DE3009811A1

DE3009811A1 - Druckmessdose

Info

Publication number: DE3009811A1
Application number: DE19803009811
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr. 7146 Tamm Müller; Kurt 7252 Weil der Stadt Spitzenberger; Günther Dipl.-Phys. 7140 Ludwigsburg Stecher
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1980-03-14
Filing date: 1980-03-14
Publication date: 1981-10-15

Description

Druckmeßdose
Die Erfindung betrifft eine Druckmeßdose nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Besonders zur Verwendung auf Kraftfahrzeugen werden Druckmeßdosen benötigt, die bei kleinen Abmessungen über eine lange Betriebsdauer die erfaßten Druckwerte - vor allem den Ansaugluftdruck - in elektrische Signale umwandeln, die -leicht zur Steuerung und/oder Regelung der Brennkraftmaschine weiterverarbeitet werden können.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind bei einer Meßdose der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebenen Maßnahmen vorgesehen.
Weitere Ausgestaltungen derErfindung ergeben sich aus den nachstehend beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Unteransprüchen.
Bei dem in Figur 1 im Schnitt wiedergegebenen ersten Ausführungsbeispiel ist auf einem etwa 1 cm großen Substratplättchen 1, das aus Keramik, Glas oder einem an seiner Oberseite emaillierten Metallplättchen besteht, eine vorzugsweise im Druck und Brennverfahren der Dickschichttechnik hergestellte oder aufgedampfte Metallschicht 4 angebracht, welche von einer mit Abstand angeordneten Membran 2 abgedeckt ist. Die Membran 2 ist etwa 60/um stark, hat einen Durchmesser von etwa 0,5 cm und besteht aus einem keramischen Material, vorzugsweise aus Glas-Keramik, das als Paste im Siebdruckverfahren aufgebracht ist. Damit im Bereich der Meßdose zwischen der Membran 2 und der Metallschicht 4 ein Hohlraum aufrechterhalten werden kann, wird ein Füllstoff 3, zum Beispiel aus Ruß mit organischen Zusätzen aufgedruckt.
Beim anschließenden Sintervorgang, der bei Temperaturen um 950 0C unter Schutzgasatmosphäre durchgeführt wird, verhindert dieser Füllstoff, daß s.ich im Bereich der Meßdose das aufgedruckte keramische Material der Membran 2 mit dem Substrat 1 verbinden kann, gleichzeitig sintert das keramische Material der Membran 2 zu einer festen, jedoch deformierbaren Masse zusammen.
In einem zweiten Brennvorgang bei oxidierender Atmosphäre wird dann der Füllstoff 3 rückstandsfrei verbrannt, wobei es wichtig ist, daß die Membran 2 aus Glas-Keramik genügend dünn hergestellt wurde und eine nicht zu kleine Porösität aufweist. In nachfolgenden Druck- und Brennvorgängen wird die freitragende Membran auf die gewünschte Dicke verstärkt und durch Aufbringen einer weiteren Schicnt 6, beispielsweise einer amorphen Glasschicht, wird der entstandene Hohlraum gasdicht verschlossen.
Wird für die Membran 2 ein Material gewählt, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient kleiner als der des Substrats 1 ist, läßt sich erreichen, daß die Membran nach dem Brennvorgang eine konvex vom Substrat 1 weggewölbte Tragfläche bildet und daß die Meßdose infolge ihrer Vorspannung auch zur Messung von Unterdruck verwendet werden kann. Außerdem wird dadurch sichergestellt, daß sich die Membran 2 stets unter Druckspannung befindet; Zugspannungen also vermieden werden, gegen die bekannterweise keramische oder glasige Massen wenig widerstandsfähig sind Durch Verdickung der ringförmigen Rand zone 7 der Membran 2 wird erreicht, daß sich die Membran 2 an ihrer Peripherie unter einem sehr kleinem Winkel 8 aufwölbt, wodurch die Dauerstandfestigkeit der Membran 2 bei den während des'Betriebs auftretenden Membranbewegungen bedeutend erhöht wird.
Die so gebildete Membrandose kann evakuiert oder bei definiertem Gasdruck gefüllt werden, wenn bei der in Figur 4 in der Aufsicht wiedergegebenen Dose beim Drucken des Füllstoffes 3 eine Ausstülpung 3a vorgesehen wird und beim Druck der Membran 2 der Bereich 9 ausgespart bleibt. Nach dem Verbrennen des Füllstoffes 3 entsteht somit im Bereich 3a ein Tunnel, der nach FertigaFellung aller Elemente danach in einem Ofen mit definiertem Gasdruck beispielsweise durch Aufschmelzen von glashaltiger Paste im Bereich 9 geschlossen wird.
Beim -Ausführungsbeispiel nach Figur 1 bildet die deformierbare, einem Unter- oder Überdruck ausgesetzte Membran 2 einen Teil eines variablen Luftkondensators. Hierzu ist auf die Membran eine Leiterbahnfläche 5 aufgebracht, die zusammen mit der Metallschicht 4 den Kondensator bildet. Die Kapazität dieses Kondensators wird umsogrößer, je größer der auf die Membran 2 einwirkende Druck ist, der den Abstand zwischen der Leiterbahnfläche 5 und der Metallschicht 4 verringert.
Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 2 werden auf die freitragende Glas-Keramik-Membran 2 nachfolgend Leiterbahn-, Widerstands-, Glas- bzw. Glaskeramikschichten im Druck- und Brennverfahren der Dickschichttechnik aufgebracht. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind auf die Membran 2 mittels Dickschichttechnik zwei Widerstände-R1 und R2 aufgebracht, welche durch die Glasschicht 6 abgedeckt sind.
Diese beiden Widerstände R1 und R2 werden bei Änderungen des auf die Membran 2 einwirkenden Luftdruckes gedehnt oder gestaucht. Dabei ändern geeignete Dickschichtwiderstände ihren elektrischen Widerstandswert sehr stark und können daher vorteilhaft in einer in Figur 3 dargestellten Brückenanordnung verwendet werden, in welcher sie in jeweils zwei einander diametral gegenüberliegenden Brückenzweigen jeweils in Reihe mit einem von zwei Festwiderständen R3 bzw. R4 angeordnet sind.
Die dargestellte Brückenschaltung hat den großen Vorteil, daß die beiden, nicht auf der Membran 2 angeordneten Brückenwiderstände R3 und R4 nach bekannten Methoden, insbesondere mit Hilfe von Laserstrahlen abgeglichen werden können, während sich die Meßdose in einer Atmosphäre mit definiertem Druck befindet. Fertigungstechnisch ist dies von großem Vorteil, weil unabhängig vom Druck in der Meßdose und vom Spannungszustand der Membran 2 die Ausgangsspannung Ua einfach und schnell eingeeicht werden kann.
Die beschriebene Druckmeßdose kann auch zur Messung des Differenzdruckes zweier Gasräume I und II entsprechend Fig. 5 verwendet werden, wenn das Substrat 1 unterhalb der Membran 2 eine kleine Bohrung 10 aufweist, durch die der Innenraum der Meßdose mit dem Gasraum II in Verbindung steht. Beispielsweise kann eine weitere ringförmige Metallisierung 11 auf der Rückseite des Substrates 1 aufgebracht werden und diese durch eine Lötverbindung 12 mit dem Stutzen 13 gasdicht verbunden werden.
Insgesamt ergeben sich folgende Vorteile der erfindungsgemäßen Ausbildung der Druckmeßdose: - Sensorelemente (Widerstände bzw. NondensatorelektrsLe) sind auf der Membran der Druckdose fest integriert. Damit entfallen störanfällige übertragungselemente.
- Druckdose mit Sensorelementen ist auf einem Substrat integriert, auf dem weitere elektrische Schaltungselemente mit bekannten Methoden der Dickschicht-Hybridtechnik angeordnet werden können.
- Miniaturisierte Bauform der Druckmeßdose.
- Alle Verfahrensschritte bei der Herstellung des Sensors finden bei hohen Temperaturen (500 - 9500C) statt. Daher erscheint der Einsatz des Sensors bei erhöhter Temperatur als möglich.
- Automatisierbare und damit preisgünstige Fertigungsmethoden der Dickschichttechnik werden angewendet. Sehr geringe Stoffkostefl.
L e e r s e i t e

Claims

Ansprüche 1. Druckmeßdose, insbesondere zur Erfassung des Ansaugluftdruckes einer Fahrzeug-Brennkraftmaschine, mit einer druckabhängig deformierbaren Membran, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (2) in Dickfilmtechnik auf einem Substrat (1) hergestellt und mit dem Substrat fest verbunden ist.
2. Druckmeßdose nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) plättchenförmig ausgebildet ist.
3. Druckmeßdose nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) aus Keramik, Glas oder emailliertem Metall besteht
4. Druckmeßdose nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (2) aus Glas-Keramik besteht und etwa 20 bis 300/um, vorzugsweise etwa 100 um dick ist.
5. Druckmeßdose nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wölbung der Membran (2) im Mittelteil der Meßdose konvex an der Peripherie aber konkav ausgebildet ist.
6. Druckmeßdose nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich (3a) ein tunnelförmiger Hohlraum vorhanden ist, durch den die Meßdose evakuiert oder bei definiertem Gasdruck gefüllt wird und der danach mit einer Glasmasse im Bereich (9) zugeschmolzen wird.
7. Druckmeßdose nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran an ihrer Außenseite eine metallische Elektrode (5) trägt, die einer unmittelbar auf dem Substrat angeordneten Metallschicht (4) mit Abstand gegenübersteht.
8. Druckmeßdose nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Außenseite der Membran (2) mindestens ein in Dünn- oder Dickschichttechnik angebrachter Widerstand (R1, R2) angeordnet ist, dessen Widerstandswert sich druckabhängig ändert.
9. Druckmeßdose nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (2) mit einem den Widerstand (R1, R2) oder die metallische Elektrode (5) einschließenden Überzug (6), insbesondere aus Glas abgedeckt ist.