DE19647408C1

DE19647408C1 - Druckaufnehmer

Info

Publication number: DE19647408C1
Application number: DE19647408A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr Mader; Lorenz Pfau
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 1996-03-21
Filing date: 1996-11-15
Publication date: 1997-11-13
Anticipated expiration: 2016-11-16

Description

Die Erfindung betrifft einen Druckaufnehmer gemäß Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Ein solcher Druckaufnehmer (WO 93/07457) weist eine über ei ner Kammer angeordnete Membran auf, die unter Einwirkung ei ner Druckänderung ausgelenkt wird. Der Druckaufnehmer weist ferner eine Signalvorrichtung zur Abgabe eines elektrischen Signals in Abhängigkeit von der Auslenkung der Membran auf. Weist die Kammer ein Vakuum auf, so wird von der Signalvor richtung ein zum herrschenden Absolutdruck proportionales elektrisches Signal geliefert. Der Absolutdruck setzt sich additiv aus dem in der Umgebung des Druckaufnehmers vorherr schenden Umgebungsdruck und einer Druckänderung des Umge bungsdrucks zusammen.

Weist das Medium in der Kammer des Druckaufnehmers nicht den Druck Null sondern Umgebungsdruck auf, so wird mit einem sol chen Druckaufnehmer eine Druckänderung anstelle des Absolut drucks gemessen: Der Druckaufnehmer liefert dann ein Druckän derungssignal - auch Differenzdrucksignal genannt -, das eine Abweichung des augenblicklichen Drucks vom vorherrschenden Umgebungsdruck anzeigt.

Viele druckabhängige Steueranordnungen benötigen zur Bewer tung von Druckereignissen nicht ein Absolutdruck- oder ein Druckänderungssignal sondern ein Relativdrucksignal. Der Re lativdruck ist durch die auf den Umgebungsdruck bezogene Druckänderung bestimmt und damit im Gegensatz zum Absolut druck und zur Druckänderung umgebungsdruckunabhängig.

Wird beispielsweise ein Druckaufnehmer gemäß WO 94/11223 in einer Steueranordnung zum Auslösen eines Rückhaltemittels für den Seitenaufprallschutz in einem Kraftfahrzeug verwendet, wobei der Druckaufnehmer einen aus einem Aufprall herrühren den Druckanstieg in einem Fahrzeugseitenteil erkennt, so wür de eine von einem Absolutdruckaufnehmer oder einem Druckände rungsaufnehmer geliefertes und unter Einwirkung ein und des selben Druckereignisses hervorgerufenes Signal abhängig vom Umgebungsdruck unterschiedliche Amplituden aufweisen. Der Um gebungsdruck - und hier insbesondere der Umgebungsluftdruck eines Kraftfahrzeugs - ändert sich jedoch insbesondere in Ab hängigkeit von der Höhe, der Temperatur und der Feuchtigkeit, der das Fahrzeug ausgesetzt ist.

Aus der US 3 717 038 wird die auf den Umgebungsdruck bezogene Druckänderung am Ausgang eines Regelkreises abgegriffen, wo bei der Sollwert des Reglers von einem Druckänderungsaufneh mer vorgegeben wird und ein den Umgebungsdruck messender Ab solutdruckaufnehmer derart in der Rückführung des Regelkrei ses angeordnet ist, daß seine Spannungsversorgung durch die Regelgröße bestimmt ist und sein Ausgangssignal als Ist-Größe dem Regler zugeführt wird.

Aus der DE 195 06 014 A1 ist ein Regelkreis bekannt, bei dem das Ausgangssignal eines Absolutdruckaufnehmers verarbeitet wird: Niederfrequente, umgebungsdruckabhängige Änderungen im Absolutdrucksignal werden durch einen Regeler mit integrie rendem Verhalten ausgeregelt. Die Empfindlichkeit des Druck aufnehmers ändert sich dabei umgekehrt proportional zum Umge bungsdruck. Höherfrequente Druckänderungen im Signal des Druckaufnehmers werden nicht ausgeregelt und liefern infolge der mit dem Umgebungsdruck geänderten Empfindlichkeit des Druckaufnehmers ein auf den Umgebungsdruck bezogenes Druckän derungssignal.

Beide Lösungen zum Erzeugen einer auf den Umgebungsdruck be zogenen Druckänderung erfordern eine große Anzahl an Bautei len; insbesondere Filter, Sensoren, Verstärker und sonstige Regelkreiseinrichtungen.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen Druckaufnehmer zu schaffen, der mit einfachen Mitteln ein Relativdrucksignal liefert.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Pa tentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Un teransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen schematisch:

Fig. 1 einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Druckauf nehmers ohne Einwirkung einer Druckänderung,

Fig. 2 einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Druckauf nehmers unter Einwirkung einer Druckänderung,

Fig. 3 einen Querschnitt eines weiteren erfindungsgemäßen Druckaufnehmers unter Einwirkung einer Druckände rung,

Fig. 4 einen Querschnitt eines bekannten Absolutdruckauf nehmers unter Druckeinwirkung und

Fig. 5 einen Querschnitt eines bekannten Differenzdruck aufnehmers unter Einwirkung einer Druckänderung.

Gleiche Elemente und Größen sind figurenübergreifend durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

Fig. 4 zeigt den Querschnitt eines Absolutdruckaufnehmers mit einer Membran 1, die über einer Kammer 2 angeordnet ist. Die Kammer 2 ist in ihrem Querschnitt durch drei Kammerwände 21, 22 und 23 sowie die Membran 1 festgelegt. In der Kammer 2 herrscht der Druck p=0. Auf der Membran 1 sind Meßwider stände 41 angeordnet, die ein zur Membranauslenkung Δx pro portionales Signal liefern. Die Auslenkung Δx der Membran 1 ist proportional zu der auf sie von außen einwirkenden Druck kraft P_A. Diese von außen einwirkende Druckkraft P_A ist be stimmt durch die wirksame Fläche A der Membran 1 und den Ab solutdruck p_a, auch Außendruck oder Gesamtdruck genannt, der sich additiv aus dem Umgebungsdruck p₀ und einer Druckände rung Δp des Umgebungsdrucks p₀ zusammensetzt. Die Druckände rung Δp entspricht damit dem Absolutdruck p_a abzüglich des Umgebungsdrucks p₀.

Fig. 5 zeigt den Querschnitt eines bekannten Druckänderungs aufnehmers, dessen Signalvorrichtung 4 - ebenfalls auf der Membran 1 angeordnete Meßwiderstände 41 - ein zu einer Druckänderung Δp proportionales elektrisches Signal liefert. In der Kammer 2 herrscht der Umgebungsdruck p₀. Aufgrund des zu beiden Seiten der Membran 1 herrschenden Umgebungsdrucks p₀ ist eine durch eine Druckänderung Δp hervorgerufene Aus lenkung Δx der Membran 1 proportional zur Druckänderung Δp des Druckereignisses.

Ausgehend von Fig. 1 wird der erfindungsgemäße Druckaufneh mer beschrieben, der ein Signal proportional zu einer auf den Umgebungsdruck p₀ bezogenen Druckänderung Δp=p_a-p₀ lie fert. Sein Signal ist unabhängig vom Umgebungsdruck p₀ und damit unabhängig von Temperatur, Höhe oder Wetter. Dabei ist kein Schaltungsaufwand erforderlich. Filter, Divisoren, Ver stärker oder weitere Druckaufnehmer sind nicht erforderlich.

