DE3108300C2 - Druckmeßdose und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

Abstract

Es wird eine Druckmeßdose vorgeschlagen, die insbesondere zur Erfassung des Ansaugluftdruckes einer Fahrzeug-Brennkraftmaschine verwendet werden soll. Die Druckmeßdose weist eine auf einem Substrat (1) fest angeordnete, druckabhängig deformierbare Membran (2) auf und die Mem- bran (2) ist auf dem Substrat (1) als Dickschichtelement aufgebracht. Durch geeignete Ausbildung der Druckmeßdose sind Absolut- und Differenzdruckmessungen möglich und es sind Mittel vorgesehen, um den Temperaturgang der Druckmeßdose zu vermindern.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Es ist bekannt, zur Messung des Druckes insbesondere gasförmiger Medien Druckmeßdosen zu verwenden, bei denen auf einem Substrat eine Membran fest angeordnet ist. Eine derartige Druckmeßdose ist beispielsweise in der DE-AS 25 56 947 beschrieben. Bei dieser bekannten Druckmeßdose ist auf einem Substrat eine metallische Elektrode aufgebracht über die sich eine druckabhängig deformierbare metallische Membran wölbt. Diese Membran bildet zusammen mit der Elektrode einen Kondensator, dessen Kapazität druckabhängig verändert wird. Nachteil dieser bekannten Anordnung ist jedoch, daß die metallische Membran auf einem nicht metallischen Substrat angebracht werden muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Druckmeßdose bzw. ein Verfahren zu deren Herstellung zu schaffen, die billig und klein in den Abmessungen ist und über eine lange Betriebsdauer die erfaßten Druckwerte verarbeitet.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruches hat den Vorteil, daß eine einfache Massenfertigung der Druckmeßdose dadurch möglich wird, daß die Membran als Dickschichtelement auf dem Substrat aufgebracht wird. Die Sensorelemente (Widerstände bzw. Kondensatorelektrode) sind auf der Membran der Druckdose fest integriert, damit entfallen störanfällige Übertragungselemente. Weiterhin ist es möglich, auf dem Substrat mit an sich bekannten Methoden weitere elektronische Schaltelemente in Dickschicht-Hybridtechnik anzuordnen, b5 beispielsweise einen der Druckmeßdose nachgeschaiteten Verstärker.

Weiterhin kann die Druckmeßdose in sehr kleiner Bauform ausgeführt werden. Da die Herstellung der

Druckmeßdose in Dickschichttechnik bei einer hohen Temperatur (500 bis 950° Celsius) stattfindet, können die Sensorelemente bestimmungsgemäß auch beim Betrieb hohen Temperaturen ausgesetzt werden.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der im Hauptanspruch angegebenen Maßnahmen möglich.

So wird beispielsweise eine besonders gute Wirkung dadurch erzielt, daß die Membran im Mittelteil der Meßdose konvex, an der Peripherie jedoch Konkav ausgebildet ist. Hierdurch werden Zugspannungen vermieden, gegen die keramische oder glasige Massen wenig widerstandsfähig sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat in einer weiteren Ausbildung der Erfindung weiter den Vorteil, daß entweder eine Kondensatoranordnung durch Anbringung zweier Elektrodenflächen oder wahlweise eine Anordnung mit druckempfindlichen Widerständen, beispielsweise Dehnungsmeßstreifen möglich ist, wodurch entweder hochfrequente oder niederfrequente Meßverfahren Anwendung finden können.

Schließlich ist bei einer bevorzugten weiteren Ausgestaltung der Erfindung neben der eigentlichen Druckmeßdose eine weitere Referenzdose angeordnet, die innen und außen vom Meßdruck beaufschlagt wird, d. h. nicht druckabhängig ausgelenkt wird, jedoch denselben Temperaturschwankungen und Erschütterungen ausgesetzt ist wie die Druckmeßdose. Durch geeignete Verschaltung der Meßelemente der Druckmeßdose und der Referenzdose können diese Störeinflüsse, beispielsweise in eine Brückenschaltung eliminiert werden.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Druckmeßdose mit kapazitiver Anordnung;

F i g. 2 einen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Druckmeßdose mit Widerstandsanordnung;

