DE2938205A1 - CAPACITIVE PRESSURE SENSOR AND EVALUATION DEVICE HERE - Google Patents
CAPACITIVE PRESSURE SENSOR AND EVALUATION DEVICE HEREInfo
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Description
R. 5 73 2R. 5 73 2
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Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Druckgeber, insbesondere zur Ermittlung des Ansaugluftdruckes einer Brennkraftmaschine, mit einer metallisch leitenden, sich druckabhängig verformenden Membran, der eine gegenüber der Membran isolierte, metallische Fläche gegenübersteht, die zusammen mit der Membran die beiden Elektroden eines elektrischen Kondensators bilden.The invention relates to a capacitive pressure transducer, in particular for determining the intake air pressure of a Internal combustion engine, with a metallically conductive, pressure-dependent deforming membrane, the one opposite the membrane is isolated, metallic surface opposite, which together with the membrane, the two Form electrodes of an electrical capacitor.
Bei elektronischen Steuer- und Regelsystemen für Brennkraftmaschinen werden Absolutdruckgeber zur Messung des Saugrohrdruckes benötigt. Derartige Druckgeber sollen neben den üblichen Anforderungen wie hoher Betriebstemperaturbereich usw. vor allem der Forderung kleiner Baugröße und Beschleunigungsunempfindlichkeit genügen, damit die Druckgeber direkt in das Saugrohr der Brennkraftmaschine eingebaut werden können.In electronic control and regulation systems for internal combustion engines Absolute pressure transducers are required to measure the intake manifold pressure. Such pressure transducers should in addition to the usual requirements such as a high operating temperature range, etc., above all the requirement smaller The size and insensitivity to acceleration are sufficient for the pressure transducer to be inserted directly into the intake manifold of the internal combustion engine can be installed.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind bei einem kapazitiven Druckgeber der eingangs beschriebenen Art die im Kennzeichen des Hauptanspruchs genannten Merkmale vorgesehen. To solve this problem, in the case of a capacitive pressure transmitter of the type described at the outset, those in the label of the main claim mentioned features provided.
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Die Verwendung einer profilgeätzten Membran anstelle einer sonst üblichen Wellmembran bringt den Vorteil mit sich, daß profilgeätzte Membranen aus nahezu jedem Federwerkstoff mit großer Genauigkeit hergestellt werden können, wobei der verwendete Werkstoff an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Trägers angepaßt werden kann. Außerdem können die Kenndaten des Druckgebers, wie beispielsweise die Abhängigkeit der Kapazität C von dem Druck ρ durch entsprechende Wahl des Ätzprofils den jeweiligen Erfordernissen leicht angepaßt werden.Using a profile etched membrane instead of a The otherwise common corrugated membrane has the advantage that profile-etched membranes are made from almost any spring material can be manufactured with great accuracy, the material used to the thermal Expansion coefficient of the carrier can be adjusted. In addition, the characteristics of the pressure transducer, such as, for example, the dependence of the capacitance C on the pressure ρ by appropriate choice of the etching profile can be easily adapted to the respective requirements.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Druckgebers sind in den Unteransprüchen genannt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn in weiterer Ausgestaltung der Erfindung das Isolierstoffplättchen an seiner zweiten, von der Membran abgekehrten Seite eine Auswerteschaltung, insbesondere in Form einer Dünnschichtschaltung trägt. Diese kann zweckmäßig als RC-Ozillator, insbesondere als Multivibrator mit einem Operationsverstärker ausgebildet sein.Advantageous refinements of the pressure transmitter are mentioned in the subclaims. It is particularly advantageous if, in a further embodiment of the invention, the insulating material plate on its second, remote from the membrane Side carries an evaluation circuit, in particular in the form of a thin-film circuit. This can useful as an RC oscillator, especially as a multivibrator be designed with an operational amplifier.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend beschrieben und in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen:Embodiments of the invention are described below and shown in the drawing. Show it:
Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines kapazitiven Druckgebers nach der Erfindung im Schnitt,Figure 1 shows a first embodiment of a capacitive pressure transducer according to the invention in section,
Figur 2 einen anderen Druckgeber im Schnitt bei einem Außendruck ρ = 0 undFIG. 2 shows another pressure transducer in section at an external pressure ρ = 0 and
Figur 3 den gleichen Druckgeber im Schnitt, jedoch bei einem gegenüber seinem Innendruck erhöhten Aussendruck p,FIG. 3 shows the same pressure transducer in section, but with an external pressure that is higher than its internal pressure p,
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Figur 4 eine Auswerteschaltung, die eine Ausgangsfrequenz ^ liefert undFigure 4 shows an evaluation circuit that an output frequency ^ returns and
Figur 5 eine andere Auswerteschaltung mit einem Operationsverstärker .FIG. 5 shows another evaluation circuit with an operational amplifier .
Der Druckgeber nach Figur 1 hat ein dünnes Isolierstoff-Trägerplättchen 1, das aus Keramik-AlpO,- hergestellt ist und in der Mitte einer seiner beiden Oberseiten eine Dünnschichtmetallisierung 2 trägt. Die Dünnschicht ist mit einem durch das Plättchen 1 hindurchreichenden Kontakt 3 mit der an der gegenüberliegenden Rückseite des Plättchens 1 angeordneten, ebenfalls als Dünnschicht ausgebildeten Leiterbahn 4 verbunden.The pressure transducer according to FIG. 1 has a thin insulating carrier plate 1, which is made of ceramic AlpO, - and in the middle of one of its two upper sides a thin-film metallization 2 carries. The thin layer has a one that extends through the plate 1 Contact 3 with that arranged on the opposite rear side of the plate 1, also as a thin layer formed conductor track 4 connected.
Auf der die Dünnschicht 2 tragenden Oberseite des Plättchens 1 ist eine ebenfalls als dünne Schicht ausgebildete Leiterbahn 5 vorgesehen, die als geschlossener Ring die zentrale Dünnschicht 2 mit Abstand ringförmig umschließt. Mit der ringförmigen Leiterbahn 5 ist der RandOn the upper side of the plate 1 carrying the thin layer 2 there is also a thin layer Conductor track 5 is provided which, as a closed ring, surrounds the central thin layer 2 at a distance in a ring shape. With the ring-shaped conductor track 5 is the edge
6 einer aus einem Metallplättchen profilgeätzten Membran6 a membrane which is profile-etched from a metal plate
7 durch Lötung druckdicht verbunden. Die Membran umschließt einen Hohlraum 8, der evakuiert ist. Der beim Ätzvorgang stehengebliebene Boden 9 der Membran 7 bildet zusammen mit der gegenüberliegenden Dünnschicht 2 einen elektrischen Kondensator, dessen Kapazität C umso größer wird, je höher der auf den Boden 9 der Membran 7 einwirkende äußere Druck ρ ansteigt und dabei den Boden 9 gegen die Dünnschicht 2 durchbiegt.7 connected pressure-tight by soldering. The membrane encloses a cavity 8 which is evacuated. The bottom 9 of the membrane 7 that remained during the etching process forms together with the opposite thin film 2, an electrical capacitor whose capacitance C is the same becomes greater, the higher the external pressure ρ acting on the bottom 9 of the membrane 7 rises, and thereby the bottom 9 bends against the thin layer 2.
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Die als zweite Elektrode des Kondensators wirkende Membran 7 ist mittels einer durchkontaktierten Verbindung 11 mit einer ebenfalls in Dünnschichttechnik aufgebrachten Kontaktschiene 12 verbunden, welche Teil einer auf dieser Rückseite des Plättchens 1 angeordneten Auswerteschaltung 13 ist. Zu dieser Auswerteschaltung gehören mehrere Bauelemente, von welchen zwei bei 14 und 15 angedeutet sind.The membrane 7 acting as the second electrode of the capacitor is by means of a plated through connection 11 connected to a contact rail 12, also applied using thin-film technology, which is part of a this back of the plate 1 arranged evaluation circuit 13 is. Belong to this evaluation circuit several components, two of which are indicated at 14 and 15 are.
Die dargestellte Ausbildung des Druckgebers bringt den Vorteil mit sich, daß der Druckgeber nur einen kleinen Raumbedarf hat, weitgehend temperaturunempfindlich ist und leicht in das Ansaugrohr einer Brennkraftmaschine eingebaut werden kann, wo er eine in Abhängigkeit vom jeweiligen Ansaugluftdruck veränderbare elektrische Größe, vorzugsweise eine druckabhängige Frequenz f liefert. The illustrated design of the pressure transmitter has the advantage that the pressure transmitter is only a small one Has space requirements, is largely insensitive to temperature and easily into the intake manifold of an internal combustion engine can be installed, where there is an electrical Size, preferably a pressure-dependent frequency f supplies.
