Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung geht aus von einem Drucksensor nach der Gattung des
Anspruchs 1. Bei einem derartigen, aus der US-PS 46 20 438 bekannten
Druckgeber sind die elektronischen Bauteile auf einer keramischen
Platte angeordnet, die in Längsrichtung des Drucksensors nach dem
Gegenlager im Gehäuse befestigt ist. Die Piezoelemente befinden sich
auf der anderen Seite des Gegenlagers. Dadurch müssen die Piezoele
mente und die elektronischen Bauteile mit Hilfe von isolierten
Drahtstücken aufwendig miteinander verbunden werden. Die Baugröße
des Drucksensors wird dadurch ferner verlängert.The invention is based on a pressure sensor of the type of
Claim 1. In such a known from US-PS 46 20 438
Pressure sensors are the electronic components on a ceramic
Plate arranged in the longitudinal direction of the pressure sensor after the
Counter bearing is fixed in the housing. The piezo elements are located
on the other side of the counter bearing. As a result, the Piezoele
elements and the electronic components with the help of insulated
Pieces of wire are connected to one another in a complex manner. The size
the pressure sensor is thereby further extended.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Der erfindungsgemäße Drucksensor mit den kennzeichnenden Merkmalen
des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß der Sensor beson
ders platzsparend baut. Durch die Verwendung eines Hybrids, bei dem
auf dem Träger auf der einen Seite die Druckaufnehmerelemente und
auf der anderen Seite die elektronischen Bauteile angeordnet sind,
ist nur ein geringer Platzbedarf notwendig. Bei Verwendung einer
Drucktechnik kann mit Hilfe von Durchkontaktierungen durch den Trä
ger hindurch die Schaltung minimiert werden. Durch die Aussparungen
im Gegenlager ist genügend Platz für die Anordnung der elektroni
schen Bauteile und ferner kann im montierten Zustand ein leichter
Abgleich insbesondere durch Lasertrimmen vorgenommen werden. Dadurch
wird verhindert, daß bei im vormontierten Zustand abgeglichenen
elektronischen Bauteilen eine durch die Montage bedingte Offsetdrift
die Signale verfälscht werden. In besonders einfacher Weise können
die Kabel zu den Anschlüssen der elektronischen Bauteile geführt
werden. Die Haltbarkeit der Kontaktierungen wird dadurch auch ver
bessert. Durch die Auflage des Hybrids am Gegenlager mit Hilfe eines
Dichtrings ist eine spannungsarme Lagerung möglich. Ferner ist es
möglich, in der Praxis erprobte Standardbondtechniken zur Verbindung
der elektronischen Bauteile und der Aufnehmerelemente zu verwenden.
Der gesamte Hybrid, einschließlich der elektronischen Bauteile und
der Aufnehmer kann auch bereits vor dem Einbau in das Sensorgehäuse
überprüft werden. Dadurch ist eine einfache Montage des Drucksensors
möglich. Der Sensor ist somit kostengünstig herstellbar. Aufgrund
der räumlichen Anordnung herrscht bei den elektronischen Bauteilen
und den Aufnehmern nahezu die gleiche Temperatur. Aufwendige Maßnah
men zur Temperaturkompensation können dadurch entfallen.The pressure sensor according to the invention with the characteristic features
of claim 1 has the advantage that the sensor FITS
builds space-saving. By using a hybrid where
on the carrier on one side the pressure transducer elements and
on the other side the electronic components are arranged,
only a small amount of space is required. When using a
Printing technology can with the help of vias by the Trä
ger the circuit can be minimized. Through the cutouts
there is enough space in the counter bearing for the arrangement of the electronics
cal components and also in the assembled state can be a lighter
Adjustment can be made in particular by laser trimming. Thereby
is prevented from being adjusted in the pre-assembled state
electronic components an offset drift caused by assembly
the signals are falsified. In a particularly simple way
the cables lead to the connections of the electronic components
will. The durability of the contacts is also ver
improves. By placing the hybrid on the counter bearing with the help of a
Sealing rings allow low-stress storage. Furthermore, it is
possible, tried and tested standard bonding techniques for connection
the electronic components and the transducer elements.
The entire hybrid, including the electronic components and
the transducer can also be installed in the sensor housing
be checked. This makes the pressure sensor easy to install
possible. The sensor is thus inexpensive to manufacture. Because of
The spatial arrangement prevails with the electronic components
and the sensors almost the same temperature. Elaborate measure
This eliminates the need for temperature compensation.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor
teilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen Drucksensors
möglich.The measures listed in the subclaims provide for
partial developments of the pressure sensor specified in claim 1
possible.
Zeichnungdrawing
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung darge
stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es
zeigenAn embodiment of the invention is shown in the drawing
represents and explained in more detail in the following description. It
demonstrate
Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Drucksensor, die Fig. 2
einen Schnitt in Richtung II-II nach Fig. 1, die Fig. 1 shows a longitudinal section through a pressure sensor, Fig. 2 shows a section in the direction II-II of FIG. 1, the
Fig. 3
und 4 jeweils eine Abwandlung einer Einzelheit.
FIGS. 3 and 4 each show a modification of a detail.
Beschreibung des AusführungsbeispielsDescription of the embodiment
In Fig. 1 ist mit 10 das Gehäuse eines Drucksensors 11 zur Be
stimmung des Drucks im Brennraum einer Brennkraftmaschine bezeich
net. Es weist eine mittige, durchgehende, abgesetzte Bohrung 12 auf.
Die dem Brennraum zugewandte Öffnung 13 des Gehäuses 10 wird von ei
ner Membran 14 abgeschlossen. Die Membran 14 ist als sogenannte
Kappenmembran ausgebildet, wobei der Rand der Membran 14 umgebogen
ist und über das Ende des Schafts 15 des Gehäuses 10 geschoben ist.
Die Membran 14 sitzt dadurch fest am Gehäuse 10, liegt aber, um die
Beweglichkeit der Membran 14 zu gewährleisten, nicht direkt an der
Innenseite 16 des Schafts 15 an. Der Biegebereich der Membran 14
kann sich dadurch frei bewegen. Die Membran 14 ist im Bereich des
Randes am Schaft 15 angeschweißt. Besonders vorteilhaft ist die Mem
bran 14 aus einer Superlegierung, das heißt aus einer Legierung von
z. B. ca. 50% Ni, 20% Cr, 20% Fe ausgebildet. Am mittleren
Bereich der Membran 14 liegt ein Stempel 18 mit seinem einen Ende
an, der mit seinem anderen Ende an einem Aufnehmer 19 anliegt. Der
Stempel 18 kann aus Glaskeramik bestehen, um eine gute Wärmeiso
lierung zwischen dem Brennraum und dem Aufnehmer 19 zu gewähr
leisten. Als Aufnehmer kann, wie in der Fig. 1 dargestellt, z. B.
ein piezoresistives Element verwendet werden. Hierzu sind auf dem
Träger 21 des Hybrids 22 Dickschichtwiderstände aufgedruckt. Es kön
nen z. B. Cermet oder Plastic-Widerstände verwendet werden. Als Ma
terial für den Träger 21 eignet sich dann besonders Al2O3 als
Substrat. Als Aufnehmer kann aber z. B. auch ein piezokeramisches
Element, z. B. eine Quarzscheibe, das zwischen zwei elektrischen
Kontaktscheiben angeordnet ist, verwendet werden. Die Kontaktflä
chen zwischen den Kontaktscheiben und dem piezokeramischen Element
und dem Stempel sind dann geklebt, wobei z. B. ein hochtemperatur
fester Leitkleber verwendet werden kann. Auch hier kann die Kontakt
scheibe auf einem keramischen Träger aus Al2O3 des Hybrids auf
geklebt sein. Auf der anderen Seite des Trägers 21 können auch elek
tronische Bauteile 23, wie z. B. Transistoren, Widerstände, etc.
einer Auswerteschaltung angeordnet sein. Die elektronischen Bauteile
23 sind untereinander mit Dickschichtleiterbahnen oder Bonddrähten
24 verbunden. Durch Bohrungen im Träger wird mit Hilfe von Durchkon
taktierungen die Verbindung zum Aufnehmer 19 hergestellt. Der Träger
21 liegt im Bereich des Aufnehmers 19 mit seiner Unterseite an einem
in die Bohrung 12 eingepreßten Gegenlager 25 an. Das Gegenlager 25
weist im Bereich der elektrischen Bauteile durchgehende Bohrungen 26
auf. Durch diese Bohrungen 26 können die Abschlußleitungen 27 der
elektronischen Bauteile 23 geführt werden. Die Leitung 27 ist in
einer Tülle 29 des die Bohrung 12 abschließenden Deckels 30 befe
stigt. Über die Leitung 27 werden die Meßwerte zu einer nicht darge
stellten Auswerteschaltung und Steuereinrichtung der Brennkraftma
schine geführt. Um den Aufnehmer 19 und die elektronischen Bauteile
23 vor Umwelteinflüssen zu schützen, ist das Gehäuse mindestens im
Bereich der elektronischen Bauteile 23 mit einer Vergußmasse 31 aus
gegossen.In Fig. 1, 10, the housing of a pressure sensor 11 for loading atmospheric pressure in the combustion chamber of an internal combustion engine described net. It has a central, continuous, stepped bore 12 . The combustion chamber facing opening 13 of the housing 10 is closed by egg ner membrane 14 . The membrane 14 is designed as a so-called cap membrane, the edge of the membrane 14 being bent over and being pushed over the end of the shaft 15 of the housing 10 . As a result, the membrane 14 is firmly seated on the housing 10 , but in order to ensure the mobility of the membrane 14 , it does not lie directly against the inside 16 of the shaft 15 . The bending area of the membrane 14 can thereby move freely. The membrane 14 is welded to the shaft 15 in the region of the edge. Mem membrane 14 made of a super alloy, that is, of an alloy of e.g. B. about 50% Ni, 20% Cr, 20% Fe. At the central area of the membrane 14 , a plunger 18 bears with its one end, which bears with its other end against a sensor 19 . The stamp 18 can be made of glass ceramic to ensure good thermal insulation between the combustion chamber and the sensor 19 . As a sensor, as shown in Fig. 1, z. B. a piezoresistive element can be used. For this purpose, thick-film resistors 22 are printed on the carrier 21 of the hybrid. It can be z. B. cermet or plastic resistors can be used. As a material for the carrier 21 , Al 2 O 3 is particularly suitable as a substrate. As a sensor, however, B. also a piezoceramic element, e.g. B. a quartz disk, which is arranged between two electrical contact disks can be used. The contact surfaces between the contact disks and the piezoceramic element and the stamp are then glued, z. B. a high temperature resistant conductive adhesive can be used. Here, too, the contact disk can be glued onto a ceramic carrier made of Al 2 O 3 of the hybrid. On the other side of the carrier 21 can also electronic components 23 , such as. B. transistors, resistors, etc. of an evaluation circuit. The electronic components 23 are connected to one another with thick-film conductor tracks or bonding wires 24 . Through bores in the carrier, the connection to the transducer 19 is made with the help of through contacts. The carrier 21 lies in the area of the transducer 19 with its underside against a counter bearing 25 pressed into the bore 12 . The counter bearing 25 has through bores 26 in the area of the electrical components. The termination lines 27 of the electronic components 23 can be guided through these bores 26 . The line 27 is BEFE Stigt in a spout 29 of the cover 12 closing the bore 30 . Via line 27 , the measured values are passed to an evaluation circuit and control device of the internal combustion engine, not shown. In order to protect the transducer 19 and the electronic components 23 from environmental influences, the housing is cast with a potting compound 31 at least in the area of the electronic components 23 .
In der Fig. 1 weist das Gegenlager 25 einen Fortsatz 35 auf, mit
dem es an der Unterseite des Trägers 21 im Bereich des Aufnehmers 19
anliegt. Eine Auflage des Trägers 21 auf dem Gegenlager 25 in diesem
Bereich ist notwendig, um ein Durchbiegen des Trägers 21 im Bereich
des Aufnehmers 19 zu verhindern. Dies würde sonst zu Fehlmessungen
führen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn, wie in Fig. 2 darge
stellt, die Bohrungen 26 segmentartige Ausnehmungen darstellen, so
daß eine sternartige Ausbildung des Gegenlagers 25 entsteht. Die
elektronischen Bauteile des Hybrids 22 sind dann in mehrere Baugrup
pen zusammengefaßt, die jeweils im Bereich der Bohrungen 26 auf der
Unterseite des Trägers 21 angeordnet sind. So können die elektroni
schen Bauteile 23 des Hybrids 22 im Bereich einer Bohrung 26 zu ei
nem integrierten Schaltkreis (IC) zusammengruppiert sein, und in dem
anderen Bereich der Bohrung befinden sich die Abgleichwiderstände
und im Bereich einer weiteren Bohrung die Anschlüsse 27.
In Fig. 1, the counter bearing 25 has an extension 35 with which it rests on the underside of the carrier 21 in the area of the transducer 19 . It is necessary for the support 21 to rest on the counterbearing 25 in this area in order to prevent the support 21 from bending in the area of the receiver 19 . Otherwise this would lead to incorrect measurements. It is particularly advantageous if, as shown in Fig. 2 Darge, the holes 26 represent segment-like recesses, so that a star-like design of the counter bearing 25 is formed. The electronic components of the hybrid 22 are then grouped into a plurality of assemblies, which are each arranged in the region of the bores 26 on the underside of the carrier 21 . The electronic components 23 of the hybrid 22 can be grouped together in the area of a bore 26 to form an integrated circuit (IC), and in the other area of the bore there are the trimming resistors and in the area of a further bore the connections 27 .
Während beim Ausführungsbeispiel nach der Fig. 2 das Gegenlager nur
mit dem Fortsatz 35 auf der Unterseite des Trägers 21 aufliegt, ist
es bei der Ausführung nach der Fig. 3 möglich, den Träger 21 zu
sätzlich noch auf dem Rand 37 des Gegenlagers 25 zu lagern. Hierzu
ist auf dem Rand 37 ein Dichtring 38 angeordnet, auf dem der Träger
21 aufliegt. Dadurch ist eine spannungsarme Lagerung des Hybrids 22
auf dem Gegenlager 25 möglich. Statt des Dichtrings 38 kann aber
auch, wie in Fig. 4 dargestellt, der Rand 37a des Gegenlagers 25a
an der Unterseite des Trägers 21 anliegen. Durch die zusätzliche
seitliche Auflage des Trägers 21 auf dem Rand 37a bzw. des Dicht
rings 38 wird eine Bruchsicherheit des Drucksensors bei einem Herab
fallen aus einer vorgeschriebenen Mindesthöhe gewährleistet. Ferner
ist der Drucksensor dadurch gegenüber Stoßbelastungen gesichert.While in the embodiment according to FIG. 2 the counter bearing rests only with the extension 35 on the underside of the carrier 21 , it is possible in the embodiment according to FIG. 3 to additionally support the carrier 21 on the edge 37 of the counter bearing 25 . For this purpose, a sealing ring 38 is arranged on the edge 37 , on which the carrier 21 rests. This enables a low-stress mounting of the hybrid 22 on the counter bearing 25 . Instead of the sealing ring 38 , however, as shown in FIG. 4, the edge 37 a of the counterbearing 25 a can rest on the underside of the carrier 21 . The additional lateral support of the carrier 21 on the edge 37 a or the sealing ring 38 ensures break resistance of the pressure sensor in the event of a fall from a prescribed minimum height. Furthermore, the pressure sensor is thereby secured against shock loads.
Die Funktion eines Druckgebers ist allgemein bekannt und hier des
halb nicht näher ausführlich erläutert. Die über die Membran 14 und
den Stempel 18 auf den Aufnehmer 19 einwirkende Kraft erzeugt bei
einem piezoresistiven Element eine Widerstandsänderung, während es
bei einem piezokeramischen Element oder einem Quarzelement eine
durch Polarisationsänderung hervorgerufene Oberflächenladung be
wirkt. Dieses durch die Widerstandsänderung bzw. durch die Oberflä
chenladung hervorgerufene Meßsignal wird den elektronischen Bautei
len 23 des Hybrids 22 zugeführt. Es sind nur einfache Bondverbindun
gen zwischen den Kontaktscheiben und den Bauteilen bzw. zwischen den
Bauteilen untereinander notwendig. Aufgrund eines relativ langen
Stempels 18 sind die elektronischen Bauteile 33 relativ weit und so
mit geschützt vor Temperatureinflüssen vom Brennraum entfernt.The function of a pressure sensor is generally known and is therefore not explained in detail here. The force acting on the transducer 19 via the membrane 14 and the plunger 18 generates a change in resistance in a piezoresistive element, whereas a surface charge caused by a change in polarization acts on a piezoceramic element or a quartz element. This caused by the change in resistance or by the surface charge charge is the electronic components len 23 of the hybrid 22 supplied. Only simple bond connections between the contact disks and the components or between the components with one another are necessary. Due to a relatively long stamp 18 , the electronic components 33 are relatively far and thus also protected from the effects of temperature from the combustion chamber.