Fig. 3 eine Brückenschaltung, bei der eine Druckmeßdose gemäß F i g. 2 Verwendung finden kann;

F i g. 4 eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform einer Druckmeßdose:

F i g. 5 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Druckmeßdose zur Messung des Differenzdrucks;

Fig.6 und 7 Anordnungen mit einer Druckmeßdose und einer Referenzdose in kapazitiver bzw. Widerstandstechnik.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Bei dem in F i g. 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 μπι 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 5 organischen Zusätzen aufgedruckt. Beim anschließen den Sintervorgang, der bei Temperaturen um S50^cC unter Schutzgasatmosphäre durchgeführt wird, verhindert dieser Füllstoff, daß sich im Bereich der Meßdose das aufgedruckte keramische Material der Membran 2

ίο 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 Glss-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 Schicht 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 weggewölbie 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 Randzone 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 F i g. 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 Fertigstellung aller Elemente danach in einem Ofen mit definiertem Gasdruck beispielsweise durch Aufschmelzen von glashaltiger Paste im Bereich 9 geschlossen wird.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 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 umso größer, 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 F i g. 2 werden auf die freitragende Glas-Keramik-Membran 2 nachfolgend Leiterbahn-, Widerstands-, Glas- bzw. Glaskeramikschi~hten im Druck- und Brennverfahren der Dick-Schichttechnik aufgebracht. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind auf die Membran 2 mittels Dickschichttechnik zwei Widerstände R\ und R 2 aufgebracht, welche durch die Glasschicht 6 abgedeckt sind.

Diese beiden Widerstände R 1 und R 2 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 Fig. 3 dargestellten Brückenanordnung verwendet werden, in welcher sie in jeweils zwei einander diametral gegenüberliegenden Brückenzweigen jeweils in Reihe mit einem von zwei Festwidersländen R 3 bzw. R 4 angeordnet sind.

Die dargestellte Brückenschaltung hat den großen Vorteil, daß die beiden, nicht auf der Membran 2 angeordneten Brückenwiderstände /?3 und R 4 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 Membnan 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 F i g. 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.

Bei dem in F i g. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel ist neben der eigentlichen Druckmeßdose eine Referenzdoseauf dem Substrat 1 angeordnet, deren entsprechende Elemente mit 2', 3', 4', 5', 6', 7' und 8' bezeichnet sind. Im Gegensatz zur Druckmeßdose in der linken Hälfte von F i g. 6 verbindet jedoch bei der Referenzdruckdose eine öffnung 14 den Hohlraum mit dem Meßdruck, der mit p\ bezeichnet ist. Demgegenüber ist die Meßdose evakuiert, was durch die Druckbezeichnung po angedeutet ist. Bei der in F i g. 6 dargestellten Anordnung wird demnach lediglich die linke Dose druckabhängig ansgelenkt, die rechte hingegen nicht. Andererseits unterliegt die rechte Dose denselben thermischen Bedingungen wie die linke Dose und ist denselben Umgebungskräften ausgesetzt, die beispielsweise dann als Beschleunigungskräfte auftreten, wenn eine erfindungsgemäße Druckmeßdosenanordnung gemäß Fig.6 in einem Kraftfahrzeug zur Messung des Saugrohrdruckes oder des Reifendruckes verwendet wird. Bei derartigen Einsatzfällen treten nämlich durchaus Beschleunigungen bis zu 80 oder 100 g auf. so daß Deformationen der Membran 2 aufgrund dieser Beschleunigung auftreten können, die das Meßergebnis erheblich verfälschen. Werden nun die Kondensatoren bestehend aus den Elementen 4, 5 bzw. 4', 5' in einer Kompensationsschaltung, beispielsweise einer Brückenschaltung verschaltet, heben sich diese Temperatur- oder Beschleunigungseffekte auf.

