DE10332284A1

DE10332284A1 - Drucksensorelement mit integrierter Dichtfläche

Info

Publication number: DE10332284A1
Application number: DE10332284A
Authority: DE
Inventors: Thomas Moelkner; Holger Scholzen; Joerg Gebers; Ralf Kaiser; Carsten Kaschube; Christian Roesser; Lothar Baumann; Hans-Peter Didra; Roger Frehoff; Markus Fissler; Markus Ledermann; Benjamin Thiel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-07-16
Filing date: 2003-07-16
Publication date: 2005-02-03
Also published as: JP2005037400A; US20050126297A1; ITMI20041417A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Sensorelement zur Erfassung von Drücken oder Kräften. Das Sensorelement (10) umfasst eine Sensormembran (13), an deren Membranaußenseite (20) piezoresistive Messelemente (8) angeordnet sind. Die Sensormembran (13) des Sensorelementes (10) liegt einer Dichtfläche (15, 16) zur Abdichtung des Sensorelementes (10) gegen ein Gehäuse gegenüber. Ein Krafteinleitungsbereich (23, 24) zur Einleitung einer eine Abdichtung erzeugenden Kraft ist von der Sensormembran (13) des Sensorelementes (10) mechanisch entkoppelt.

Description

Technisches Gebiet
Drücke oder Kräfte werden häufig durch piezoresistive Sensorelemente gemessen. Diese Sensorelemente nutzen als Messeffekt die Verformung einer Fläche durch die auf diese einwirkenden Kräfte bzw. Drücke. Aus diesem Grunde ist es erforderlich, Verformungen, die nicht mit dem zu messenden Druck zusammenhängen wie z.B. Montagespannungen und Wärmedehnungen, vom Sensorelement zu entkoppeln.

DE 38 11 311 C1 bezieht sich auf einen Druckgeber zur Druckerfassung im Brennraum von Brennkraftmaschinen. Das Gehäuse des Druckgebers ist gegenüber dem Brennraum mit einer druckempfindlichen Membran abgeschlossen. Ein Stempel ist mit seinem ersten Ende mit der druckempfindlichen Membran verbunden, wobei dessen zweites Ende mindestens einen piezoelektrischen Kristall abstützt. Die Kraftübertragung zu dem mindestens einen piezoelektrischen Kristall wird aufgrund lückenlosen Stoffschlusses ohne mechanische Vorspannung hergestellt. Die Verbindung der Membran zum Gehäuse wird durch eine Schweißverbindung dargestellt, wobei alle Grenzflächen der dem zweiten Ende des Stempels folgenden Bauteile mit Hilfe einer Klebeverbindung verbunden sind.

DE 40 22 783 A1 bezieht sich ebenfalls auf einen Druckgeber zur Druckerfassung im Brennraum von Brennkraftmaschinen. Ein Hybrid besteht aus einem piezoelektrischen Werkstoff. Auf dem Hybrid sind die elektronischen Bauteile einer elektrischen Auswerteschaltung angeordnet. Auf dem Hybrid sind ferner Kontaktflächen eingedruckt. Der Hybrid ist direkt zwischen einem Stempel und einem Gegenlager eines Drucksensors angeordnet. Die elektronischen Bauteile und die Kontaktflächen sind mit Hilfe von einfachen Standardbonddrähten untereinander verbunden. Dadurch baut der Druckgeber gemäß DE 40 22 783 A1 besonders klein.

DE 195 38 854 C1 bezieht sich ebenfalls auf einen Druckgeber zur Druckerfassung im Brennraum von Brennkraftmaschinen. In einer Bohrung eines Gehäuses ist ein Stempel angeordnet, der mit seinem einen Ende an einer die Öffnung der Bohrung abschließenden Membran anliegt. Mit dem einen Ende wirkt der Stempel auf das Messelement ein, so dass ein dem Druck im Brennraum proportionales Messsignal erzeugt wird. Die Form des Stempels, die Oberfläche des Endes des Stempels und des Messelementes sowie die jeweiligen Materialien sind derart aufeinander abgestimmt, das eine nahezu fehlerfreie Druckeinleitung möglich ist.

DE 44 19 138 A1 bezieht sich auf einen Hochtemperaturdrucksensor. Bei diesem wird innerhalb eines Membranabschnittes eine Durchbiegung hervorgerufen, wenn auf die Druckfederfläche des Membranabschnittes der Druck eines eine hohe Temperatur aufweisenden Fluids einwirkt. Die Durchbiegung wird über Druckübertragungsteile zu einem Ablenkungs-Erfassungsteil übertragen, dass im Ansprechen auf den empfangenen Druck ein elektrisches Signal erzeugt. Der Membranabschnitt weist an seinem Zentrum einen Ausnehmungsabschnitt auf. Der Ausnehmungsabschnitt verläuft symmetrisch um eine zentrale Achse des Membranabschnitts. Eine Ende des Druckübertragungsteiles ist mit dem Ausnehmungsabschnitt an einem zentralen Punkt in Kontakt gebracht. Ein konischer Abschnitt in der Membran weist eine Dicke auf, die nicht größer als die Dicke eines äußeren Umfangsabschnittes oder der Dicke eines zentralen Bodenabschnittes ist. Auf der Membran kann eine Wärmeisolierplatte vorgesehen werden, um die Oberfläche des Membranabschnittes vor der Wärmestrahlung des eine hohe Temperatur aufweisenden Fluides zu schützen.

Piezoresistive Sensorelemente, die zur Erfassung von Drücken und Kräften eingesetzt werden, nutzen als Messeffekt die Verformung durch die einwirkenden Kräfte bzw. Drücke. Aus diesem Grunde sind die Verformungen des Sensorelementes, die z.B. durch dessen Montage hervorgerufen werden können, möglichst kleinzuhalten. Daher werden das Einschraubgewinde eines Sensors wie auch dessen Dichtfläche möglichst weit entfernt vom Sensorelement angeordnet und damit mechanisch möglichst entkoppelt.

Darstellung der Erfindung

Mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ausführung eines Sensorelementes mit integrierter Dichtfläche lässt sich ein besonders klein bauender Sensor, der viele Funktionen durch ein Bauteil erfüllt, realisieren. Ein Vorteil des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Sensors liegt darin, dass neben einer Druckerfassung eine Abdichtung des Drucksensors mit dem Gehäuse, in welches das erfindungsgemäß vorgeschlagene Sensorelement mit integrierter Dichtfläche eingeschraubt ist, gegen das unter Druck stehende Messmedium erreicht werden kann. Die Druckmessfunktion sowie die Abdichtfunktion werden durch ein und dasselbe Sensorelement erreicht, wobei sichergestellt ist, dass die Abdichtfunktion keine negativen Auswirkungen auf die Druckmessfunktion durch Verformung des Sensorelementes führt.

Durch die integrierte Dichtfläche kann das Sensorelement hinsichtlich seiner Baugröße des Gesamtsensors deutlich reduziert werden. Ferner ist es möglich, die Sensormembran auch unter sehr beengtem Bauraumverhältnissen nahe an das Messvolumen heranzuführen, was gemäß den aus dem Stande der Technik bekannten Sensoren mit piezoresistiven Messelementen nicht ohne weiteres möglich ist.

Zeichnung

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.

Es zeigt:

1 einen Schnitt durch ein aus dem Stand der Technik bekanntes verschweißtes Sensorelement,

2 eine Draufsicht auf das aus dem Stand der Technik bekannte Sensorelement gemäß der Darstellung in 1,

3 eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Sensorelementes und

4 einen Halbschnitt durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Sensorelement gemäß der Darstellung in 3.

Ausführungsvarianten

Aus der Darstellung gemäß 1 geht ein aus dem Stand der Technik bekanntes Sensorelement hervor.

Das in 1 dargestellte Sensorelement umfasst einen Sensorkörper 1, auf dem ein piezoresistives Drucksensorelement 2 angebracht ist. Über eine Schweißnaht 7 ist der Sensorkörper 1 mit einem Zapfen verschweißt, an dem räumlich entfernt vom Sensorkörper 1 ein Einschraubgewinde 3 ausgebildet ist. Am unteren Ende des Zapfens unterhalb des Einschraubgewindes 3 befindet sich ein Dichtkonus 4. Der Zapfen ist von einer Durchgangsbohrung 5 durchzogen, die durch eine Sensormembran 6 des piezoresistiven Drucksensorelementes 2 verschlossen ist. Der in 1 aus dem Stande der Technik bekannte Drucksensor weist eine relativ große Bauhöhe auf, um den Dichtkonus 4, in welchem die Dichtkräfte eingeleitet werden, mechanisch vom Sensorkörper 1 zu entkoppeln.

