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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Vorrichtungen und Verfahren zum Erfassen von Drücken von fluiden Medien, wie beispielsweise Gasen und Flüssigkeiten, bekannt. Die Messgröße des Drucks ist eine in Gasen und Flüssigkeiten auftretende, allseits wirkende, nicht gerichtete Kraftwirkung. Zur Messung der Drücke gibt es dynamische und statisch wirkende Messwertaufnehmer bzw. Sensorelemente. Dynamisch wirkende Drucksensoren dienen nur zur Messung von Druckschwingungen in gasförmigen oder flüssigen Medien. Die Druckmessung kann direkt, über Membranverformung oder durch einen Kraftsensor erfolgen.
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Insbesondere zur Messung sehr hoher Drücke wäre es ausreichend, einfach einen elektrischen Widerstand dem Medium auszusetzen, denn alle bekannten Widerstände zeigen mehr oder weniger ausgeprägt eine Druckabhängigkeit. Dabei gestalten sich jedoch die Unterdrückung der gleichzeitigen Abhängigkeit der Widerstände von der Temperatur und die druckdichte Durchführung ihrer elektrischen Anschlüsse aus dem Druckmedium heraus als schwierig.
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Die am weitesten verbreiteten Methode der Druckerfassung verwendet daher zur Signalgewinnung zunächst eine dünne Membran als mechanische Zwischenstufe, die einseitig dem Druck ausgesetzt ist und sich unter dessen Einfluss mehr oder weniger durchbiegt. Sie kann in weiten Grenzen nach Dicke und Durchmesser dem jeweiligen Druckbereich angepasst werden. Niedrige Druckmessbereiche führen zu vergleichsweise großen Membranen mit Durchbiegungen, die im Bereich von 0,1 mm bis 1 mm liegen können. Hohe Drücke erfordern jedoch dickere Membranen geringen Durchmessers, die sich meist nur wenige Mikrometer durchbiegen. Derartige Drucksensoren sind beispielsweise aus Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Aufl. 2010, Seiten 80–82 und 134–136 bekannt.
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Die
DE 101 07 813 A1 und die
DE 10 2008 054 382 A1 beschreiben Drucksensoren, die einen Drucksensorchip zur Bestimmung des Drucks eines Messmediums und einen Adapter zur Druckübertragung auf den Drucksensorchip umfassen. Der Adapter weist eine mit einer Druckübertragungsflüssigkeit gefüllte Durchgangsöffnung auf, die auf einer dem fluiden Medium zugewandten Seite mit einer Trennmembran verschlossen ist.
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Trotz der durch diese Drucksensoren bewirkten Verbesserungen besteht nach wie vor ein Optimierungspotenzial bekannter Drucksensoren. So ist bei den beschriebenen Sensoren, die aggressiven Stoffen ausgesetzt sind, eine Trennung des Sensorchips durch eine Trennmembran erforderlich. Um eine gute Druckübertragung der Trennmembran zu erzielen, wird das Volumen zwischen Trennmembran und Drucksensorchip mit einem inkompressiblen Medium, wie beispielsweise Öl, als Druckübertragungsflüssigkeit gefüllt. Hieraus ergeben sich neben der zusätzlichen Abdichtung auch Einflüsse der Sensorgenauigkeit durch diesen Aufbau, insbesondere durch das Öl, da das Öl einen anderen bzw. wesentlich höheren Temperaturausdehnungskoeffizienten als der restliche Aufbau aufweist. Die temperatur- und druckabhängige Änderung des Volumens der Druckübertragungsflüssigkeit in einem abgeschlossenen Volumen hat einen wesentlichen Einfluss auf die Genauigkeit des Sensorsignals, insbesondere bei Auftreten von nichtlinearen Effekten, wie sie in flüssigen Füllmedien zu erwarten sind. Diese Genauigkeitseinbußen bei Drucksensoren mit Ölvorlage durch Einflüsse des fluiden Mediums, welches als Druckdämpfungselement abstrahiert werden kann und in Verbindung mit einer Trennmembran dem Schutz des Sensorelements vor aggressiven und korrosiven Medien dient, sind aufwändig im Abgleich zu kompensieren, um eine Verringerung der Genauigkeit im Vergleich mit Sensoren ohne Ölvorlage zu minimieren.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird dementsprechend ein Drucksensor zur Erfassung eines Drucks in einem fluiden Medium vorgeschlagen, welcher die Nachteile bekannter Drucksensoren zumindest weitgehend vermeidet und der eine hohe Medienresistenz bei gleichzeitiger hoher Signalgenauigkeit ohne großen Aufwand für einen Abgleich aufweist.
