiedliche Aufgaben, deutlich reduziert werden.
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Grundsätzlich gibt es verschiedene Möglichkeiten für die Realisierung einer erfindungsgemäßen Druckmessanordnung, sowohl was die Art des Sensorelements und der Messsignalerfassung als auch was die Art der Messsignalauswertung, also die Konfigurierung der Auswerteschaltung, betrifft.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Druckmessanordnung ein Metall-Dünnschicht-Sensorelement und die Auswerteschaltung mit dem ASIC ist auf einem Schaltungsträger realisiert. Das Sensorelement ist in diesem Fall zusammen mit dem Schaltungsträger in einem gemeinsamen Gehäuse mit mindestens einem Druckanschluss und elektrischen Anschlüssen zum Abgriff des Ausgangssignals F(p) verbaut.
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Bei dem Sensorelement kann es sich aber auch um ein MEMS-Bauelement mit einer mikromechanischen Sensormembran handeln. Wenn die gesamte Auswerteschaltung auf dem ASIC integriert ist, kann die erfindungsgemäße Druckmessanordnung auch in Form eines hybrid integrierten Bauteils realisiert werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liefern die Schaltungsmittel des Sensorelements ein Messsignal S(p), das im Wesentlichen proportional zum Messdruck p ist. In diesem Fall ist die Berechnung des Ausgangssignals der Druckmessanordnung besonders einfach. Außerdem kann dann bei der Herstellung der Druckmessanordnung auf ein Sensorelement mit einem linearen Kennlinienverhalten zurückgegriffen werden, das sich bereits in der Praxis bewährt hat. An dieser Stelle sei jedoch ausdrücklich darauf hingewiesen, dass im Rahmen einer erfindungsgemäßen Drucksensoranordnung auch ein Sensorelement zum Einsatz kommen kann, bei dem ein anderer Zusammenhang zwischen Messdruck p und Messsignal S(p) besteht, solange dieser Zusammenhang eindeutig ist und die Berechnung eines Ausgangssignals F(p) entsprechend dem vorgegebenen Kennlinienverhalten ermöglicht.
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Wie bereits erwähnt, ist die Erfindung nicht auf eine bestimmte Realisierung der Messsignalerfassung beschränkt. So können die Auslenkungen der Sensormembran mit Hilfe von Messwiderständen in Form von auf die Sensormembran aufgebrachten Dehnmessstreifen erfasst werden, wie im Stand der Technik beschrieben, oder piezoresistiv. Mit Hilfe von in die Sensormembran integrierten Piezowiderständen oder auch kapazitiv mit Hilfe einer geeigneten Kondensatoranordnung.
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Erfindungsgemäß wird das Kennlinienverhalten der Druckmessanordnung durch die Programmierung des mindestens einen ASICs der Auswerteschaltung vorgegeben. Diese Programmierung kann bereits während der Herstellung der Druckmessanordnung vorgenommen werden, wenn die Verwendung der Druckmessanordnung zu diesem Zeitpunkt schon hinreichend bestimmt ist. In einigen Fällen erweist es sich allerdings als vorteilhaft, wenn der mindestens eine ASIC der Auswerteschaltung programmierbar ist, so dass das Kennlinienverhalten der Druckmessanordnung auch noch nach Abschluss des Herstellungsverfahrens, beispielsweise am Einsatzort, individuell an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden kann.
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Wie eingangs am Beispiel der Bremsdruckerfassung erläutert, ist es für eine ganze Reihe von technischen Anwendungen von Vorteil, wenn das auf Basis der Messsignale generierte Ausgangssignal der erfindungsgemäßen Druckmessanordnung in mindestens einem vorgebbaren unteren Druckbereich eine deutlich höhere Auflösung aufweist als in mindestens einem vorgebbaren höheren Druckbereich.
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In einer ersten vorteilhaften Variante der Erfindung, mit der ein derartiges Ausgangssignal erzeugt werden kann, wird der Messsignalauswertung eine Kennlinie f(p) zugrunde gelegt, die zumindest bereichsweise durch vorgebbare Stützstellen definiert ist, wobei die jeweils benachbarten Stützstellen linear verbunden sind. Auf diese Weise kann die erfindungsgemäße Druckmessanordnung beispielsweise auch als Druckschalter mit speziell optimierten Schaltschwellen konfiguriert werden.
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Die Kennlinie f(p) kann aber auch ganz oder abschnittsweise als nichtlineare Funktion definiert sein, durch die die gewünschte Messempfindlichkeit in den einzelnen Druckbereichen gut angenähert wird. So sind beispielsweise logarithmische Kennlinien messtechnisch von großer Bedeutung, da die Steigung des Logarithmus für kleine Druckwerte immer größer und für große Druckwerte immer flacher wird. Demnach ist eine Druckmessanordnung mit einem logarithmischen Kennlinienverhalten relativ empfindlich für kleine Drücke obwohl sich der Messbereich insgesamt über einen relativ großen Druckbereich erstreckt. Logarithmische Kennlinien f(p) lassen sich allgemein formulieren als f(p) = c + log(p), wobei c eine Konstante zur Offsetanpassung ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Wie bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die dem Patentanspruch1 nachgeordneten Patentansprüche verwiesen und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren.
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1 veranschaulicht das der Erfindung zugrunde liegende messtechnische Problem anhand eines Kennliniendiagramms für zwei Drucksensoren D1 und D2 mit linearem Kennlinienverhalten aber unterschiedlicher Messempfindlichkeit;
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2 zeigt ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Druckmessanordnung 10;
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3a zeigt ein Kennliniendiagramm mit einer nichtlinearen Drucksensorkennlinie, die über Stützstellen definiert ist, und
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3b zeigt ein Kennliniendiagramm mit einer logarithmischen Drucksensorkennlinie.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 veranschaulicht am Beispiel der Bremsdruckerfassung bei einem Kraftfahrzeug das messtechnisches Problem, das durch eine erfindungsgemäße Druckmessanordnung mit einer vorgegebenen nichtlinearen Kennlinie gelöst wird.
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Der Bremsdruck p bewegt sich bei einem Kraftfahrzeug üblicherweise im Bereich zwischen 0 und 280bar. Ca. 90% aller Bremsungen werden mit einem Bremsdruck p < 50bar vorgenommen und dienen der regelmäßigen Geschwindigkeitsanpassung an normale Verkehrssituationen. Insbesondere in Not- und Gefahrensituationen werden Bremsungen mit höheren Bremsdrücken ausgeführt. D.h. die verbleibenden 10% der Bremsungen verteilen sich auf einen Druckbereich von 50 bis 280bar, wobei die Auftrittswahrscheinlichkeit mit der Höhe des Bremsdrucks p deutlich abnimmt. Viele Fahrzeuge sind mit einem Fahrerassistenzsystem ausgestattet, das die Bremskraft in Abhängigkeit vom erfassten Bremsdruck automatisch regelt, um den Fahrkomfort und die Verkehrssicherheit des Fahrzeugs zu erhöhen. Derartige Fahrerassistenzsysteme unterscheiden zwischen einer Bremskraftregelung während des normalen Fahrbetriebs, der sogenannten Komfortregelung, und einer Bremskraftregelung im Falle einer Notbremsung.
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Deshalb werden in der Praxis meist zwei Drucksensoren D1 und D2 mit einem linearen Kennlinienverhalten fD1(p) = a1·p und fD2(p) = a2·p verwendet, wie in 1 dargestellt. Die Steigungen a1 und a2 der beiden Kennlinien fD1(p) und fD2(p) geben jeweils die Messempfindlichkeit dieser Drucksensoren D1 und D2 wiedergeben. Der Drucksensor D1 deckt den gesamten hier relevanten Druckbereich bis ca. 280bar mit der im gesamten Messbereich konstanten Messempfindlichkeit a1 ab. Im Unterschied dazu, deckt der Drucksensor D2 lediglich einen unteren Teilbereich bis 200bar ab, weist dafür aber eine höhere Messempfindlichkeit a2 auf. Der untere Druckbereich bis 200bar wird also mit dem Drucksensors D2 genauer erfasst als mit dem Drucksensor D1. Dementsprechend wird der Komfortregelung der Bremskraft das Messsignal des Drucksensors D2 zugrunde gelegt, während eine Notbremsung auch auf Basis des Messsignals des Drucksensors D1 durchgeführt werden kann.
