DE19715276A1 - Füllstandssensor, insbesondere zur Messung von Flüssigkeitsfüllständen in Kraftfahrzeugen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Füllstandssensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiger Füllstandssensor ist aus der EP 0 675 344 A1 vorbekannt. Bei dem dortigen Füllstandssensor sind jedem temperaturabhängigen Widerstand separate Heizelemente in Form von Heizwiderständen räumlich zugeordnet. Dadurch wird der vorbekannte Füllstandssensor fertigungs- und kostenaufwendig, weil jeder einzelne Heizwiderstand separat auf dem Füllstandssensor montiert werden muß bzw. besondere Bauteile, die eine Kombination aus temperaturabhängigem Widerstand und Heizwiderstand darstellen, erforderlich sind.

Die Erfindung hat die Aufgabe, einen Füllstandssensor zu schaffen, der besonders einfach und kostengünstig herstellbar ist und der dennoch eine hohe Meßgenauigkeit bei der Messung des Flüssigkeitsfüllstandes ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die Kennzeichenmerkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Dadurch, daß die Heizmittel ein Flächenheizelement aufweisen, das sich über den zu messenden Bereich des Flüssigkeitsfüllstandes erstreckt, ist anders als beim Vorbekannten nur ein derartiges Flächenheizelement erforderlich, daß zugleich alle temperaturabhängigen Widerstände aufheizen kann.

Dadurch wird der erfindungsgemäße Füllstandssensor gegenüber dem Vorbekannten konstruktiv wesentlich einfacher und auch der Aufwand zur Herstellung des erfindungsgemäßen Füllstandssensors ist gegenüber dem Vorbekannten deutlich verringert.

Darüber hinaus ergibt sich der weitere Vorteil, daß durch die gleichzeitige Beheizung aller temperaturabhängigen Widerstände durch ein Flächenheizelement eine unerwünschte ungleichmäßige Beheizung verschiedener temperaturabhängiger Widerstände bei entsprechender konstruktiver Auslegung weitgehend vermieden werden kann, was auch die Meßgenauigkeit des erfindungsgemäßen Füllstandssensors gegenüber dem Vorbekannten erhöhen kann.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Füllstandssensors gehen aus den Unteransprüchen hervor.

So ist es besonders vorteilhaft, wenn die Heizmittel zwei Flächenheizelemente aufweisen, die sich über den zu messenden Bereich des Flüssigkeitsfüllstandes erstrecken, wobei diese beiden Flächenheizelemente durch einen Spalt getrennt sind. Im Bereich des Spaltes ist dann nämlich gegebenenfalls der Abgleich der einzelnen temperaturabhängigen Widerstände durch Lasertrimmung im Fall der Ausbildung der temperaturabhängigen Widerstände als Dickschichten möglich.

Um eine unterschiedliche Beheizung der temperaturabhängigen Widerstände, abhängig von der Temperatur der zu messenden Flüssigkeit und abhängig davon, ob die einzelnen Widerstände in die Flüssigkeit eingetaucht sind oder nicht, zu vermeiden, ist es besonders vorteilhaft, wenn der Temperaturkoeffizient der Flächenheizelemente möglichst gering ist. Ideal wäre die Verwendung eines Materials für Flächenheizelemente, deren Temperaturkoeffizient 0 beträgt.

Es ist weiterhin besonders vorteilhaft, wenn zusätzlich zu den temperaturabhängigen Widerständen ein temperaturabhängiger Referenzwiderstand vorgesehen ist, der außerhalb der Widerstandskette angeordnet ist. Der Referenzwiderstand dient dabei dem Vergleich seines Widerstandswertes mit den gemessenen Widerstandswerten der übrigen Widerstände in der Kette.