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Ein erfindungsgemäßer Drucksensor zur Erfassung eines Drucks eines fluiden Mediums in einem Messraum umfasst ein Sensorgehäuse, mindestens ein Drucksensorelement zum Messen eines Drucks des Mediums und einen Adapter zur Druckübertragung auf das Drucksensorelement. Der Adapter weist eine mit einer Druckübertragungsflüssigkeit gefüllte Durchgangsöffnung auf, die auf einer dem fluiden Medium zugewandten Seite mit einer Trennmembran verschlossen ist und auf einer dem fluiden Medium abgewandten Seite mit dem Drucksensorelement in Verbindung steht. Die Druckübertragungsflüssigkeit umfasst Füllkörper.
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Die Füllkörper können in der Druckübertragungsflüssigkeit dispergiert sein, vorzugsweise homogen dispergiert. Die Füllkörper können inkompressibel sein. Beispielsweise sind die Füllkörper Festkörper. Die Füllkörper können mindestens eine Materialeigenschaft aufweisen, die im Wesentlichen identisch mit einer Materialeigenschaft zumindest des Drucksensorelements ist. Beispielsweise weisen die Füllkörper einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und/oder einen Kompressionsmodul auf, die im Wesentlichen identisch mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten und/oder einem Kompressionsmodul des Drucksensorelements sind.
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Unter einer im Wesentlichen identischen Materialeigenschaft der Füllkörper zu dem Drucksensorelement ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Materialeigenschaft der Füllkörper zu verstehen, die um nicht mehr als 30 %, bevorzugt nicht mehr als 25 % und besonders bevorzugt um nicht mehr als 15 % von einer Materialeigenschaft des Drucksensorelements abweicht, beispielsweise um nicht mehr als 10 %.
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Unter einem thermischen Ausdehnungskoeffizient ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Kennwert zu verstehen, der das Verhalten eines Stoffes bezüglich Veränderungen seiner Abmessungen bei Temperaturveränderungen beschreibt. Der hierfür verantwortliche Effekt ist die Wärmeausdehnung. Die Wärmeausdehnung ist abhängig vom verwendeten Stoff, es handelt sich also um eine stoffspezifische Materialkonstante. Es kann zwischen dem thermischen Längenausdehnungskoeffizienten und dem thermischen Raumausdehnungskoeffizienten unterschieden werden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird bei einer Bezugnahme auf den thermischen Ausdehnungskoeffizienten vom thermischen Raumausdehnungskoeffizienten ausgegangen sofern nicht explizit anders beschrieben. Der Raumausdehnungskoeffizient gibt das Verhältnis zwischen der relativen Volumenzunahme und der Temperaturänderung eines Körpers an.
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Unter einem Kompressionsmodul ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine intensive und stoffeigene physikalische Größe aus der Elastizitätslehre zu verstehen, die beschreibt, welche allseitige Druckänderung nötig ist, um eine bestimmte Volumenänderung hervorzurufen. Der Kompressionsmodul ist eine Materialkonstante, die von der Temperatur und vom Druck abhängig ist. Der Zahlenwert stellt den Druck dar, bei dem das Volumen zu 0 wird, wenn der Kompressionsmodul bei höheren Drücken nicht ansteigen würde. Der Kehrwert des Kompressionsmoduls ist die Kompressibilität.
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Die Füllkörper können einen mittleren Durchmesser von 10 nm bis 100 µm aufweisen.
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Unter einem mittleren Durchmesser ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Mittelwert sämtlicher Durchmesser bei einem dreidimensionalen Körper zu verstehen.
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Die Füllkörper können aus einem Material hergestellt sein, das chemisch inert gegenüber der Druckübertragungsflüssigkeit ist. Dadurch gehen die Füllkörper mit der Druckübertragungsflüssigkeit keine chemische Reaktion ein. Beispielsweise sind die Füllkörper ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus: Glaskugeln, Siliziumkugeln, Kieselgur, Quarzmehl.
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Die Druckübertragungsflüssigkeit kann Öl sein, beispielsweise Silikonöl.
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Unter einem Drucksensorelement ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Sensorelement zu verstehen, welches die eigentlichen Messsignale bezüglich des Drucks und/oder der Messwerte liefert, die zur Erfassung des Drucks des fluiden Mediums genutzt werden. Beispielsweise kann das Drucksensorelement eine als Messbrücke ausgebildete Sensormembran mit einem oder mehreren piezoresistiven Elementen und/oder anderen Arten von sensitiven Elementen umfassen, wie dies bei Drucksensoren üblich ist. Für weitere mögliche Ausgestaltungen von derartigen Drucksensorelementen kann auf den oben beschriebenen Stand der Technik, insbesondere auf Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Aufl. 2010, Seiten 80–82 und 134–136, verwiesen werden. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich.
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Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist die Minimierung des Volumens der Druckübertragungsflüssigkeit durch Zugabe von Füllkörpern und eine Anpassung der effektiven physikalischen Konstanten, insbesondere des thermischen Ausdehnungskoeffizienten und der Kompressibilität des Füllmediums an den speziellen Anwendungsfall, der verlustfreien Druckübermittlung durch Einsatz einer idealerweise inkompressiblen und fließfähigen Druckübertragungsflüssigkeit, wie beispielsweise eines Öls oder Gels. Die Anpassung der die Druckmessung beeinflussenden Materialkonstanten des inkompressiblen und fließfähigen Füllmediums wie Öl oder höher vernetzte Stoffe, beispielsweise Gele, durch Zugabe von Füllkörpern mit angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten und nahezu druckunabhängiger Kompressibilität ist ein Aspekt der vorliegenden Erfindung. Zusätzlich wird durch die Zugabe eines festkörperartigen Füllmaterials auch eine effektive Volumenreduktion des fließfähigen Füllmediums erreicht. Um eine homogene Verteilung des Füllmaterials im Füllmedium und damit eine isotrope Verteilung der physikalischen Zustandsgrößen sicherzustellen, muss das Füllmaterial gleichmäßig im Füllmedium dispergiert sein und sollte deshalb von geringer Größe sein. Entsprechend wird vorgeschlagen, mikroskopische oder nanoskopische Festkörper mit einer Ausdehnung sehr viel kleiner als das Füllvolumen des Füllmediums und idealerweise aus chemisch vorzugsweise inerten/nicht reaktiven Materialien sowie Materialien mit kleinen Ausdehnungskoeffizienten und Kompressibilitäten, vorzugsweise in der Größenordnung der im Aufbau des Sensors verwendeten Festkörper/Sensorelementmaterialien zu verwenden. Vorzugsweise wird zudem eine Verwendung von kostengünstigen, in großen Mengen fertigbaren Materialien angestrebt, welche als Füllkörper mit einer Ausdehnung von wenigen Nanometern bis zu mehreren Mikrometern in ausreichender Menge zur Änderung der effektiven Materialparameter gleichverteilt in das Füllmedium eingebracht werden können. Diese Eigenschaften bieten insbesondere Füllmaterialien, wie beispielsweise mikroskopische Glas- oder Siliziumkugeln, Kieselgur (Standardfüllstoffgele/Klebstoffe), Quarzmehl und dergleichen.
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Dabei wird eine effektive Minimierung des Ölvolumens durch Füllung auch kleinerer Hohlräume, welche mit makroskopischen Füllkörpern nach dem Stand der Technik nicht befüllt werden können, erzielt. Die Anpassung der effektiven, die Druckmessung beeinflussenden Materialkonstanten, wie beispielsweise Kompressibilität und thermischer Ausdehnungskoeffizient des Füllmediums bestehend aus einem festkörperartigen mikroskopischen Füllmaterial und dem flüssigen Füllmedium ist ein weiterer Vorteil. Schließlich wird eine mechanische Begrenzung der Membranverformung, und somit Überlast- und Versagensschutz der Trennmembran, durch Anpassung der effektiven Materialparameter, wie beispielsweise die Viskosität, und somit die Einführung eines zusätzlichen Dämpfungselementes erreicht. Eine Dämpfung von Flüssigkeitsströmungen und Druckschwankungen, beispielsweise Druckschlägen und Kavitationspulsen durch Erhöhung der effektiven Viskosität des Füllmediums sowie Erhöhung der inneren Reibung im Füllmedium, ist ebenfalls realisierbar. Schließlich wird die Flexibilität der geometrischen Auslegung des Füllvolumens durch den Einsatz eines makroskopischen Füllkörpers durch kleine bewegliche Füllkörper mit identischem Verdrängungsvolumen der Flüssigkeit und somit effektiv gleicher Wirkung erzielt. Die Verwendbarkeit der kleinen festkörperartigen Füllkörper unabhängig von, aber auch in Kombination mit einem makroskopischem Füllkörper ist möglich. Dadurch wird eine Minderung der Gefahr einer Membranschädigung durch Entfall des makroskopischen eventuell beweglichen Füllkörpers erzielt
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in der Figur schematisch dargestellt sind.