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In 2 ist eine Druckmessanordnung 10 mit einem nichtlinearen Kennlinienverhalten dargestellt, das erfindungsgemäß so ausgelegt werden kann, dass das Ausgangssignal F(p) in einem unteren Druckbereich bis beispielsweise 50bar eine hohe Auflösung aufweist, während es in einem höheren Druckbereich eine niedrigere Auflösung hat. Eine derartig konfigurierte Druckmessanordnung 10 kann dann anstelle der beiden Drucksensoren D1 und D2 zur Bremsdruckerfassung eingesetzt werden.
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Die Druckmessanordnung 10 umfasst ein Sensorelement 11 mit einer druckempfindlichen Sensormembran und mit Schaltungsmitteln im Bereich der Sensormembran. Der Messdruck p wird mit Hilfe dieser Schaltungsmittel erfasst, die die Auslenkungen der Sensormembran in elektrische Messsignale S(p) umwandeln. Die Messsignalerfassung kann schaltungstechnisch in unterschiedlicher Form realisiert sein, solange ein eindeutiger Zusammenhang zwischen dem Messdruck p und dem Messsignal S(p) besteht. Das Messsignal S(p) wird einer Auswerteschaltung 12 zugeführt, die mindestens einen ASIC umfasst. Der ASIC ist so programmiert, dass die Druckmessanordnung 10 eine vorgegebene nichtlineare Kennlinie hat. D.h., das auf Basis des Messsignals S(p) generierte Ausgangssignal F(p) der Druckmessanordnung 10 hat in mindestens einem vorgegebenen ersten Druckbereich eine deutlich höhere Auflösung als in mindestens einem vorgegebenen zweiten Druckbereich. Das hier dargestellte Blockschaltbild veranschaulicht, dass das Sensorelement 11 und die Auswerteschaltung 12 in einem Bauteil 10 verbaut sind. Das Ausgangssignal F(p) der Druckmessanordnung 10 wird einem Steuergerät 20 zugeführt, das beispielsweise Teil eines Fahrerassistenzsystems sein kann.
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In den 3a und 3b sind zwei Beispiele für nichtlineare Kennlinien einer Druckmessanordnung dargestellt, die zur Bremsdruckerfassung eines Kraftfahrzeugs geeignet sind.
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Die Kennlinie f1(p) der 3a wird durch Stützstellen bei 50bar, 200bar und 280bar bestimmt, die die drei Druckbereiche 0bar bis 50bar, 50bar bis 200bar und 200bar bis 280bar definieren. Da diese Stützstellen jeweils mit den benachbarten Stützstellen linear verbunden sind, ist die Messempfindlichkeit bzw. Messsignalauflösung innerhalb dieser drei Druckbereiche jeweils konstant. Die Stützstellen sind so gewählt, dass sich für den Druckbereich p < 50bar die größte Steigung a1 ergibt, die Messempfindlichkeit bzw. Messsignalauflösung in diesem Druckbereich also am größten ist. Im Druckbereich 50bar < p < 200bar hat die Kennlinie f1(p) eine Steigung a2 und im Druckbereich 200 bar < p hat die Kennlinie f1(p) eine Steigung a3, wobei a1 > a2 > a3. Die Messsignalauflösung nimmt hier also mit steigendem Druck p ab.
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3b zeigt eine logarithmische Kennlinie f2(p), die sich aufgrund ihrer Krümmung ebenfalls sehr gut für das in Verbindung mit 1 beschriebene Messproblem eignet.
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Abschließend sei nochmals erwähnt, dass sich das Kennlinienverhalten einer erfindungsgemäßen Druckmessanordnung mit Hilfe der programmierbaren Auswerteschaltung individuell für unterschiedlichste Messanwendungen konfigurieren lässt. So kann eine erfindungsgemäße Drucksensoranordnung mit nur einem Sensorelement für Druckmessungen mit unterschiedlicher Messsignalauflösung in mehreren unterschiedlichen Druckbereichen ausgelegt werden oder auch als Druckschalter mit speziell optimierten Schaltschwellen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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