Die in Fig. 7 dargestellte erfindungsgemäße Anordnung umfaßt ebenso wie die in F i g. 6 dargestellte zwei Meßdosen, von denen die linke als Druckmeßdose und die rechte als Referenzdose dient. Dabei ist die rechte Referenzdose wiederum mit einer Öffnung 14 versehen. Versieht man nun die Referenzdose mit den Widerständen R 3 und R 4 und die Druckmeßdose mit den Widerständen R 1 und R 2. läßt sich in einfacher Weise die Schaltung gemäß F i g. 3 realisieren, wodurch die obengenannten störenden Einflüsse von Temperatur und Beschleunigung kompensiert werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (13)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen einer Druckmeßdose, insbesondere zur Erfassung des Ansaugluftdruckes einer Fahrzeug-Brennkraftmaschine, mit einer druckabhängig deformierbaren Membran (2) aus keramischem Werkstoff, die auf einem plättchenförmigen aus Keramik. Glas oder emailliertem Metall bestehenden Substrat (1) an ihrer Randzone fest verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß in einem ersten Verfahrensschritt der die Membran (2) bildende Werkstoff als Paste auf das Substrat aufgebracht wird, wobei sich zwischen diesem und der Paste mit Ausnahme der Randzone ein Füllstoff befindet, daß anschließend das Gebilde in einem Brennprozeß unter Schutzgasatmosphäre gesintert wird, wobei sich die Randzone der dabei entstandenen Membran mit dem Substrat verbindet und nun zusammen mit diesem einen Hohlraum bildet und daß in einem zweiten Verfahrensschritt ein Brennvorgang bei oxidierender Atmosphäre stattfindet, in dem der Füllstoff verbrannt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aus Glaskeramik bestehende Membran auf dem Substrat (1) in einer an sich bekannten Dickschicht-Technik hergestellt ist und daß sie durch einen Überzug, insbesondere aus Glas, dicht abgedeckt ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Membran in mindestens einem weiteren Verfahrenschritt durch Druck- und Brennvorgänge auf die gewünschte Dicke verstärkt und/oder in ihren physikalischen Eigenschaften geeignet verändert wird.

4. Druckmeßdose hergestellt nach Anspruch 1 —3, dadurch gekennzeichnet, daß ein vom Hohlraum ausgehender, radial gerichteter Tunnel vorgesehen ist, der die Randzone durchdringt.

5. Druckmeßdose nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die aus Glaskeramik bestehende Membran etwa 20 bis 300 μηι, vorzugsweise etwa 100 μιη dick ist.

6. Druckmeßdose nach einem der Ansprüche 4 bis

5, dadurch gekennzeichnet, daß der die Membran (2) bildende Werkstoff einen kleineren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als der des Substrats.

7. Druckmeßdose nach einem der Ansprüche 4 bis

6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wölbung der Membran (2) im Mittelteil der Meßdose konvex, an der Peripherie aber konkav ausgebildet ist.

8. Druckmeßdose nach einem der Ansprüche 4 bis

7, dadurch gekennzeichnet, daß durch den tunnelförmigen Hohlraum die Meßdose evakuiert oder bei definiertem Gasdruck gefüllt wird und der danach mit einer Glasmasse zugeschmolzen wird.

9. Druckmeßdose nach einem der Ansprüche 4 bis

8, 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.

10. Druckmeßdose nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Außenseite der Membran (2) mindestens ein in Dünn- oder Dickschichttechnik angebrachter Widerstand (R 1, R 2) angeordnet ist. dessen Widerstandswert sich druckabhängig ändert.

11. Druckmeßdose nach Anspruch 9 oder 10. da

durch gekennzeichnet daß auf dem Substrat (1) eine weitere Membran (2') vorgesehen ist, die an ihrer Außenseite eine weitere metallische Elektrode (5') trägt, die eine unmittelbar auf dem Substrat (1) angeordneten weiteren Metallschicht (4') mit Abstand gegenübersteht und daß die aus den Elektroden (5,4 bzw. 5', 4') gebildeten Kondensatoren in einer Kompensationsschaltung angeordnet sind und daß in der Membran (2') eine öffnung (14) nach außen vorgesehen ist.

12. Druckmeßdose nach Anspruch 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Substrat (1) eine weitere Membran (2') vorgesehen ist, auf deren Außenseite mindestens ein weiterer in Dünn- oder Dickschichttechnik angebrachter Widerstand (R 3, R 4) angeordnet ist, wobei die Widerstände (R 1, R 2, R 3, R 4) in einer Kompensationsschaltung verschaltet sind, und daß die Membran (2') eine öffnung (14) nach außen aufweist

13. Druckmeßdose nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) unterhalb der Membran (2) eine Bohrung (10) aufweist.