2 ist die Draufsicht auf das aus dem Stand der Technik bekannte Sensorelement gemäß der Darstellung in 1 zu entnehmen.

Aus der Draufsicht gemäß 2 geht hervor, dass auf der Oberseite der Sensormembran 6 des piezoresistiven Drucksensorelementes 2 mehrere piezoresistive Messelemente 8 aufgebracht sind. Die Sensormembran 6 wird durch Beaufschlagung der Durchgangsbohrung 5 (vergleiche 1) mit einem Druck verformt, der auf die an der Oberseite der Sensormembran 6 angebrachten piezoresistiven Messelemente 8 wirkt und ein dem Druck entsprechendes Signal erzeugt.

Der Darstellung gemäß 3 ist eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäß beschaffenen Sensorelementes mit integrierter Dichtfläche zu entnehmen.
Ein Sensorelement 10 mit integrierter Dichtfläche weist eine erste Stirnfläche 11 und eine zweite Stirnfläche 12 auf. Die erste Stirnfläche 11 umfasst eine Öffnung, von der aus sich ein Hohlraum 30 zur Beaufschlagung einer an der zweiten Stirnfläche 12 vorgesehenen, in 3 jedoch nicht dargestellten Sensormembran, erstreckt. Der Hohlraum 30 wird von einer Innenwand 18 des Sensorelementes 10 begrenzt. An der ersten Stirnfläche 11 des Sensorelementes 10 mit integrierter Dichtfläche ist ein Dichtkonus 15 ausgebildet. Der Dichtkonus 15 wird durch eine Dichtfläche 16 gebildet, die sich gegen kegelförmig, ausgehend von der ersten Stirnfläche 11 in Richtung auf die zweite Stirnfläche 12 des Sensorelementes 10 mit integrierter Dichtfläche erstreckt.
Der Darstellung gemäß 4 ist ein Halbschnitt durch das in 3 in perspektivischer Ansicht dargestellte erfindungsgemäße Sensorelement mit integrierter Dichtfläche zu entnehmen.
Bei dem Sensorelement 10 mit integrierter Dichtfläche handelt es sich um ein rotationssymmetrisches Bauteil, welches symmetrisch zur Symmetrieachse 14 aufgebaut ist. Gemäß der Darstellung in 4 ist am Sensorkörper des Sensorelementes 10 unmittelbar der Dichtkonus 15, ausgehend von der ersten Stirnfläche 11 des Sensorelementes ausgebildet.
Die Neigung, der Kegelwinkel, mit welchem die Dichtfläche 16 des Dichtkonus 15 in Bezug auf die erste Stirnfläche 11 des Sensorelementes verläuft, ist durch Bezugszeichen 17 bezeichnet. Der Konuswinkel 17, liegt bevorzugt im Bereich zwischen 30° und 60°. Der von der Innenwand 18 begrenzte Hohlraum 30 des Sensorelementes 10 mit integrierter Dichtfläche gemäß der Darstellung in 4 ist von der Sensormembran 13 begrenzt. Eine Membran-Innenseite 19 weist dem Hohlraum 30 zu, während eine Membranaussenseite 20 die zweite Stirnfläche 12 des Sensorelementes 10 mit integrierter Dichtfläche darstellt. Auf der Oberseite der Membran-Aussenseite 20 werden die piezoresistiven Messelemente 8 angeordnet.
An der Aussenseite des Sensorelementes 10 gemäß der Darstellung in 4 ist oberhalb eines Krafteinleitungsbereiches 23 eine sich in Richtung auf die Innenwand 18 des Sensorelementes 10 erstreckende Entkopplungsnut 21 eingebracht. Im Krafteinleitungsbereich 23 weist das Sensorelement 10 mit integrierter Dichtfläche eine Ringfläche 24 auf. An dieser kann es in Umfangsrichtung beispielsweise mit einem Hüllrohr verschweißt werden, über welches die erforderlichen Kräfte eingeleitet werden können, um eine Abdichtung im Bereich des Dichtkonus 15 zu erreichen. Die Dichtfläche 16 des Dichtkonus 15 ist so beschaffen, dass durch die über die Ringfläche 24 im Krafteinleitungsbereich 23 eingeleiteten Dichtkräfte lediglich ein minimales Moment erzeugt wird, welches die Sensormembran 13 verformen kann.
Durch das Einbringen der Entkopplungsnut 21 in einer Nuttiefe 22 wird erreicht, dass die Verformungen im unteren Bereich des Sensorelementes 10, d.h. unterhalb der Entkopplungsnut 21, nicht in den oberen Bereich zur mit piezoresistiven Messelementen 8 versehenen Sensormembran 13 weitergeleitet werden. Die Entkopplungsnut 21 ist in einer Nuttiefe 22 sowie in einer Nutweite 25 beschaffen. Zur bestmöglichen mechanischen Entkopplung des Krafteinleitungsbereiches 23 von dem Bereich, in welchem die piezoresistiven Messelemente 8 des Sensorelementes 10 mit integrierter Dichtfläche 16 angeordnet sind, wird die Nuttiefe 22 möglichst in einer großen Nuttiefe 22 sowie in einer großen Nutweite 25 ausgelegt. Die Auslegung der Nuttiefe 22 sowie der Nutweite 25 ist individuell optimiert, so dass die mechanische Stabilität des Sensorelementes 10 mit integrierter Dichtfläche 16 gegen den innerhalb des Hohlraumes 30 herrschenden Innendruck und das zum Einschrauben des Sensorelementes 10 mit integrierter Dichtfläche erforderliche Anzugsdrehmoment noch gewährleistet ist.
Das erfindungsgemäße Sensorelement 10 mit integrierter Dichtfläche gemäß der Darstellung in 4 weist in seinem oberen Bereich einen ersten Durchmesser 27 auf. Der Maximaldurchmesser des Sensorelementes 10 mit integrierter Dichtfläche ist durch Bezugs zeichen 28 bezeichnet und liegt im Auslaufbereich der Dichtfläche 16 des Dichtkonus 15. Der mittlere Durchmesser der Dichtfläche 16 ist durch Bezugszeichen 29 angedeutet. Im Vergleich zu der in 1 dargestellten Schnittdarstellung eines aus dem Stande der Technik bekannten Sensorelementes weist das erfindungsgemäß vorgeschlagene Sensorelement mit integrierter Dichtfläche eine wesentlich geringere Bauhöhe 26 auf. Durch die Integration der Dichtfläche 16 des Dichtkonus 15 in den Körper des Sensorelementes 10 kann die Baugröße der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Sensoranordnung deutlich reduziert werden und dessen Sensormembran 13 auch unter berengten Bauraumverhältnissen nahe an das Messvolumen herangeführt werden. Dies ist mit der in 1 dargestellten Ausführungsvariante eines Sensorelementes aus dem Stande der Technik aufgrund des großen Abstandes zwischen der Sensormembran 6 und der Dichtfläche 4 nicht erreichbar. Der Dichtkonus 4 des aus dem Stande der Technik bekannten Sensorelementes ist weit hinter die Membran 6 zurückversetzt und durch die gesamte Länge des zapfenförmigen Körpers von dieser getrennt.
Anstelle der in 4 dargestellten Entkopplungsnut 21 mit gerundetem Querschnitt, lassen sich auch andere Entkopplungsgeometrien zwischen dem Krafteinleitungsbereich 23 zur Erzeugung der Dichtkraft und der Sensormembran 13 an der zweiten Stirnseite 12 des Sensorelementes 10 mit integrierter Dichtfläche ausbilden. Anstelle der in 4 dargestellten U-förmig profilierten Entkopplungsnut 21 könnte diese auch einen halbzylindrisch ausgebildeten Nutgrund aufweisen oder auch schlitzförmig ausgebildet sein. Die Geometrie der Entkopplungsnut 21 hinsichtlich der Nuttiefe 22 sowie hinsichtlich der Nutweite 25 variiert je nach den verwendeten Werkstoffen sowie den zur Verfügung stehenden Einbauraum für das erfindungsgemäß vorgeschlagene Sensorelement 10 mit integrierter Dichtfläche. Zur Erzielung einer optimalen mechanischen Entkopplung des Dichtkonus 15 an der ersten Stirnfläche 11 des Sensorelementes 10 und der an der zweiten Stirnfläche 12 des Sensorelementes 10 ausgebildeten Sensormembran 13 liegt die Entkopplungsnut 21 möglichst mittig zwischen der ersten Stirnfläche 11 und der zweiten Stirnfläche 12. Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Sensorelement 10 mit integrierter Dichtfläche gemäß den 3 und 4 stellt durch ein und dasselbe Bauteil die Funktionen Druck, Messung und Abdichtung des Drucksensors gegen das Gehäuse, in welches diese eingeschraubt ist, sicher.
Mittels eines Sensorhüllrohres 31 wird das Sensorelement 10 mit integrierter Dichtfläche 16 beispielsweise im Zylinderkopf einer Verbrennungskraftmaschine in der Nähe des Brennraumes angeordnet. Das Sensorhüllrohr 31 kontaktiert mit einer Stirnseite die Ringfläche 24 am Krafteinleitungsbereich 23. Die der Ringfläche 24 zuweisende Stirnseite des Sensorhüllrohres 31 kann auch mit der Ringfläche 24 im Wege einer in 4 angedeute ten stoffschlüssigen Verbindung 33 verbunden werden. Bei einem Einschrauben des Sensorhüllrohres 31, welches einen Gewindeabschnitt 32 aufweist, wird das Sensorelement 10 mit integrierter Dichtfläche 16 am Dichtkonus 15 dichtend im Zylinderkopf einer Verbrennungskraftmaschine aufgenommen. Durch die Entkopplungsnut 21 ist gewährleistet, dass die Sensormembran 13, auf deren Membran-Aussenseite 20 die piezoresistiven Messelemente 8 angeordnet sind, von Montagespannungen, welche das Messergebnis beeinträchtigen können, isoliert ist.
Das in 4 dargestellte Sensorelement 10 mit integrierter Dichtfläche 16 kann beispielsweise aus Edelstahl gefertigt sein und einen Durchmesser von etwa 5 mm aufweisen. Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Sensorelement 10 mit integrierter Dichtfläche kann auch in einem Durchmesser von z.B. 8,6 mm und größer gefertigt werden.

1: Sensorkörper
2: piezoresistives Drucksensorelement
3: Einschraubgewinde
4: Dichtkonus
5: Durchgangsbohrung
6: Sensormembran
7: Schweißnaht
8: piezoresistive Messelemente
10: Sensorelement mit integrierter Dichtfläche
11: erste Stirnfläche
12: zweite Stirnfläche
13: Sensormembran
14: Symmetrieachse
15: Dichtkonus
16: Dichtfläche
17: Konuswinkel
18: Innenwand
19: Membran-Innenseite
20: Membran-Aussenseite
21: Entkopplungsnut
22: Nuttiefe
23: Krafteinleitungsbereich
24: Ringfläche
25: Nutweite
26: Bauhöhe Sensorelement
27: erster Durchmesser
28: Maximaldurchmesser
29: mittlerer Durchmesser Dichtkonus
30: Hohlraum mit Messvolumen
31: Sensorhüllrohr
32: Gewindeabschnitt
33: stoffschlüssige Verbindung

Claims

Sensorelement zur Erfassung von Drücken oder Kräften mit einer Sensormembran (13), an deren Membranaussenseite (20) piezoresistive Messelemente (8) angeordnet sind und welcher eine Dichtfläche (15, 16) zur Abdichtung des Sensorelementes (10) gegen ein Gehäuse gegenüberliegt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Krafteinleitungsbereich (23, 24) zur Einleitung einer Dichtkraft von der Sensormembran (13) mechanisch entkoppelt ist.
Sensorelement gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Umfang des Sensorelementes zwischen dem Krafteinleitungsbereich (23, 24) und der Sensormembran (13) eine Entkopplungsnut (21) eingebracht ist.
Sensorelement gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper des Sensorelementes (10) einen Dichtkonus (15) aufweist, dessen Dichtfläche (16) in einem Konuswinkel (17) zwischen 30° und 60° verläuft.
Sensorelement gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtkonus (15) von einer ersten Stirnseite (11) ausgehend in einem Bereich des Sensorelements (10) angebracht ist, innerhalb dessen dieses seinen Maximaldurchmesser (28) aufweist.
Sensorelement gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Entkopplungsnut (21) in einer Nuttiefe (22) ausgebildet ist, die im wesentlichen der Differenz vom Maximaldurchmesser (28) und einem ersten Durchmesser (27) des Sensorelementes (10) entspricht.
Sensorelement gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Entkopplungsnut (21) im wesentlichen mittig zwischen der ersten Stirnseite (11) und der zweiten Stirnseite (12) des Sensorelementes (10) verläuft.
Sensorelement gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtkonus (15) in den die Sensormembran (13) enthaltenen Körper des Sensorelementes (10) integriert ist.