Um eine thermische Ankoppelung der Flächenheizelemente an die Widerstände und/oder den Referenzwiderstand zu gewährleisten und zu gleich eine elektrische Isolierung zwischen den Flächenheizelementen und den Widerständen bzw. dem Referenzwiderstand zu ermöglichen, ist es besonders vorteilhaft, wenn zwischen den Flächenheizelementen und den Widerständen bzw. dem Referenzwiderstand eine insbesondere als Dickschicht ausgebildete Trennschicht angeordnet ist. Diese Trennschicht kann beispielsweise aus dielektrischem Material bestehen, das gute elektrische Isolation und dennoch eine gute Wärmeleitung gewährleistet.

Die Widerstände und/oder der Referenzwiderstand und/oder die Flächenheizelemente können besonders vorteilhaft durch eine Abdeckschicht, insbesondere aus Glas, von der Flüssigkeit getrennt sein, so daß die Verwendung des erfindungsgemäßen Füllstandssensors auch in chemisch aggressiven Medien möglich ist, ohne langfristig eine Beschädigung oder Zerstörung des Füllstandssensors befürchten zu müssen.

Der gesamte erfindungsgemäße Füllstandssensor kann besonders vorteilhaft als elektrische Dickschichtschaltung aufgebaut werden. In diesem Fall können sowohl die Flächenheizelemente als auch die Widerstände und der Referenzwiderstand als auch die Trennschicht und die Abdeckschicht als Dickschichten auf einem insbesondere keramischen Substratträger ausgebildet werden. Derartige Dickschichtschaltungen weisen eine hohe Stabilität gegen Umwelteinflüsse, insbesondere auch gegen Vibrationen auf, wie sie häufig im Kraftfahrzeug auftreten.

Die Widerstandswerte der Widerstände werden besonders vorteilhaft jeweils getrennt voneinander gemessen und ausgewertet, um Meßungenauigkeiten bei der Messung des Flüssigkeitsfüllstandes zu vermeiden. Die hierzu erforderlichen Auswerteschaltungen sind dem zuständigen Fachmann bekannt. Um die Zahl der in diesem Zusammenhang erforderlichen elektrischen Anschlüsse am Füllstandssensor gering zu halten, kann in diesem Zusammenhang eine Anordnung der temperaturabhängigen Widerstände in einer sogenannten Kreuzmatrix vorgesehen werden. Dabei ist jeweils eine vorgegebene Teilanzahl der vorhandenen Widerstände jeweils gemeinsam mit einem der elektrischen Anschlüsse miteinander verbunden.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Füllstandssensors ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 schematisch einen Füllstandssensor in einer Aufsicht;

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Füllstandssensor gemäß Fig. 1 gemäß der Schnittebene AA in Fig. 1;

Fig. 3 bis 9 einen Dickschichtaufbau eines in Dickschichttechnik aufgebauten Füllstandssensors gemäß dem Prinzip in den Fig. 1 und 2 jeweils getrennt nach den verschiedenen Schichten und

Fig. 10 den in Dickschichttechnik gemäß den Fig. 3 bis 9 aufgebauten Füllstandssensor in einer Gesamtansicht.

In der Fig. 1 weist der Füllstandssensor, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Sensor zur Messung eines Motorölstandes der Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges ausgebildet ist, einen keramischen Substratträger (1) als Trägermaterial auf. Auf diesem Trägermaterial (1) ist eine Heizschicht (2) angeordnet, die als Flächenheizelement gemäß der Erfindung wirkt und den Bereich der möglichen Flüssigkeitsfüllstandsschwankungen in der Motorölwanne des Kraftfahrzeuges überspannt. Der zugehörige Flüssigkeitsfüllstand ist in der Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 10 gekennzeichnet. Auf der Heizschicht (2) ist eine Trennschicht (3) aus dielektrischem Material angeordnet, die als Isolator zwischen der Heizschicht (2) und den Sensorelementen (4) wirkt, die als temperaturabhängige Widerstände ausgebildet sind.

