DE19538854C1 - Druckgeber zur Druckerfassung im Brennraum von Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Druckgeber nach der Gattung des Anspruchs 1. Bei aus der DE 41 06 102 A1 oder der DE 41 03 704 A1 bekannten Druckgebern ist im Gehäuse eine Bohrung ausgebildet, in der ein Stempel angeordnet ist. Die Bohrung wird auf der einen Seite von einer Membran abgeschlossen, an der auch das eine Ende des Stempels anliegt. Das andere Ende des Stempels steht mit einem Meßelement in Wirkverbindung. Zur Druckübertragung ist an diesem Ende des Stempels ferner eine Halbkugel angeklebt. Bei anderen Ausführungen sind die verschiedenen Elemente untereinander verklebt. Eine Verklebung von verschiedenen Elementen hat aber den Nachteil, daß diese Verbindungen in einer Serienfertigung schlecht und nur teuer zu verarbeiten sind. Die Verbindungen können im Laufe der Zeit ihre Form verändern, wodurch es bei absolut messenden Drucksensoren zu Nullpunktsveränderungen kommt. Besonders nachteilig können diese Veränderungen im Betrieb eintreten. Auch die Temperaturbeständigkeit dieser Klebeverbindungen ist nicht optimal. Auch bei den zwischen dem Meßelement und dem Stempel verwendeten Anprägeschichten treten über die Lebensdauer des Drucksensors Kriecheffekte auf, die zu unkontrollierten Nullpunktsveränderungen und somit zu einer Meßwertverfälschung führen.

Ferner ist in der EP 0 040 390 B1 ein Druckgeber der vorher erwähnten Art beschrieben, bei dem der Stempel und das Meßelement aneinanderliegen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Druckgeber der eingangs genannten Art die Nullpunktsdrift zu vermeiden. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Der erfindungsgemäße Druckgeber mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß keine Nullpunktsdrift während der Lebensdauer des Druckgebers mehr auftreten kann. Gleichzeitig baut der Druckgeber relativ einfach und preisgünstig. Es treten keine Veränderungen der Verbindungen zwischen einzelnen Elementen und keine Abnahme der Vorspannung des Stempels mehr auf. Durch den verwendeten Elastizitätsmodul der Materialien ist eine hohe Linearität der Meßkurve möglich. Da keine Veränderung der Geometrie einzelner Elemente möglich ist, ist eine hohe Stabilität der Empfindlichkeit dieser Meßkurve erreichbar. Ferner sind keine dämpfenden Schichten oder Elemente im Druckgeber vorhanden, so daß die Meßkurve eine geringe Hysterese aufweist.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen Druckgebers möglich.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Die Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen schematisch dargestellten Druckgeber,

Fig. 2 eine Einzelheit und

Fig. 3 eine Draufsicht auf das Meßelement.

In der Fig. 1 ist mit 10 das Gehäuse eines Druckgebers 11 zur Bestimmung des Drucks im Brennraum einer Brennkraftmaschine bezeichnet. Es weist eine mittige, durchgehende, abgesetzte Bohrung 12 auf. Die dem Brennraum zugewandte Öffnung 13 des Gehäuses 10 wird von einer Membran 14 abgeschlossen. Die Membran 14 ist im Bereich des Randes an der Stirnseite 15 des Gehäuses 10 angeschweißt. Am mittleren Bereich der Membran 14, das heißt im Biegebereich der Membran, liegt ein Stempel 18 mit seinem einen Ende an, der mit seinem anderen Ende auf ein Meßelement 19 einwirkt. Die Membran 14 selbst ist nicht zwingend notwendig. Der Druck kann auch direkt auf den Stempel eingeleitet werden. Als Meßelement können zum Beispiel piezoresistive Elemente oder auch piezoelektrische Elemente verwendet werden. Unter piezoresistiven Elementen sind Elemente zu verstehen, die ihren Widerstandswert unter Druckeinwirkung ändern. Hierzu können zum Beispiel Dickschichtwiderstände verwendet werden. Als Materialien können hierzu Cermet, Contactivplastik oder Metall etc. Verwendung finden. Das Meßelement 19 selbst besteht aus diesen Widerständen 25, die auf einem Träger 26 aus Silizium, einem sogenannten Silizium-Chip angeordnet sind, das heißt eingeätzt oder aufgedruckt sind. Mit diesem Träger 26 liegt das Meßelement 19 wiederum an einem Gegenlager 20 an, das in die Bohrung 12 eingesetzt und mit dem Gehäuse 10 fest verbunden ist. Auf dem Träger 26 des Meßelements 19 können, in der Figur nicht dargestellt, elektrische Bauteile einer Auswerteschaltung aufgebracht sein. Durch nicht dargestellte Bohrungen im Gegenlager 20 können die Ableitungen der Auswerteschaltung oder des Meßelements 19 aus dem Gehäuse 10 des Druckgebers 11 herausgeführt und einer nicht dargestellten Auswerteschaltung und Steuereinrichtung der Brennkraftmaschine zugeführt werden. Im Bereich der Öffnung 13 ist die Ausnehmung 21 ausgebildet, so daß die Öffnung 13 stufenförmige Gestalt hat.

Zwischen der Wand der Bohrung 12 und dem Stempel 18 befindet sich ein enger Spalt 23. Dieser Spalt 23 sollte möglichst gering gehalten sein, um eine gute Wärmeübertragung zwischen dem Gehäuse 10 und dem Stempel 18 zu ermöglichen. Ferner sollte auch eine seitliche Führung des Stempels 18 in der Bohrung 12 angestrebt werden.

In der Fig. 2 ist der Auflagebereich des Stempels 18 auf dem Meßelement 19 detaillierter dargestellt. Das Ende des Stempels 18 ist als Halbkugel 24 ausgebildet. Der Radius dieser Halbkugel 24 ist dabei so groß, daß der Kontaktbereich 29 zwischen der Halbkugel 24 und dem Meßelement 19, das heißt die Auflagefläche, bei Berücksichtigung der Elastizität des Materials des Meßelements 19, das heißt des Trägers 26 (des Silizium- Chips), nur eine bestimmte mechanische Spannung erreicht. Selbstverständlich dürfen in diesem Kontaktbereich 29 keine Verunreinigungen vorhanden sein, da diese Spannungsspitzen und somit Beschädigungen der Bauteile bewirken können. Als Verunreinigungen sind sowohl Verunreinigungen im Material des Stempels 18 und im Material des Meßelements 19 als auch sich im Spalt zwischen dem Stempel 18 und dem Meßelement befindende Teilchen zu verstehen. Ferner ist zu beachten, daß die Rauhigkeit der Oberfläche des Meßelements 19 annähernd der Rauhigkeit der Oberfläche der Halbkugel 24 des Stempels 18 entspricht. Anders ausgedrückt läßt sich sagen, daß die Differenz der Rauhigkeiten der Oberfläche der Halbkugel 24 und der Oberfläche des Meßelements 19 kleiner als ein Mikrometer sein sollte. Ferner ist die Fließgrenze des Materials des Stempels 18 kleiner als die Bruchgrenze des Meßelements 19. Geht man in einem Beispiel davon aus, daß der Radius der Halbkugel 24 des Stempels 18 R 20 (d. h. Radius mit 20 mm) beträgt, so ergibt sich ein Durchmesser des Kontaktbereichs 29 von zirka 0,3 mm. Die daraus resultierenden Spannungen liegen bei ca. 300 N/mm². Ferner liegt die Rauhigkeit des Siliziums, das heißt des Materials des Trägers 26 des Meßelements 19, im Bereich einiger Nanometer (nm). Die Rauhigkeit der Oberfläche der Halbkugel 24 des Stempels 18, der zum Beispiel aus Metall oder Keramik bestehen kann, liegt hierbei bei 100 Nanometer (nm). Silizium hat ferner eine wesentlich höhere Bruchfestigkeit als die Fließgrenze des Stempelmaterials, das heißt von ca. 500-600 N/mm².

Die Widerstände 25 des Meßelements 19 sind in Form einer Wheatstone′schen Brückenschaltung quadratisch auf dem Träger 26 des Meßelements 19 angebracht. Die Widerstände 25 liegen außerhalb des Kontaktbereichs 29. Ferner liegen die Widerstände 25 unter einer Passivierungsschicht 27 (Si₃N₄). Da diese Passivierungsschicht 27 eine geringere Festigkeit aufweist, ist im Kontaktbereich diese Passivierungsschicht entfernt. Silizium oder bei einem schichtförmigen Aufbau des Trägers 26 Silizium und auch Siliziumoxid (SiO₂) haben höhere Festigkeitswerte als die Passivierungsschicht 27. Ferner ist das Ende des Stempels 18 mit einem Gel 28 umgeben, so daß kein Schmutz in den Spalt 30 zwischen der Halbkugel 24 und dem Meßelement 19 eindringen kann.

Claims (9)

1. Druckgeber (11) zur Druckerfassung im Brennraum von Brennkraftmaschinen, insbesondere von Kraftfahrzeugen, in dessen Gehäuse (10) eine Bohrung (12) ausgebildet ist, wobei in der Bohrung (12) ein Stempel (18) angeordnet ist, der mit seinem einen Ende direkt auf einem Meßelement (19) aufliegt und auf dieses einwirkt, so daß ein dem zu bestimmenden Druck proportionales Meßsignal erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß die Fließgrenze des Werkstoffs des Stempels (18) kleiner als die Bruchgrenze des Materials des Meßelements (19) ist,
daß das eine auf dem Meßelement aufliegende Ende des Stempels (18) ballig ausgebildet ist, und
daß das ballige Ende des Stempels (18) mit einer so großen Kontaktfläche auf dem Meßelement (19) aufliegt, daß die auftretenden mechanischen Spannungen einen vorgegebenen Sollwert nicht überschreiten.

2. Druckgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz der Rauhigkeiten der Oberfläche des einen Endes des Stempels (18) und die Rauhigkeit der Oberfläche des Meßelements (19) kleiner als oder gleich zwei Mikrometer ( 2 µm) ist.

3. Druckgeber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz kleiner als oder gleich ein Mikrometer ( 1 µm) ist.

4. Druckgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßelement (19) ein Silizium-Chip (26) ist, in dem als Wheatstone′sche Brücke verschaltete Widerstände (25) angeordnet sind.

5. Druckgeber nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände piezoresistive Widerstände (25) sind.

6. Druckgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stempel (18) in der Bohrung (12) des Gehäuses (10) geführt ist.

7. Druckgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Ende der Bohrung (12) mit einer Membran (14) abgeschlossen ist und daß das andere Ende des Stempels (18) an der Membran (14) anliegt.

8. Druckgeber nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Widerstände und eine diese abdeckende Passierungsschicht außerhalb des Kontaktbereichs von Stempel und Meßelement befinden.

9. Druckgeber nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich im Spalt zwischen der Oberfläche des Meßelements (19) und der Oberfläche des Stempels (18) und wenigstens teilweise auf der Passivierungsschicht (27) eine gelartige Masse (28) befindet.