Die Kammer 2 ist wiederum durch die Kammerwände 21, 22 und 23 und die Membran 1 festgelegt. Die Kammerwand 22 weist ein Druckausgleichelement 3 in Form eines Lochs auf, durch das die Kammer 2 mit der Umgebung verbunden ist. Durch das Druck ausgleichelement 3 wird ein Druckausgleich zwischen Kammer 2 und Umgebung erzielt, so daß sowohl Kammer 2 als auch Umge bung denselben Umgebungsdruck p₀ aufweisen. Bei der Bemessung der Zeitkonstante des Druckausgleichelements 3 ist zu berück sichtigen: Eine Zeitkonstante kleiner der maximalen Zeitdauer der aufzunehmenden Signale ist zu vermeiden, da aufzunehmende Druckänderungen durch das Druckausgleichelement ausgeglichen würden. Eine Zeitkonstante sehr viel größer der Zeitdauer ei ner aufzunehmenden Druckänderung ist zu vermeiden, da der Druckaufnehmer andernfalls bei einer langsamen Umgebungs druckänderung ohne Vorliegen einer durch ein Druckereignis hervorgerufenen schnellen Druckänderung ein Signal liefern würde oder bei Vorliegen eines Druckereignisses ein vom Umge bungsdruck abhängiges und damit verfälschtes Signal liefern würde.

Sollen beispielsweise Druckereignisse mit einer maximalen Pe riodendauer T₁ aufgenommen werden, so ist die Zeitkonstante T₂ des Druckausgleichelements 3 vorzugsweise größer 10 T₁, so daß der Druckausgleich zwischen Kammer 2 und Umgebung frühe stens zum Zeitpunkt T₂=10 T₁ vollzogen ist. Bei einer Ver wendung des erfindungsgemäßen Druckaufnehmers zur Seitenauf prallerkennung bei einem Kraftfahrzeug weist ein für einen Seitenaufprall charakteristisches Drucksignal eine maximale Periodendauer von etwa 50 msec auf. Die für einen Druckaus gleich zur Verfügung stehende Zeit sollte daher mindestens eine halbe Sekunde betragen. Bei dieser Anwendung des Druck aufnehmers kann sich ferner der Umgebungsdruck p₀ infolge von Temperatur- oder Höhenänderung im Minuten- und Stundenbereich verändern, so daß die Zeitkonstante für den Druckausgleich etliche Sekunden bis wenige Minuten betragen sollte. Je nach Verwendungszweck wird die Zeitkonstante des Druckausgleiche lements 3 dementsprechend festgelegt.

Das Druckausgleichelement kann als doch in einer der Kammer wände 21, 22 oder 23 oder aber auch gemäß Fig. 2 als Loch in der Membran 1 ausgebildet sein. Bei einem Druckausgleich im Sekunden-/Minutenbereich weist ein solches Loch vorzugsweise einen Durchmesser von etwa 1 bis 2 µm auf. Der Druckausgleich kann auch durch eine schwach durchlässige Membran 1 oder eine schwach durchlässige Schicht in einer der Kammerwände 21 bis 23 ausgebildet sein.

In Fig. 1 wirkt keine Druckänderung auf den Druckaufnehmer ein. Der Umgebungsdruck p₀ ist gleich dem Absolutdruck p_a, der Innendruck p_i in der Kammer 2 ist ebenfalls gleich dem Umgebungsdruck p₀. Die Kammer 2 weist bei nicht ausgelenkter Membran 1 ein Innenvolumen V auf.

Erfolgt in der Umgebung des Druckaufnehmers gemäß Fig. 2 ei ne Druckänderung Δp, so setzt sich der Absolutdruck p_a addi tiv aus dem Umgebungsdruck p₀ und der Druckänderung Δp zusam men. Die Membran 1 wird in die Kammer 2 gedrückt und um den Weg Δx ausgelenkt. Das Innenvolumen V der Kammer 2 ist um das Volumen ΔV verringert. Der Innendruck p_i in der Kammer 2 setzt sich aus dem Umgebungsdruck p₀ zuzüglich der mit dem Umgebungsdruck p₀ multiplizierten und auf das Innenvolumen V bezogenen Volumenänderung ΔV zusammen.

Das Kräftegleichgewicht an der Membran bei Einwirkung einer Druckänderung lautet wie folgt:

F_R + P_I = P_A

mit
F_R = k * Δx, und
F_R = mechanische Rückstellkraft der Membran 1,
K = Federkonstante der Membran 1,
Δx = Auslenkung der Membran 1,
mit P_I = p_i _* A, wobei

und
p₀ = Umgebungsdruck,
V = Innenvolumen bei nicht ausgelenkter Membran 1,
ΔV = Volumenänderung aufgrund der Druckänderung Δp,
A = wirksame Membranfläche,
mit P_A = p_a _* A, wobei p_a = p₀ + Δp, und
p₀ = Umgebungsdruck,
Δp = Druckänderung,
A = wirksame Membranfläche.

Aus diesen Gleichungen ergibt sich für die Auslenkung Δx der Membran 1:

Wird nun der Druckaufnehmer derart gestaltet, daß

ist, so ist die Auslenkung Δx der Membran 1 in etwa propor tional zu und damit proportional zur auf den Umgebungs druck p₀ bezogenen Druckänderung Δp.

Je kleiner also die Federkonstante k der Membran 1 im Ver gleich zu der mit dem Umgebungsdruck p₀ multiplizierten qua drierten Membranfläche A bezogen auf das Kammervolumen V ist, desto geringere Nichtlinearitäten weist die Auslenkung Δx be züglich der auf den Umgebungsdruck p₀ bezogenen Druckänderung Δp auf.

Der für die Auslegung des Druckaufnehmers relevante Umge bungsdruck p₀ bewegt sich je nach Verwendung des Druckaufneh mers in einem bestimmten Bereich. Dabei existiert immer ein Mindestumgebungsdruck p_0min, ab dem ein Einsatz des Druckauf nehmers als sinnvoll erscheint. Die Federkonstante k der Mem bran 1 ist deshalb kleiner bemessen als die mit dem Minde stumgebungsdruck p_0min multiplizierte quadrierten Membranflä che A bezogen auf das Kammervolumen V, vorzugsweise kleiner als der fünfte Teil, und insbesondere kleiner als der zehnte Teil. Für die konstruktive Ausgestaltung des Druckaufnehmers bedeutet dies, daß die Federkonstante k der Membran und damit ihre Rückstellkraft F_R verhältnismäßig gering ausgebildet ist, bei einer relativ großen wirksamen Membranfläche A, und bei einem klein ausgebildeten Kammervolumen V. Eine groß aus gebildete Membranfläche A und geringes Kammervolumen V bedin gen eine geringe Bauhöhe der Kammer 2 bzw. des Druckaufneh mers.

Die Fig. 2 und 3 zeigen unterschiedliche Signalvorrichtun gen zur Weg-/Spannungsumsetzung bzw. Weg-/Stromumsetzung: Ge mäß Fig. 2 sind piezoresistive Meßwiderstände 41 auf der Membran 1 angebracht und derart verschaltet, daß das von der Signalvorrichtung 4 abgegebene elektrische Signal proportio nal zur Auslenkung Δx der Membran ist. Gemäß Fig. 3 ist der Druckaufnehmer als Schalter ausgebildet, dessen Signalvor richtung 4 bei Überschreiten einer Grenzauslenkung Δxs der Membran 1 ein elektrisches Signal abgibt. Dazu ist etwa mit tig auf der Membran 1 ein erstes Kontaktelement 42 angeord net, an einer der Kammerwände 21 bis 23 befestigt ragt ein zweites Kontaktelement 43 in die Kammer 2, so daß der Druck aufnehmer bei Überschreiten der Mindestauslenkung Δxs durch eine elektrisch leitende Verbindung zwischen erstem und zwei tem Kontaktelement 42 und 43 ein Schaltsignal liefert.

Vorzugsweise ist der Druckaufnehmer mikromechanisch und dabei als Siliciumchip ausgebildet. Die wirksame Membranfläche A weist dabei etwa eine Fläche von vorzugsweise 0,1 bis 10 mm² auf, vorzugsweise etwa 1 mm². Die dazugehörige Federkonstante k der Membran 1 liegt dabei in einem Bereich von etwa 1 bis 100 N/cm, vorzugsweise etwa 10 N/cm.

Vorzugsweise dient der Druckaufnehmer der Luftdruckmessung, wobei die Kammer 2 luftgefüllt ist.

Vorzugsweise wird der Druckaufnehmer in einem Kraftfahrzeug verwendet. Wird der Druckaufnehmer beispielsweise zur Luft druckerkennung in einem Kraftfahrzeug verwendet, so liegt der Wert für den Mindestumgebungsdruck T_0min, bei dem der Druck aufnehmer noch ein auf den Umgebungsdruck bezogenes Diffe renzdrucksignal mit akzeptablem Fehler liefern soll, bei etwa 0,6 bar, was einem Aufenthaltsort des Fahrzeugs auf etwa 4000 Meter Höhe über dem Meeresspiegel bei Normatmosphäre ent spricht. Vorzugsweise beträgt der Mindestumgebungsdruck p_0min mindestens 0,79 bar, was einer Höhe von 2000 m bei Normatmo sphäre entspricht. Bei anderen industriellen Anwendungen des Druckaufnehmers richtet sich der Mindestumgebungsdruck gege benenfalls nicht nach der maximalen Höhe über dem Meeresspie gel, in der der Druckaufnehmer eingesetzt werden kann, son dern insbesondere nach der Umgebungstemperatur. Zur Bestim mung des Mindestumgebungsdrucks beispielsweise bei Gas- oder Flüssigkeitsdruckmessungen ist beispielsweise insbesondere die Minimaltemperatur der Umgebung die bestimmende Größe.

Claims

1. Druckaufnehmer für den Einsatz in einer Umgebung mit ei nem Mindestumgebungsdruck (p_0min) mit einer über einer Kammer (2) angeordneten Membran (1), die unter Einwirkung einer Druckänderung (Δp) ausgelenkt wird, mit einem Druckausglei chelement (3) zum Druckausgleich für langsame, nicht zu er fassende Druckänderungen zwischen Kammer (2) und Umgebung und mit einer Signalvorrichtung (4) zur Abgabe eines elektri schen Signals in Abhängigkeit von der Auslenkung (Δx) der Membran (1), dadurch gekennzeichnet, daß die Federkonstante (k) der Membran (1) kleiner ist als die mit dem Mindestumge bungsdruck (p_0min) multiplizierte quadrierte Membranfläche (A) bezogen auf das Kammervolumen (V) bei nicht ausgelenkter Mem bran (1).

2. Druckaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Federkonstante (k) der Membran (1) wesentlich kleiner ist als die mit dem Mindestumgebungsdruck (p_0min) multipli zierte quadrierte Membranfläche (A) bezogen auf das Kammervo lumen (V) bei nicht ausgelenkter Membran (1).

3. Druckaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Federkonstante (k) der Membran (1) kleiner ist als der fünfte Teil der mit dem Mindestumgebungsdruck (p_0min) mul tiplizierten quadrierten Membranfläche (A) bezogen auf das Kammervolumen (V) bei nicht ausgelenkter Membran (1).

4. Druckaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckausgleichelement (3) als Loch in einer Kammer wand (21, 22, 23) oder als Loch in der Membran (1) ausgebildet ist.

5. Druckaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckausgleichelement (3) als durchlässige Schicht in einer Kammerwand (21, 22, 23) oder als durchlässige Schicht in der Membran (1) ausgebildet ist.

6. Druckaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (2) luftgefüllt ist.

7. Druckaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalvorrichtung (4) zumindest einen auf der Membran (1) angeordneten Meßwiderstand (41) enthält.

8. Druckaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalvorrichtung (4) ein erstes auf der Membran (1) angeordnetes Kontaktelement (41) und ein zweites in der Kam mer (2) angeordnetes Kontaktelement (42) aufweist.

9. Druckaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er in einem Kraftfahrzeug angeordnet ist.

10. Druckaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er in einem Seitenteil eines Kraftfahrzeugs angeordnet ist.