Beim Ausführungsbeispiel nach den Figuren 2 und 3 ist ebenso wie beim Ausführungsbeispiel nach Figur 1 ein als Träger dienendes Keramikplättchen 1 und eine auf dieses aufgebrachte Dünnschichtelektrode 2 vorgesehen. Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel weist hier jedoch die aus einem profilgeätzten Metallplättchen hergestellte Membran 20 entlang ihrer Randzone 21, an welchem die Membran auf eine in der Draufsicht ringförmige Leiterbahn 22 druckdicht festgelötet ist, eine umlaufende Ringnut 23, die so tief ausgeätzt ist, daß sich am Grunde der Nut 23 ein dünner Wandteil 24 befindet, der sich in der aus Figur 3 erkennbaren Weise leicht verformen kann und nur geringe Rückstellkräfte aufweist. In dem von der Nut 23 umschlossen Zentrum 25In the exemplary embodiment according to FIGS. 2 and 3, as in the exemplary embodiment according to FIG. 1, a Ceramic plate 1 serving as a carrier and a thin-film electrode 2 applied to this is provided. In contrast to the first embodiment, however, here has a profile-etched metal plate produced membrane 20 along its edge zone 21, on which the membrane is annular in plan view Conductor 22 is soldered pressure-tight, a circumferential annular groove 23 which is etched so deep that there is a thin wall part 24 at the bottom of the groove 23, which can easily be deformed in the manner shown in FIG. 3 and has only low restoring forces having. In the center 25 enclosed by the groove 23
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steht die Membran 20 der Dünnschichtelektrode 2 mit einem nur geringen Abstand e gegenüber, wenn der Außendruck p=0 ist und der von der Membran 20 umschlossene Innenraum 26 evakuiert ist. Infolge des geringen Abstandes e ergibt sich bereits für den in Figur 2 dargestellten Fall p=0 ein verhältnismäßig großer Kapazitätswert des vom Zentralbereich 25 und der gegenüberstehenden Dünnschichtelektrode 2 gebildeten Kondensators. the membrane 20 faces the thin-film electrode 2 with only a small distance e when the external pressure p = 0 and the interior space 26 enclosed by the membrane 20 is evacuated. As a result of the small distance e there is already a relatively large capacitance value for the case p = 0 shown in FIG of the capacitor formed by the central region 25 and the opposite thin-film electrode 2.
Wenn in der in Figur 3 dargestellten Weise auf die Membran 20 ein Druck ρ einwirkt, wird der Zentralbereich 25 stark an die Dünnschichtelektrode 2 angenähert und demzufolge die zwischen diesen beiden Elektroden entstehende Kapazität erheblich vergrößert.When a pressure ρ acts on the membrane 20 in the manner shown in FIG. 3, the central area becomes 25 closely approximates the thin-film electrode 2 and consequently the one between these two electrodes Capacity increased significantly.
Die Kapazität C zwischen den beiden Elektroden 2 und 25 und deren Verlauf in Abhängigkeit vom Außendruck ρ kann in einfacher Weise durch die jeweilige Ätztiefe der Nut 23 und der freien Stirnfläche im Zentralbereich 25 beeinflußt werden.The capacitance C between the two electrodes 2 and 25 and its course as a function of the external pressure ρ can easily be determined by the respective etching depth of the groove 23 and the free end face in the central area 25 can be influenced.
Zur Auswertung der druckabhängigen Kapazität C kann der in Figur 4 schematisch wiedergegebene RC-Oszillator vorgesehen werden, bei welchem an der Ausgangsklemme A eine Spannung entsteht, deren Frequenz £v. «?τ entsteht. Vom Ausgang A zum Eingang des Oszillators führt ein Rückkopplungswiderstand R, welcher fest eingestellt werden kann und zusammen mit der veränderbaren Kapazität C des DrucKgebers nach Figur 1 oder nach Figur 2 die Schwingfrequenz f bestimmt.To evaluate the pressure-dependent capacity C, the RC oscillator shown schematically in FIG. 4 is provided at which a voltage occurs at output terminal A, the frequency of which is £ v. «? Τ arises. A feedback resistor R leads from output A to the input of the oscillator, which can be permanently set can and together with the variable capacitance C of the printer according to Figure 1 or Figure 2 the Oscillation frequency f is determined.
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In Figur 5 ist eine andere Auswerteschaltung dargestellt, die als Multivibrator mit Operationsverstärker bezeichnet werden kann. Dort ist am Ausgang A eines Operationsverstärkers O eine Wechselspannung Ua abnehmbar, deren Frequenz f = 1/2 RC In (1 + 2 R1/R2) ist.In Figure 5, another evaluation circuit is shown, which is referred to as a multivibrator with operational amplifier can be. There, at the output A of an operational amplifier O, an alternating voltage Ua can be tapped Frequency f = 1/2 RC In (1 + 2 R1 / R2).
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8120 | Willingness to grant licences paragraph 23 | ||
8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |