DE3840703C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer keramischen Membran für einen Druckfühler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der US 43 80 041 ist ein gattungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer keramischen Membran für einen Druckfühler bekannt, bei dem eine dünne Schicht eines elektrisch leitfähigen Materials mittels eines Siebdruckverfahrens auf den keramischen Körper der Membran aufgebracht und anschließend zusammen mit dem keramischen Körper gesintert wird.

Das gattungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer keramischen Membran für einen Druckfühler aus dem Stand der Technik hat jedoch den Nachteil, daß die Schutzschicht auf der keramischen Membran nicht mit ausreichender Haftung aufgebracht werden kann. Eine weitere Schwierigkeit liegt im Erzielen einer gleichmäßigen Dicke der Membran mit Schutzschicht bei deren Herstellung.

Außerdem ist aus der GB 12 08 382 ein Verfahren zur Herstellung eines Druckfühlers zu entnehmen, bei dem ein Abschirmglied in Form einer metallischen Schutzschicht auf eine Membran aufgedampft wird und diese auf der Druckseite abdeckt.

Des weiteren ist aus der US 23 45 071 ein Verfahren zur Herstellung eines Druckfühlers bekannt, bei dem die Membran aus einer Keramikplatte gebildet wird und eine Kondensatorplatte darstellt, die einer nicht beweglichen anderen Kondensatorplatte gegenübersteht. Ein Verfahren zur Herstellung einer Schutzvorrichtung vor elektrischen Störeinflüssen auf der Membran ist nicht vorgesehen.

Ferner ist aus der DE 31 37 219 ein Verfahren zur Herstellung eines Drucksensors bekannt, der aus zwei Halbschalen aus Glas, Keramik o. ä. besteht, wobei auf einer der Halbschalen ein Glasring vorzugsweise im Siebdruckverfahren aufgebracht wird, um den Abstand der beiden Halbschalen zu bestimmen.

Außerdem ist aus der DE 9 63 196 ein Verfahren zur Herstellung eines Druckfühlers zum Messen von Verbrennungsdrücken bekannt, bei dem Druckschwankungen über, auf einer Membran aufgebrachte, Widerstände gemessen werden. Um Meßverfälschungen aufgrund der bei der Verbrennung entstehenden hohen Temperatur zu verhindern, wird ein Wärmeisoliermittel zwischen einer Hilfsmembran und der Meßmembran eingefüllt, bzw. wird eine Asbestscheibe durch Einbördeln eines Gehäuseunterteils vor der Membran befestigt.

Ferner ist ein Verfahren zur Herstellung eines Druckfühlers einer Art bekannt, wobei elektrische Widerstände, die in einer Brückenausbildung verbunden sind, einstückig an einer Fläche einer in geeigneter Weise verform­ baren Membran oder eines verformbaren Substrats ausgebildet werden. Die Verformung oder Beanspruchung der Membran auf Grund eines auf diese aufgebrachten Drucks bewirkt eine Än­ derung im elektrischen Ausgang der Brückenschaltung der Wi­ derstände, so daß der auf die Membran einwirkende Druck durch das von der Brückenschaltung erzeugte elektrische Signal be­ stimmt werden kann. Beispiele dieser Art eines Druckfühlers, wobei die Membran aus keramischem Material besteht, wurden in jüngerer Zeit in den SAE-Reports 8 20 319 und 8 60 474 vorge­ schlagen.

Wie die beigefügte Fig. 4 zeigt, sind bei einem Druckfühler, der eine solche keramische Membran verwendet, mehrere Wider­ stände 10 einstückig an einer von zwei einander entgegenge­ setzten Hauptflächen der in Form einer dünnen Scheibe oder Folie vorliegenden keramischen Membran ausgebildet. Diese Membran 12 wird innerhalb einer Bohrung eines zylindrischen Metallgehäuses 16 derart gehalten, daß die Membran 12 an ih­ rem Außenumfangsteil durch einen keramischen Tragkörper 14, der ebenfalls in dem Metallgehäuse 16 aufgenommen ist, abge­ stützt wird. Das Metallgehäuse 16 hat an seiner einen Stirn­ seite eine Öffnung 18, durch die die andere oder erste der Hauptflächen der keramischen Membran 12 einer Atmosphäre in einem Außenraum ausgesetzt wird. Auf diese Weise wird die die einstückig mit ihr ausgebildeten Widerstände 10 aufwei­ sende keramische Membran 12 einem Druck einer äußeren At­ mosphäre (eines Meßmedius) ausgesetzt, die (das) durch die Öffnung 18 an der offenen Stirnseite des Metallgehäuses 16 eingeführt wird.

Der Druckfühler mit dem oben beschriebenen Aufbau wird in geeigneter Weise zum Messen eines Drucks in einem einer rela­ tiv hohen Temperatur ausgesetzten Raum verwendet. In diesem Fall neigt ein elektrischer Ausgang der Widerstände 10, der für den auf die Membran 12 wirkenden Druck kennzeichnend ist, dazu, durch eine elektromagnetische Welle im Meßraum oder in ihrem Umgebungsbereich beeinflußt zu werden. Insofern wird die Meßgenauigkeit des Druckfühlers durch eine derartige elektromagnetische Störung verschlechtert.

Wenn der Druckfühler beispielsweise zum Messen des Drucks innerhalb einer Zylinderbohrung einer Brennkraftmaschine, d.h. zur Bestimmung des Verbrennungsdrucks der Maschine, verwendet wird, so wird der elektrische Ausgang des Fühlers durch eine elektromagnetische Welle oder Störung, die bei einer Erregung von Glüh- oder Zündkerzen der Maschine auf­ tritt, beeinträchtigt, so daß der durch den elektrischen Aus­ gang des Druckfühlers wiedergegebene Druck einen Fehler oder eine Abweichung in einer gewissen Größenordnung gegenüber dem tatsächlichen Druck in der Zylinderbohrung einschließt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer keramischen Membran für einen Druckfühler gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 so weiterzubilden, daß ein effektiver Schutz mit ausreichender Haftung auf einen keramischen Körper aufgebracht werden kann und eine gleichmäßige Dicke des keramischen Körpers und der Schutzschicht sicher gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.

Eine vorteilhafte Weiterbildung ist im Patentanspruch 2 definiert.

Ein Druckfühler mit einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Membran weist ein Metall­ gehäuse mit einem eine Öffnung aufweisenden offenen Ende auf, eine innerhalb des Metallgehäuses derart aufgenommene Mem­ bran, daß diese an der einen (ersten) Fläche ihrer einander entgegengesetzten Hauptflächen dem Druck eines Meßmediums in einem äußeren Raum durch die Öffnung am offenen Ende des Metallgehäuses hindurch ausgesetzt ist, und wenigstens einen an der Keramikmembran ausgebildeten Widerstand, dessen elek­ trischer Widerstandswert sich mit dem auf die erste Fläche der Keramikmembran einwirkenden Druck ändert, so daß der Druck durch den elektrischen Widerstandswert bestimmt wird. Hierbei wird innerhalb des Metallgehäuses ein Abschirm­ glied, z.B. eine Abschirmschicht oder -lage, derart ange­ ordnet, daß dieses Abschirmglied sich zwischen dem wenigstens einen Widerstand sowie dem offenen Ende des Metallgehäuses befindet. Das Abschirmglied wird dazu ausgebildet, den wenigstens einen Widerstand gegenüber einer elektro­ magnetischen Welle, Störung oder Beeinflussung, die im äuße­ ren Raum vorliegt, zu schützen.

Bei dem Druckfühler mit dem oben erläu­ terten Aufbau wird/werden der Widerstand oder die Widerstän­ de an der keramischen Membran elektromagnetisch durch das Metallgehäuse und das Abschirmglied mit Bezug auf den äuße­ ren Meßraum, in dem ein Meßmedium, dessen Druck gemessen wer­ den soll, vorhanden ist, abgeschirmt. Demzufolge wird ein Einfluß einer elektromagnetischen Welle oder Störung im Außenraum auf den elektrischen Ausgang des Druckfühlers wirksam vermindert oder im wesentlichen beseitigt. Der Druckfühler ermöglicht folglich eine ausrei­ chend oder zufriedenstellend genaue Bestimmung des Drucks im äußeren Raum, wobei im wesentlichen kein Einfluß durch die elektromagnetische Störung in der Umgebung auftritt.

Wenn der Druckfühler mit der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Membran zum Messen des Drucks innerhalb einer Zylinderbohrung einer Brennkraftmaschine zum Einsatz kommt, so wird der elektrische Ausgang des Fühlers in geeigneter Weise gegenüber einer elektromagnetischen Wel­ le, die bei einer Erregung der Zündkerzen der Maschine er­ zeugt wird, geschützt, so daß der Druck in der Zylinderboh­ rung genau ohne einen nachteiligen Einfluß durch eine solche elektromagnetische Welle bestimmt werden kann.

In einer Ausführungsform gemäß der Erfindung ist oder sind der Widerstand oder die Widerstände an der anderen (zweiten) Hauptfläche der keramischen Membran, die vom Abschirmglied entfernt liegt, ausgebildet, wobei das Abschirmglied die dem Druck im Außenraum ausgesetzte (erste) Hauptfläche der kera­ mischen Membran bedeckt. In diesem Fall kann das Abschirmglied durch ein geeignetes Schutzelement abgedeckt werden.

Das Abschirmglied kann in geeigneter Weise an der ersten Hauptfläche der keramischen Membran ausgebildet werden, indem eine ungebrannte Dünnschicht eines elektrisch leitfähi­ gen Materials an einem ungebrannten Keramikkörper für die Membran ausgestaltet und dann die ungebrannte Dünnschicht mit dem ungebrannten Keramikkörper zusammen gebrannt wird.

Der Druckfühler kann ferner einen Stütz- oder Lagerkörper, der mit der vom Abschirmglied entfernten zweiten Hauptfläche der Membran in Berührung ist, und einen Zwischen- oder Ab­ standsring, welcher mit dem Lagerkörper zusammenwirkt, um die keramische Membran und das Abschirmglied festzuhalten, umfassen. In diesem Fall kann das metallische Gehäuse einen radial einwärts gerichteten Flansch oder Kragen aufweisen, der die Öffnung am offenen Ende des Gehäuses begrenzt. Dieser Abstandsring kann zwischen dem Flansch und dem Abschirmglied angeordnet sein.

Merkmale und Vortei­ le der Erfindung werden aus der folgenden, auf die Zeichnun­ gen Bezug nehmenden Beschreibung von bevorzugten Aus­ führungsbeispielen des Erfindungsgegenstandes deutlich. Es zeigt:

Fig. 1 einen lotrechten Teilschnitt durch einen Druckfüh­ ler in einer ersten Ausführungsform gemäß der Erfindung;

Fig. 2(a) ein Diagramm des elektrischen Ausgangssignals des Druckfühlers von Fig. 1, das den Druck in einer Zylinderbohrung einer Brennkraftmaschine wieder­ gibt;

Fig. 2(b) ein Diagramm des elektrischen Ausgangssignals eines herkömmlichen Druckfühlers, wobei dieses Signal ebenfalls den Druck in einer Zylinderbohrung wie­ dergibt;

Fig. 3 einen lotrechte Teilschnitt einer zweiten Ausführungsform eines Druckfühlers gemäß der Erfindung;

Fig. 4 einen lotrechten Teilschnitt durch einen herkömm­ lichen Druckfühler, der eingangs bereits erläu­ tert wurde.

Die Fig. 1 zeigt eine keramische Membran 20 eines Druckfüh­ lers, die im Ansprechen auf einen auf sie aufgebrachten Druck verformbar ist. Die Membran 20 ist eine runde Lage oder ein Folienteil aus einem keramischen Material und wird in einem Endabschnitt einer in einem zylindrischen Metallge­ häuse 28 ausgebildeten Bohrung 30 festgehalten. Im einzelnen wird innerhalb der Bohrung 30 des Gehäuses 28 ein zylindri­ scher, keramischer Stütz- oder Lagerkörper 22 derart angeord­ net, daß die eine Stirnseite des Lagerkörpers 22 im Außenum­ fangsbereich der keramischen Membran 20 an deren innerer (zweiter) Hauptfläche endet. Auf diese Weise wird die Mem­ bran 20 durch den Lagerkörper 22 gehalten oder an diesem be­ festigt.

Die kreisförmige keramische Membran 20 und der zylindrische keramische Lagerkörper 22 werden als ein einteiliger Körper mittels einer bekannten Technik unter Verwendung von geeigne­ tem keramischen Material, wie Aluminiumoxid, Zirkonia, Mullit oder Siliziumnitrid, ausgebildet. Eine ungebrannte, geformte Masse des ausgewählten keramischen Materials wird zu der Ke­ ramikstruktur 20, 22 gebrannt. Wenngleich die Membran 20 und der Lagerkörper 22 getrennt geformt und gebrannt sowie dann zu der einteiligen Struktur 20, 22 mittels eines Glas- oder anderen Haftmaterials verbunden werden können, so ist es vorzuziehen, daß eine einteilig geformte keramische Masse zu dem keramischen Körper 20, 22 gebrannt wird, wie das in der US-PS 48 64 271 vorgeschlagen ist, und zwar aus dem Ge­ sichtspunkt des Wärme- und Druckwiderstandes sowie der Fühl­ genauigkeit des Druckfühlers heraus.

Die durch die Widerstände 24 und die leitfähigen Streifen gebildete Brückenanordnung oder -schaltung dient als eine Verformungsfühleinrichtung, deren elektrischer Ausgang sich mit der Größe einer Verformung oder Beanspruchung der kera­ mischen Membran 20 in Abhängigkeit von einem auf diese auf­ gebrachten Druck ändert. Wenn die Membran 20 beansprucht und verformt wird, so vermindern oder erhöhen sich die Wi­ derstandswerte der Widerstände 24, und der elektrische Aus­ gang der Brückenschaltung wird einer externen Einrichtung zugeführt, um die Größe der Belastung oder Verformung der Membran 20 zu messen, wodurch der auf die Membran wirkende Druck oder die darauf wirkende Verformung wiedergegeben wer­ den. Wenngleich die Widerstände und die leitfähigen Strei­ fen aus irgendeinem in der einschlägigen Technik verwende­ ten Material gebildet werden können, so ist es insbesondere für die Widerstände 24 vorzuziehen, eine Mischung zu verwen­ den, die im wesentlichen aus einer ausgewählten elektrisch leitfähigen Komponente mit ausgezeichneten Hochtemperatur- Kennwerten und einer ausgewählten dielektrischen Komponente aus einem Glas- oder Keramikmaterial besteht, so daß die Brückenschaltung in hohem Maß in Umgebungen mit einer hohen Temperatur haltbar oder standfest ist.

Die andere (erste) Hauptfläche der keramischen Membran 20, die von den Widerständen 24 sowie dem Lagerkörper 22 entfernt liegt, wird im wesentlichen vollständig durch eine dünne Ab­ schirmschicht 26, die an dieser Fläche einstückig ausgebil­ det wird, abgedeckt.

Die Abschirmschicht 26 wird aus einer elektrisch leitfähigen Verbindung gebildet, welche aus einem geeigneten elektrisch leitfähigen Material, wie Pt, Au, Ag, Pd, Ni oder W, als eine Hauptkomponente und einem Glas- oder Keramikmaterial besteht. Die Dicke der Ab­ schirmschicht 26 wird so bestimmt, daß sie ausreichend gering ist, beispielsweise in der Größenordnung von 10 µm, um eine Verminderung oder einen Verlust der flexiblen Eigenschaften der Membran 20 zu vermeiden und dadurch eine ausreichende Empfindlichkeit der Membran 20 gegenüber auf diese aufge­ brachtem Druck zu gewährleisten.

Wie bereits gesagt wurde, werden die keramische Membran 20 mit den daran ausgebildeten Widerständen und der Abschirm­ schicht 26 sowie der keramische Lagerkörper 22 ortsfest in der Bohrung 30 des zylindrischen Metallgehäuses aufgenommen. Dieses Gehäuse 28 hat ein offenes Ende mit einem radial ein­ wärts gerichteten Flansch oder Kragen 32, der eine Öffnung 36 begrenzt. Die Außenoberfläche der Membran 20, die mit der Abschirmschicht 26 bedeckt ist, wird dem Druck im Außenraum durch die Öffnung 36 am offenen Ende des Gehäuses 28 hin­ durch ausgesetzt.

Zwischen der die äußere Fläche der Membran 20 bedeckenden Abschirmschicht 26 und der Innenfläche des Flansches 32 ist ein metallischer Zwischen- oder Abstandsring 34 derart ange­ ordnet, daß der Lagerkörper 22 und dieser Abstandsring 34 zusammen die Membran 20 sowie die Abschirmschicht 26 zwischen sich festhalten. Da die Abschirmschicht 26 mit dem Abstands­ ring 34 in direkter Berührung gehalten wird, ist die Abschirm­ schicht 26 mit dem Metallgehäuse 28 über den metallischen Abstandsring 34 elektrisch verbunden.

Wenn der Druckfühler mit dem beschriebenen Aufbau zum Messen des Drucks beispielsweise in einer Zylinderbohrung einer Brennkraftmaschine zum Einsatz kommt, so wird das Metallge­ häuse 28 derart angeordnet, daß die Öffnung 36 (Druckeinlaß­ öffnung) mit der Zylinderbohrung in Verbindung steht, damit der Druck in der Zylinderbohrung durch die Öffnung 36 auf die äußere Fläche der keramischen Membran 20, die durch die Abschirmschicht 26 bedeckt oder geschützt ist, aufgebracht wird. Wie in der einschlägigen Technik bekannt ist, bewirkt der auf die Membran 20 wirkende Druck in der Zylinderbohrung eine entsprechende Verformung der Membran, womit folglich der elektrische Widerstandswert der aus den Widerständen 24 gebildeten Brückenschaltung verändert wird. Auf diese Weise wird der Druck in der Zylinderbohrung als eine Änderung im elektrischen Ausgang der Brückenschaltung ermittelt. Üblicher­ weise wird der Druckfühler so eingebaut, daß das Metallge­ häuse 28 an Masse liegt, beispielsweise mit dem Zylinder der Maschine elektrisch verbunden ist.

Bei dem Druckfühler sind die Widerstände 24, deren elektrischer Ausgang sich mit einer Änderung in der Größe der Verformung oder Beanspruchung der keramischen Membran 20 ändert, von dem Metallgehäuse 28 und der Abschirm­ schicht 26 umgeben, so daß sie folglich vom äußeren Raum elektromagnetisch abgeschirmt sind, d.h., gegenüber einem elektromagnetischen Feld im äußeren Raum geschützt sind. Infolgedessen ist diese Anordnung dahingehend wirksam, einen Einfluß einer elektromagnetischen Welle oder Störung im äu­ ßeren Raum auf den elektrischen Ausgang des Fühlers (der Widerstände 24) zu vermindern oder im wesentlichen zu be­ seitigen.

Wenn der Druckfühler zum Messen des Drucks in der Zylinder­ bohrung einer Maschine verwendet wird, so wirkt folglich die Abschirmschicht 26 mit dem Metallgehäuse 28 zusammen, um eine Beeinflussung des elektrischen Ausgangs der Widerstände 24 durch eine elektromagnetische Welle oder Störung, die bei einer Erregung der Zündkerzen der Maschine auftritt, im we­ sentlichen zu eliminieren. Folglich kann der Druck in der Zylinderbohrung mit einer erheblich verbesserten Genauigkeit gemessen werden.

Mit dem Druckfühler wurde ein Versuch durch­ geführt, um den Druck in einer von vier Zylinderbohrungen einer Otto-Brennkraftmaschine zu messen. Der Versuch hat gezeigt, daß der Ausgang des Fühlers genau die tatsächliche Änderung des Drucks in der Zylinderbohrung ohne jeglichen Einfluß durch die von den Zündkerzen der Maschine erzeugte elektromagnetische Welle wiedergegeben hat, wie das Diagramm der Fig. 2(a) zeigt. Zum Vergleich zeigt das Diagramm der Fig. 2(b) ein elektrisches Ausgangssignal, das bei einem her­ kömmlichen Druckfühler erhalten wurde, bei dem im Gegensatz zum erfindungsgemäßen Druckfühler die keramische Membran nicht durch eine Abschirmschicht (26) abgedeckt ist. Aus den Diagrammen der Fig. 2(a) und 2(b) wird deutlich, daß der elektrische Ausgang des herkömmlichen Fühlers in erheblicher Weise durch die elektromagnetische Welle beeinflußt wird, die nicht nur durch die Zündkerze der Zylinderbohrung, in die der herkömmliche Fühler eingebaut worden ist, sondern auch durch die Zündkerzen der übrigen Zylinder der Maschine erzeugt wird.

Die Fig. 3 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes, wobei funktionell zu Fig. 1 gleichar­ tige Bauteile mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind und insofern deren Beschreibung unterbleibt.

Bei dem Druckfühler von Fig. 3 ist die gesamte Außenfläche der die keramische Membran 20 bedeckenden Abschirmschicht 26 durch eine daran ausgebildete Schutzschicht 38 geschützt.

Diese Schutzschicht 38 ist eine Dünnschicht aus einem hoch hitzebeständigen Material, wie Aluminiumoxid oder Beryllium­ oxid. Beispielsweise wird die Schutzschicht 38 gebildet, in­ dem ein ausgewähltes, hitzebeständiges Material durch einen Siebdruckvorgang oder eine geeignete Abscheidungs- bzw. Niederschlagstechnik an der freien Oberfläche der Siebdruck- Schutzschicht 26, die aus einem elektrisch leitfähigen Mate­ rial an der ungebrannten "grünen" Lage der Keramikmembran 20 ausgebildet ist, aufgebracht wird. Die Dicke dieser Schutzschicht 38 wird auch als relativ gering festgelegt, z.B. in der Größenordnung von 10 µm, um einen Verlust oder eine Verminderung der flexiblen Eigenschaften der Keramik­ membran 20 zu vermeiden und dadurch eine ausreichend hohe Empfindlichkeit gegenüber dem auf diese aufgebrachten Druck sicherzustellen.

Die Abschirmschicht 26 wird elektrisch mit dem geerdeten Lei­ ter der die Widerstände 24 umfassenden elektrischen Schaltung mittels eines Leiters verbunden, der durch ein geeigne­ tes Verfahren, wie eine Durchgangsloch-Galvanisiertechnik, ausgebildet wird.

Bei dem abgewandelten, erfindungsgemäßen Druckfühler der Fig. 3 bietet die Abschirmschicht 26 die gleichen Vorteile wie diese Schicht 26 bei dem Druckfühler in der vorherigen Ausführungsform. Zusätzlich dient die Schutzschicht 38 dazu, die Abschirmschicht 26 gegenüber dem Auftreffen einer Ver­ brennungsflamme in der Zylinderbohrung einer Brennkraftma­ schine zu schützen, wenn der Fühler zum Messen des Drucks in der Zylinderbohrung zum Einsatz kommt. Die Schutzschicht 38 erhöht insofern die Standfestigkeit bzw. Lebensdauer des Druckfühlers wirksam.

Ferner wurde gesagt, daß die erläuterten Ausführungsformen besonders für das Messen des Drucks in einer Zylinderbohrung einer Brennkraftmaschine geeignet sind, jedoch kann ein gemäß dem Prinzip der Erfindung aufgebauter Druckfühler in geeig­ neter Weise ebenfalls für das Messen oder Bestimmen des Drucks eines in einer Umgebung, die einer elektromagnetischen Welle ausgesetzt ist, vorhandenen Fluids verwendet werden.

Claims (2)

1. Verfahren zur Herstellung einer keramischen Membran für einen Druckfühler, bei dem eine dünne Schicht eines elektrisch leitfähigen Materials mittels eines Siebdruckverfahrens auf einen keramischen Körper der Membran aufgebracht wird und anschließend zusammen mit dem keramischen Körper gesintert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckvorgang auf dem ungebrannten keramischen Körper erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Sintern auf die elektrisch leitfähige Schicht eine weitere hitzebeständige Schicht aufgebracht wird.