Auf der Heizschicht (2) der Trennschicht (3) und den Sensorelementen (4) ist eine Abdeckschicht (5) angeordnet, die aus einem Glas oder glasähnlichem Material besteht und den Füllstandssensor gemäß der Fig. 1 und 2 gegen den direkten Kontakt mit dem umgebenden Motoröl schützt. Zusätzlich zu den temperaturabhängigen Widerständen (4), die als eigentliche Füllstandssensorelemente wirken, ist ein temperaturabhängiger Referenzwiderstand oder ein Referenzelement (6) auf dem keramischen Substratträger (1) angeordnet, dessen gemessener Widerstandswert mit den gemessenen Widerstandswerten der einzelnen temperaturabhängigen Widerstände (4) verglichen wird. Die hierzu erforderliche Auswerteeinheit ist in den Figuren nicht dargestellt, da sie in ihrem prinzipiellen Aufbau dem zuständigen Fachmann bekannt ist.

In der Fig. 2 sind gleiche Einrichtung steile mit denselben Bezugszeichen versehen. Aus der Fig. 2 geht insbesondere der Schichtaufbau der Dickschichtanordnung gemäß den Fig. 1 und 2 beginnend bei dem Trägermaterial (1) über die Heizschicht (2), die Trennschicht (3), die Sensorelemente (4) bis hin zur Abdeckschicht (5) deutlich hervor.

In den Fig. 3 bis 9 sind nun die einzelnen Schichten einer Dickschichtanordnung gemäß dem prinzipiellen Aufbau nach den Fig. 1 und 2 für einen konkret darzustellenden Füllstandssensor beschrieben. Dabei stellt die in Fig. 3 dargestellte Schicht die erste auf das Trägermaterial (1) aufzubringende Schicht dar. Auf dieser Schicht wird mit der Schicht gemäß Fig. 4 fortgefahren usw., so daß als letzte Schicht die Schicht gemäß Fig. 9 aufgebracht wird.

Die erste Schicht gemäß Fig. 3 ist eine erste Leiterbahnschicht (7), die auf dem keramischen Substratträger (1) angeordnet ist. Diese erste Leiterbahnschicht dient zum elektrischen Anschluß der Sensorelemente (4) und stellt Lötpads für Multiplexer ICs und eine Bandleitung dar, die in den Figuren nicht näher erläutert sind. Bei dieser ersten Leiterbahnschicht handelt es sich um eine gut elektrisch leitende Schicht. Die zweite aufzubringende Schicht gemäß Fig. 4 ist die Heizschicht (2), die in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel aus zwei Flächenheizelementen (2) besteht, die durch einen Spalt (11) voneinander getrennt sind.

Die Heizfläche des Flächenheizers ist geteilt, weil der Spalt für den elektrischen Abgleich der darüberliegenden Sensorelemente (4) benötigt wird. Daran anschließend wird gemäß Fig. 5 eine Trennschicht (3) auf den keramischen Substratträger (1) aufgebracht, die der elektrischen Isolierung zwischen der Heizschicht (2) und den Sensorelementen (4) sowie zwischen den Leiterbahnschichten (7) und (8) dient. Als nächste Schicht folgt gemäß Fig. 6 eine zweite Leiterbahnschicht (8), die die erforderlichen elektrischen Querverbindungen unter anderem zwischen den Leiterbahnen der ersten Leiterbahnschicht (7) und den Sensorelementen (4) herstellt. Auch diese zweite Leiterbahnschicht besteht aus gut elektrisch leitfähigem Material.

Anschließend werden gemäß Fig. 7 die Sensorelemente (4) und das Referenzelement (6) auf dem Trägermaterial (1) aufgebracht. Im vorliegenden Fall handelt es sich um insgesamt 64 temperaturabhängige Widerstände (4), die unterschiedliche Abstände aufweisen und damit eine unterschiedliche Auflösung bei der Messung des Motorölfüllstandes ermöglichen und um einen temperaturabhängigen Referenzwiderstand (6). Die Paste, aus der die Sensorelemente (4) und das Referenzelement (6) gebildet werden, weist elektrisches PTC-Verhalten auf, wobei der Temperatur-Koeffizient vergleichsweise groß ist.

Die nächste Dickschicht gemäß Fig. 8 st die Abdeckschicht (5), die vorteilhaft aus Glas oder einem glasähnlichen Material besteht. Diese Abdeckung kann jedoch im Fall der Messung des Motorölfüllstandes gegebenenfalls entfallen, wenn das Motoröl keine chemisch aggressiven Bestandteile enthält. Es ist auch möglich, die Aufbringung dieser Schicht in Form von Siebdrucklack durchzuführen. Als letzte Schicht gemäß Fig. 9 wird auf dem keramischen Substratträger (1) ein Lötpastendruck (9) aufgebracht. Diese Lötpaste ist für die anschließende Reflow-Lötung der ICs und der Bandkabel zur elektrischen Verbindung des Füllstandssensors mit einem in den Figuren nicht dargestellten Auswertegerät erforderlich.

In der Fig. 10 sind gleiche oder gleichwirkende Einrichtungsteile wie in den Fig. 1 bis 9 mit denselben Bezugszeichen versehen. In dieser Fig. 10 wird nochmals deutlich, wie die verschiedenen Dickschichtpasten-Aufdrucke gemäß den Fig. 3 bis 9 sich letztlich zu dem Gesamtlayout der Dickschichtanordnung zum Aufbau des erfindungsgemäßen Füllstandssensors ergänzen. Die Länge des tatsächlich aufgebauten Sensors beträgt insgesamt 90 mm und seine Breite etwa 20 mm, so daß die Darstellungen gemäß den Fig. 3 bis 10 sehr stark vergrößert sind. Ein derartiger Aufbau wäre mit diskreten Sensorelementen (4) und separaten Heizelementen gemäß dem vorbekannten Stand der Technik kaum realisierbar.

Claims (10)

1. Füllstandssensor, insbesondere zur Messung von Flüssigkeitsfüllständen in Kraftfahrzeugen mit einer Kette aus temperaturabhängigen Widerständen, die sich über den zu messenden Bereich des Flüssigkeitsfüllstandes erstreckt und mit Mitteln zur Beheizung der Widerstände, wobei die Widerstände thermisch mit ihrer Umgebung gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizmittel mindestens ein Flächenheizelement (2) aufweisen, das sich über den zu messenden Bereich des Flüssigkeitsfüllstandes (10) erstreckt.

2. Füllstandssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizmittel zwei Flächenheizelemente (2) aufweisen, die durch einen Spalt (11) getrennt sind.

3. Füllstandssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturkoeffizient der Flächenheizelemente (2) möglichst gering ist.

4. Füllstandssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenheizelemente (2) als Dickschicht auf einem insbesondere keramischen Substratträger (1) ausgebildet sind.

5. Füllstandssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu den temperaturabhängigen Widerständen (4) ein temperaturabhängiger Referenzwiderstand (6) vorgesehen ist, der dem Vergleich mit den gemessenen Widerstandswerten der Widerstände (4) dient.

6. Füllstandssensor nach Anspruch 1 und/oder Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände (4) und/oder der Referenzwiderstand (6) als Dickschicht auf einem insbesondere keramischen Substratträger (1) ausgebildet ist.

7. Füllstandssensor nach Anspruch 1 und/oder Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Flächenheizelementen (2) und den Widerständen (4) und/oder dem Referenzwiderstand (6) eine als Dickschicht ausgebildete Trennschicht (3), insbesondere aus dielektrischem Material angeordnet ist.

8. Füllstandssensor nach Anspruch 1 und/oder Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände (4) und/oder der Referenzwiderstand (6) und/oder die Flächenheizelemente (2) durch eine Abdeckschicht, insbesondere aus Glas, von der Flüssigkeit getrennt sind.

9. Füllstandssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandswerte der Widerstände (4) jeweils getrennt voneinander gemessen und ausgewertet werden.

10. Füllstandssensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände (4) in einer Kreuzmatrix geschaltet sind.