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Es zeigt:
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1 eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Drucksensors.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Drucksensors 10 zum Erfassen eines Drucks eines fluiden Mediums in einem Messraum gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Drucksensor 10 kann beispielsweise zum Erfassen eines Drucks in einer Kraftstoffleitung eines Verbrennungsmotors oder von Abgasen in einem Abgasstrom des Verbrennungsmotors ausgebildet sein. Der in 1 gezeigte Drucksensor 10 eignet sich insbesondere zur Partikelfilterdiagnose oder zur Erfassung eines Kraftstoffdrucks. Der Drucksensor 10 umfasst ein Sensorgehäuse 12. Das Sensorgehäuse 12 definiert einen Gehäuseinnenraum 14, der auch als Sensorzelle bezeichnet werden kann. Der Drucksensor 10 weist ein Drucksensorelement 16 zur Erfassung des Drucks des fluiden Mediums auf. Das Drucksensorelement 16 ist in dem Gehäuseinnenraum 14 angeordnet. Beispielsweise ist das Drucksensorelement 16 als Drucksensorchip ausgebildet, der mittels anodischer Bonds auf einem Glasträger montiert ist. Der Drucksensorchip ist wiederum innerhalb des Sensorgehäuses 12 durch Bonddrähte mit elektrischen Sensoranschlusselementen elektrisch verbunden, die durch das Sensorgehäuse 12 hindurchragen. Der Drucksensorchip weist beispielsweise eine Membran auf, die auf einer Unterseite von einem Medium beaufschlagt wird, das über einen Druckstutzen, der beispielsweise als zusätzliches Metallröhrchen ausgebildet ist, zugeleitet wird. Die Membran kann sich aufgrund des an ihr wirkenden Drucks des Mediums verbiegen, so dass es durch die Verbiegung zu einem Messsignal kommt, das über die Bonddrähte weitergeleitet wird.
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Der Drucksensor 10 weist weiter einen Adapter 18 zur Druckübertragung auf das Drucksensorelement 16 auf. Der Adapter 18 ist beispielsweise zylinderförmig ausgebildet und weist in seiner Mitte eine Durchgangsöffnung 20 auf. Die Durchgangsöffnung 20 ist mit einer Druckübertragungsflüssigkeit 22 gefüllt. Die Durchgangsöffnung 20 ist auf einer dem fluiden Medium zugewandten Seite 24 mit einer Trennmembran 26 verschlossen. Auf einer dem fluiden Medium abgewandten Seite 28 steht die Durchgangsöffnung 20 mit dem Drucksensorelement 16 in Verbindung. Die Druckübertragungsflüssigkeit 22 dient somit zur Übertragung eines an der Trennmembran 26 anliegenden Drucks auf die Membran des Drucksensorelements 16. Vorzugsweise ist die Druckübertragungsflüssigkeit 22 ein Öl, wie beispielsweise ein Silikonöl.
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Die Druckübertragungsflüssigkeit 22 umfasst Füllkörper 30. Die Füllkörper 30 sind in der Druckübertragungsflüssigkeit 22 dispergiert, vorzugsweise homogen dispergiert. Die Füllkörper 30 sind insbesondere inkompressibel. Beispielsweise sind die Füllkörper 30 Festkörper. Die Füllkörper 30 weisen mindestens eine Materialeigenschaft auf, die im Wesentlichen identisch mit einer Materialeigenschaft zumindest des Drucksensorelements 16 ist. Beispielsweise weisen die Füllkörper 30 einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und/oder einen Kompressionsmodul auf, die im Wesentlichen identisch mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten und/oder einem Kompressionsmodul des Drucksensorelements sind. Bevorzugt sind die Füllkörper 30 mikroskopisch oder nanoskopisch und weisen beispielsweise einen mittleren Durchmesser von 10 nm bis 100 µm auf, beispielsweise 200 nm. Dabei sind die Füllkörper 30 aus einem Material hergestellt, das chemisch inert gegenüber der Druckübertragungsflüssigkeit 22. Die Füllkörper 30 sind beispielsweise Siliziumkugeln. Alternativ oder zusätzlich können die Füllkörper 30 Glaskugeln, Kieselgur, Quarzmehl oder dergleichen sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10107813 A1 [0004]
- DE 102008054382 A1 [0004]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Aufl. 2010, Seiten 80–82 und 134–136 [0003]
- Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Aufl. 2010, Seiten 80–82 und 134–136 [0016]
