DE19920990C2

DE19920990C2 - Druckerfassungs-Anordnung

Info

Publication number: DE19920990C2
Application number: DE1999120990
Authority: DE
Inventors: Andreas Wildgen
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 1999-05-06
Filing date: 1999-05-06
Publication date: 2002-02-14
Anticipated expiration: 2019-05-07
Also published as: DE19920990A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Druckerfassungs-Anordnung, insbe sondere für Bremspedale in Kraftfahrzeugen.

Aus der DE 195 40 705 A1 ist ein Bremspedal mit einem Brems kraftsensor zur Ansteuerung einer elektrischen Bremsanlage bekannt. Der Bremskraftsensor weist einen Tellerfederstapel aus Stahl auf. Wird der Tellerfederstapel durch das Bremspe dal zusammengedrückt, so geschieht dies entlang einer pro gressiven Kraft-/Weg-Kennlinie. Der Bremskraftsensor weist den Nachteil auf, daß die Anordnung einem starken mechani schen Verschleiß unterworfen ist und eine Umsetzung der me chanischen Signale in elektrische Signale nachträglich erfol gen muß.

Aus der EP 0 618 435 A2 ist ein Drucksensor für die meßtech nische Erfassung von Druck über einen weiten Meßbereich be kannt. Insbesondere soll Druck über einen mehrere Größenord nungen weiten Meßbereich ermittelt werden. Hierzu weist der Drucksensor eine Matrix von einzelnen Mikromechanik-Drucksen soren auf, wobei der Druck jeweils kapazitiv ermittelt wird und die Größe der einzelnen Membranen im wesentlichen propor tional zu der Kapazität des einzelnen Mikromechanik-Drucksen sors ist. Um eine möglichst gleichmäßige Meßgenauigkeit über einen mehrere Größenordnungen weiten Meßbereich zu erhalten, ist die Matrix ist so gestaltet, daß die Grundkapazität aller Untereinheiten gleich groß ist. Dies wird dadurch erreicht, daß die erste Untereinheit eine Membran einer vorgegebenen Einheitsfläche aufweist, daß eine zweite Grundeinheit vier Membranen mit jeweils einem Viertel der Einheitsfläche auf weist etc. Durch die Anordnung ist es nicht möglich, eine vorgegebene Soll-Kennlinie mit einem steil ansteigenden Teil und einem zunehmend flacher ansteigenden Anteil zusammenzu setzen, da durch die jeweils gleichen Kapazitäten der jewei ligen Untereinheiten ein gleichmäßiges Ansprechverhalten für alle Druckbereiche sichergestellt ist.

Gemäß der US 4 322 977 wird das dort in Fig. 2 dargestellte Kennlinienverhalten durch eine komplexe elektronische Schal tung und nicht durch die einfache Addition einzelner Drucksensoren mit verschiedener Fläche erreicht. Die Konden satoren eines Meßwandlers werden durch ein phasenverschobenes Signal erregt und deren Ausgabe an einer Summier-Verbindung zusammengeführt. Die Ausgabe der Summier-Verbindung steuert die Inkrementierung eines Zählers, dessen Ausgabe in ein nicht lineares negatives Rückkopplungssignal umgewandelt wird. Ein Regelkreis wird durch die Gabe des Rückkopplungs signals auf die Summier-Verbindung durch einen Rückkopplungs kondensator gebildet. Es ist somit hochgradig komplex, wie die gewünschte Kennlinie erzeugt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Druckerfas sungs-Anordnung, insbesondere für Bremspedale in Kraftfahr zeugen, bereitzustellen, bei der eine vorgegebene elektrische Soll-Kennlinie einfach eingestellt werden kann.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Der Kern der Erfindung besteht darin, elektronische Mikrome chanik-Drucksensoren verschiedener Größe und/oder verschiede nen Ansprechverhaltens parallel zu schalten, so daß durch de ren Überlagerung eine vorgegebene Soll-Kennlinie eingestellt werden kann.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Un teransprüchen.

Zusätzliche Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine schematisch dargestellte Druckerfassungs-Anordnung mit zahlreichen Mikrome chanik-Drucksensoren,

Fig. 2 eine Querschnittsdarstellung eines Mikromechanik- Drucksensors,

Fig. 3 ein Balkendiagramm betreffend die Abhängigkeit der Kantenlänge L_i von der Nummer i des Mikromechanik- Drucksensors,

Fig. 4 ein Kurvenschaubild betreffend die Abhängigkeit der Gesamtkapazität C_G vom Druck p für drei parallel geschaltete Mikromechanik-Drucksensoren und

Fig. 5 ein Kurvenschaubild betreffend die Abhängigkeit der Gesamtkapazität C_G vom Druck p für 20 parallel ge schaltete Mikromechanik-Drucksensoren.

Das Bremssystem eines Kraftfahrzeuges weist ein Bremspedal auf, das über ein Hydrauliksystem mit einer Druckerfassungs- Anordnung 1 verbunden ist. Die Betätigung des Bremspedals führt zu dem Aufbau eines Drucks in dem Hydrauliksystem, wel ches den Druck zur Messung an die Druckerfassungs-Anordnung 1 überträgt. Die Druckerfassungs-Anordnung 1 gibt anschließend ein Brems-Signal an die Bremsen des Kraftfahrzeugs.

Die Druckerfassungs-Anordnung 1 weist eine Vielzahl von Mi kromechanik-Drucksensoren 2 auf, die auf einer Trägerplatte 3 in möglichst platzsparender Weise angeordnet sind. Die Mikro mechanik-Drucksensoren 2 können auf der Trägerplatte 3 durch Very Large Scale Integration (= VLSI)-Technik integriert sein.

Der Aufbau eines Mikromechanik-Drucksensors 2 ist in Fig. 2 dargestellt, wobei es sich hierbei um den i-ten, i = 1, . . ., n Mikromechanik-Drucksensor 2 handelt. Hierbei gibt n die Zahl der Mikromechanik-Drucksensoren 2 an. Auf der Trägerplatte 3 aus Silizium ist eine Kondensator-Schicht 4 aus Halbleiter- Material ausgebildet. Über dieser befindet sich ein einen Hohlraum 5 einschließender Kondensator-Deckel 6 mit einer parallel zur Kondensator-Schicht 4 verlaufenden Sensormembran 7. Auf der dem Hohlraum 5 zugewandten Seite weist die Sensor membran 7 eine Isolationsschicht 8 auf. Die Kondensator- Schicht 4 und die Sensormembran 7 bilden die Platten eines Kondensators mit einer Kapazität C_i. Die in Fig. 2 darge stellten Kondensatorplatten C1, C2 mit den entsprechenden elektrischen Anschlüssen dienen lediglich der Illustration der Funktionsweise des Mikromechanik-Drucksensors 2 und sind in der VLSI-Realisierung nicht vorhanden. In Fig. 2 links von der Sensormembran 7 ist eine mit der Sensormembran 7 und der Kondensator-Schicht 4 elektrisch leitend verbundene elek tronische Auswerte-Einheit 9 vorgesehen, welche ebenfalls in Halbleitertechnologie hergestellt ist. Die Auswerte-Einheit 9 dient der Umsetzung des auf die Sensormembranen 7 wirkenden Drucks p in ein elektrisches Ausgangs-Signal gemäß einer Drucksensor-Kennlinie. Auf einer Trägerplatte 3 können auch zahlreiche Sensormembranen 7 und lediglich eine Auswerte- Einheit 9 vorgesehen sein.

Beim Betrieb wirkt ein Druck p auf die Sensormembran 7 des i- ten Mikromechanik-Drucksensors 2, der eine Druckaufnahme- Fläche 10 der Größe A_i besitzt. Durch den Druck p wird der Hohlraum 5 zusammengedrückt, wodurch sich der Abstand zwi schen der Sensormembran 7 und der Kondensator-Schicht 4 redu ziert und die elektrische Kapazität C_i des Drucksensors 2 an steigt. Aufgrund der Isolationsschicht 8 entsteht kein Kurz schluß, wenn die Sensormembran 7 auf die Kondensator-Schicht 4 gedrückt wird. Die Kapazität C_i nimmt dann einen endlichen Wert an. Da die Sensormembran 7 oberhalb eines bestimmten Drucks aufliegt, ist sie mechanisch sehr stabil gegen weitere Drucksteigerungen. Die Drucksensor-Kennlinie jedes Mikrome chanik-Drucksensors 2 hängt von der Größe von A_i ab. Je grö ßer die Druckaufnahme-Fläche 10 ist, desto leichter kann bei einem vorgegebenen Druck die Sensormembran 7 eingedrückt wer den.

Bei der Druckerfassungs-Anordnung 1 sind zahlreiche Mikrome chanik-Drucksensoren 2 elektrisch parallel geschaltet, d. h. die Sensormembranen 7 und die Kondensator-Schichten 4 sind jeweils elektrisch parallel miteinander verbunden. Auf diese Weise addieren sich die Kapazitäten C_i der einzelnen Mikrome chanik-Drucksensoren 2 zu einer Gesamt-Kapazität C_G. Die Druckaufnahme-Flächen 10 sind quadratisch mit einer Kanten länge L_i ausgebildet, d. h. für die Größe der Druckaufnahme- Flächen A_i gilt: A_i = L_i ². Es ist auch möglich, die Druckauf nahme-Flächen 10 kreisförmig, rechteckig oder in Form eines Polygons auszubilden. Besonders vorteilhaft an einer runden Ausgestaltung der Sensormembran 7 ist, daß bei einem Eindrüc ken der Membran 7 an deren Rand eine möglichst gleichmäßige Kraftverteilung herrscht. Die Kantenlänge L_i ist derart ge wählt, daß sie proportional zu i ist, wobei i = 1, . . ., n d. h. L_i = a . i + b, wobei a, b Konstanten sind. Eine weite re Möglichkeit der Abhängigkeit der Kantenlänge L_i von i ist in Fig. 3 dargestellt. Im Unterschied zu einer direkten Pro portionalität zwischen L_i und i fällt L_i für kleine i stärker ab. Bei der Verteilung gemäß Fig. 3 ergibt sich für Druck sensoren-Flächen: A_i = L_i ². Die Längenangaben gemäß Fig. 3 sind dimensionslos, da sie auf eine in einem Mikromechanik- Drucksensor 2 realisierte Standard-Druckaufnahme-Fläche bezo gen sind. Es ist auch möglich, andere funktionale Abhängig keiten zwischen A_i und i vorzusehen, insbesondere kommt eine Proportionalität von A_i zu i und von A_i zu [ln(i)]² in Frage, d. h. A_i = c . i + d oder A_i = c . [ln(i)]² + d, wobei c, d Konstanten sind.

Die Gesamtkapazität C_G der parallel geschalteten Mikromecha nik-Drucksensoren 2 ist als Funktion des Drucks p in Fig. 4 für n = 3 Mikromechanik-Drucksensoren 2 und in Fig. 5 für n = 20 Mikromechanik-Drucksensoren 2 gezeigt. Gemäß Fig. 4 er kennt man, daß zunächst der Mikromechanik-Drucksensor mit der größten Fläche primär zusammengedrückt wird und die Kennlinie beeinflußt, bis er vollständig zusammengedrückt ist. An die ser Stelle entsteht ein Knick in der Kennlinie. Anschließend wird primär der nächst kleinere zusammengedrückt etc. Wird die Zahl der Mikromechanik-Drucksensoren 2 weiter erhöht, so entsteht zunehmend eine monoton steigende und glatte Kennli nie, deren Welligkeit mit zunehmender Zahl von Mikromechanik- Drucksensoren 2 abnimmt und durch die Elektronik noch geglät tet werden kann. Die Kennlinie entspricht der für Bremspedal sensoren gewünschten Kennlinie. Bei geringen Bremspedalkräf ten, d. h. geringen Drücken p, soll die Druckerfassungs- Anordnung 1 eine hohe Auflösung haben, damit ein fein dosier tes Bremsen möglich ist. Bei einer Vollbremsung ist keine Auflösung mehr notwendig, da ab einer gewissen Kraft die Rä der ohnehin stehen oder das Antiblockiersystem voll aktiv ist. Für höhere Drücke p ist die Kennlinie deswegen zunehmend flacher ansteigend.

Claims

1. Druckerfassungs-Anordnung (1), insbesondere für Bremspe dale in Kraftfahrzeugen,

a) mit mehreren Mikromechanik-Drucksensoren (2), die
- a) jeweils eine Sensormembran (7) zur Aufnahme eines auf ihre Druckaufnahme-Fläche (10) wir kenden Drucks aufweisen,
- b) eine elektronische Auswerte-Einheit (9) zur Umsetzung des auf die Sensormembran (7) wir kenden Drucks in ein elektrisches Ausgangs- Signal gemäß einer jeweiligen Drucksensor- Kennlinie aufweisen und
- c) eine durch die Einwirkung von Druck auf die Druckaufnahme-Fläche (10) veränderbare elekt rische Kapazität aufweisen,
b) wobei die Mikromechanik-Drucksensoren (2) derart miteinander elektrisch verbunden sind, daß sich die einzelnen Ausgangs-Signale zu einem Gesamt- Ausgangs-Signal überlagern und die Druckaufnahme- Flächen (10) derart aufeinander abgestimmt sind, daß das Gesamt-Ausgangs-Signal eine vorgegebene Soll-Kennlinie bezogen auf den auf die Sensormemb ranen (7) wirkenden Druck aufweist,
c) wobei die Größe der Druckaufnahme-Fläche (10) des i-ten Mikromechanik-Drucksensors (2) durch A_i gege ben ist, wobei i = 1, . . ., n und n die Gesamtzahl der Mikromechanik-Drucksensoren (2) ist und
d) wobei die funktionale Abhängigkeit zwischen A_i und i derart gewählt ist, daß die Soll-Kennlinie bezo gen auf den auf die Sensormembran (7) wirkenden Druck zunächst einen steil ansteigenden Anteil und dann einen zunehmend flacher ansteigenden Anteil mit einer Sättigungskennlinie aufweist.

2. Druckerfassungs-Anordnung (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikromechanik-Drucksensoren (2) parallel geschaltet sind.

3. Druckerfassungs-Anordnung (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Druckauf nahme-Fläche (10) des i-ten Mikromechanik-Drucksensors (2) durch A_i gegeben ist und für diese gilt: A_i ist proportional zu i², wobei i = 1, . . ., n und n die Zahl der Mikromechanik- Drucksensoren (2) ist.

4. Druckerfassungs-Anordnung (1) gemäß einem der vorangehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckaufnahme-Flächen (10) quadratisch ausgebildet sind.

5. Druckerfassungs-Anordnung (1) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kantenlänge des i-ten Mikrome chanik-Drucksensors (2) mit L_i bezeichnet wird, wofür gilt:
L_i ist proportional zu i, wobei i = 1, . . ., n und n die Zahl der Mikromechanik-Drucksensoren (2) ist.

6. Druckerfassungs-Anordnung (1) gemäß einem der vorangehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mik romechanik-Drucksensoren (2) auf einer Trägerplatte (3) in einer möglichst flächensparenden Anordnung vorgesehen sind.

7. Bremspedal-Sensor umfassend eine Druckerfassungs-Anordnung (1) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche.