DE4022783A1

DE4022783A1 - Druckgeber zur druckerfassung im brennraum von brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE4022783A1
Application number: DE19904022783
Authority: DE
Inventors: Walter Benedikt; Manfred Dipl Ing Vogel; Werner Dipl Ing Dr Herden; Johann Dr Konrad; Wolfgang Schmidt; Josef Tosch; Matthias Dipl Ing Kuesell
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1990-07-18
Filing date: 1990-07-18
Publication date: 1992-01-23

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Druckgeber nach der Gattung des An spruchs 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.

Ferner ist es aus der nachveröffentlichten DE-OS 40 09 377.8 be kannt, den Sensorblock, bestehend aus einem piezoelektrischen Werk stoff, einer Kontaktscheibe und den elektronischen Bauteilen einer elektrischen Auswerteschaltung auf der der Membran zugewandten Seite einer keramischen Zwischenplatte anzuordnen. Diese Platte liegt mit ihrer anderen Seite an einem Gegenlager an. Dadurch sind aber mehre re Montageschritte und zusätzlicher Bauraum notwendig.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Drucksensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß sich die elektro nischen Bauteile auf einem aus Piezokeramischen Werkstoff bestehen den Hybrid befinden. Dadurch ist es möglich, Bauteile einzusparen und die Anschlußtechnik für die elektronischen Bauteile zu verein fachen. Der Hybrid kann in einem Arbeitsgang gleichzeitig mit den Leiterbahnen und den Kontaktflächen für den piezoelektrischen Effekt bedruckt werden. Ferner ist es möglich, einfache, in der Praxis er probte Standardbondtechniken zur Verbindung der elektronischen Bau teile und der Piezoelemente anzuwenden. Der gesamte Hybrid, ein schließlich der elektronischen Bauteile und der Piezoelemente, kann bereits vor dem Einbau in das Sensorgehäuse überprüft werden. Da durch ist eine einfache Montage des Drucksensors möglich. Insbeson dere seine Baulänge wird verkürzt. Ohne aufwendige Umkonstruierungen kann der Hybrid auch in Achsrichtung des Drucksensors in dessen Ge häuse eingebaut werden. Dadurch ergibt sich eine besonders schmale Bauform für den Drucksensor. Der Drucksensor ist kostengünstig her stellbar. Aufgrund der räumlichen Anordnung, insbesondere durch die Anordnung auf demselben Hybrid in unmittelbarer Nachbarschaft zuein ander, herrscht bei den elektronischen Teilen und den Piezoelementen nahezu die gleiche Temperatur. Aufwendige Maßnahmen zur Temperatur kompensation können dadurch entfallen. Vielmehr ist es möglich, mit Hilfe von elektronischen Bauteilen den systematischen Temperaturgang des als Piezoelement verwendeten Hybrids zu kompensieren. Ein elek trischer Anschluß des Piezoelementes ist mit dem Gehäuse verbunden, wodurch der Aufbau besonders einfach ist. Ein potentialfreier Aufbau ist durch eine zusätzliche Isolation und eine weitere Klebeschicht zu erreichen.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor teilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen Drucksensors möglich.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen Druckgeber und Fig. 2 einen Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In der 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 einer 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 eine Beweglichkeit der Membran 14 zu gewährleisten, nicht direkt an der Stirnseite 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 zum Beispiel 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 Hybrid 19 aus piezoelek trisch wirkendem Werkstoff angeordnet ist. Er kann z. B. aus piezo keramischem Werkstoff bestehen. Der Stempel 18 kann aus Glaskeramik bestehen. Der Hybrid 19 liegt ferner an einem in die Bohrung 12 ein gepreßten Gegenlager 20 an. Zwischen dem Stempel 18 und dem Hybrid 19 bzw. zwischen dem Hybrid 19 und dem Gegenlager 20 befindet sich jeweils eine Kontaktfläche 22, 23. Die Kontaktflächen 22, 23 werden in Dickschichttechnik auf das piezoelektrische Trägermaterial des Hybrids 19 gedruckt. Das Gegenlager 20 weist eine etwa achsparallel zur Bohrung 12 verlaufende, durchgehende Bohrung 26 auf, in der die Ableitung 27 geführt wird. Die Leitung 27 ist in einer Tülle 29 des die Bohrung 12 abschließenden Deckels 30 befestigt. Über die Leitung 27 werden die Meßwerte zu einer nicht dargestellten Auswerteschal tung und Steuereinrichtung der Brennkraftmaschine geführt. Statt einer Bohrung 26 kann auch am Gegenlager 20 ein Segment zur Durch führung der Leitung 27 ausgeschnitten sein.

Auf der dem Stempel zugewandten Seite des Hybrids 19 sind auf dem Hybrid 19 die elektronischen Bauteile 33, wie zum Beispiel Wider stände, Transistoren, etc. angeordnet. Die elektronischen Bauteile 33 sind mit Hilfe von Bonddrähten 34 und Dickschichtleiterbahnen 35 verbunden. Die Kontaktflächen 22, 23 werden direkt mit Bonddrähten an die elektonischen Bauteile 33 angeschlossen. Zum Schutz vor schädlichen Umwelteinflüssen, wie zum Beispiel Feuchtigkeit ist die Bohrung 12 im Bereich der elektronischen Bauteile 33 und im Bereich zwischen dem Gegenlager 20 und dem Deckel 30 mit einer Vergußmasse 36 ausgegossen.

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 das Hybrid 19 aus piezokeramischem Material ein wirkende Kraft erzeugt eine durch Polarisationsänderung hervorgeru fene Oberflächenladung des Hybrids 19. Die Oberflächenladung wird als Meßsignal über die Kontaktflächen 22, 23 abgegriffen. Da sich die elektronischen Bauteile 33 direkt auf dem Hybrid 19 und auf der dem Stempel 18 zugewandten Seite befinden, ist eine Meßsignalauswer tung in unmittelbarer Nachbarschaft der Gewinnung des Meßsignals möglich. Es sind nur einfache Bondverbindungen zwischen der Kontakt fläche 21 und den Bauteilen 33 bzw. zwischen den Bauteilen 33 un tereinander notwendig. Aufgrund eines relativ langen Stempels 18 sind die elektronischen Bauteile 33 relativ weit und somit geschützt vor Temperatureinflüssen vom Brennraum entfernt.

Ferner ist durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Hybrids aus piezoelektrisch wirkendem Material eine besonders einfache Montage des Drucksensors 11 möglich. Außerhalb des Gehäuses 10 kann bereits der Stempel 18, der Sensorblock 19, die Bauteile 33, die Platte 24 und das Gegenlager 20 mit den Ableitungen 27 als eine Baueinheit vormontiert werden. Bereits außerhalb des Gehäuses 10 des Drucksen sors 11 können somit die Bauteile 33 und der Hybrid 19 auf seine Funktionsfähigkeit hin überprüft werden. Bei der Endmontage braucht somit nur noch die vormontierte, bereits überprüfte Einheit von ei ner Öffnung der Bohrung 12 hier in das Gehäuse 10 eingeschoben wer den, bis sie an der Membran 14 anliegt. Da das Gegenlager 25 in das Gehäuse 10 eingepreßt ist, ist die Einheit im Gehäuse 10 leicht zen triert und fixiert.

Beim Ausführungsbeispiel nach der Fig. 2 ist der Hybrid im Unter schied zur Fig. 1 in Achsrichtung des Drucksensors 11a angeordnet. Dadurch baut der Drucksensor 11a nach Fig. 2 in Achsrichtung län ger, es ist aber eine besonders schmale Bauweise des Drucksensors 11a möglich. Dadurch kann der Drucksensor 11 in besonders einfacher Weise an spezielle Einbausituationen in der Brennkraftmaschine ange paßt werden. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1 ist der Hybrid hierbei nur um 90° gekippt angeordnet. Die Kontaktie rungsflächen 22a, 23a sind dann an den Stirnseiten des Hybrids 19 aufgedruckt. Die elektronischen Bauteile 33 sind auf einer der bei den um ca. 90° zur Achsrichtung des Drucksensors 11a ausgebildeten Seite des Hybrids 19 angeordnet. Bei der Auswahl des piezoelektri schen Werkstoffes für das Hybrid 19 ist jeweils darauf zu achten, daß durch den über den Stempel 18 eingeleiteten Druck eine Polarisa tionsänderung hervorgerufen werden kann.

Bei beiden Ausführungsbeispielen ist es möglich, statt mit einem Hybrid aus einer einzigen Scheibe aus piezoelektrischem Material auch mit mehreren piezoelektrisch wirkenden Elementen zu arbeiten. Als Material für das Hybrid 19 kann ein piezokeramisches Element oder ein Quarzelement verwendet werden. Sind mehrere Elemente übereinander angeordnet, so ist jeweils zwischen den Einzelelementen eine Kontaktierungsschicht anzuordnen.

Claims

1. Druckgeber (11) zur Druckerfassung im Brennraum von Brennkraftma schinen, insbesondere von Kraftfahrzeugen, in dessen Gehäuse (10) ein aus mindestens einem Piezoelektrisch wirkenden Werkstoff (21) und mindestens einer elektrisch leitenden Kontaktschicht (22, 23) bestehender Sensor (19), mindestens ein Stempel (18), ein Gegenlager (20), eine das Gehäuse (10) abschließende und am Stempel (18) anlie gende Membran (14) und eine elektrische Auswerteschaltung angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor einen Hybrid (19) be stehend aus einem piezoelektrisch wirkenden Werkstoff aufweist, auf dem die elektronischen Bauteile (33) der Auswerteschaltung angeord net sind.

2. Druckgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hy brid (19) aus piezokeramischen Werkstoff besteht.

3. Druckgeber nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hybrid (19) in Achsrichtung des Druckgebers (11) angeordnet ist.

4. Druckgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich net, daß die elektronischen Bauteile (33) und die Kontaktflächen (22, 23) des Sensors (19) mit Hilfe von Bonddrähten (34) und Dick schichtleiterbahnen (35) verbunden sind.

5. Druckgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich net, daß die Verbindungsflächen zwischen den Kontaktschichten (22, 23) und dem Hybrid (19) geklebt sind.

6. Druckgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich net, daß das Gegenlager (20) in das Gehäuse (10) eingepreßt ist.

7. Druckgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich net, daß im Gegenlager (20) eine Bohrung (26) zur Durchführung einer elektrischen Leitung (27) der Auswerteschaltung ausgebildet ist.

8. Druckgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeich net, daß am Gegenlager (20) ein abgeflachtes Segment (26) zur Durch führung elektrischer Leitungen (27) ausgebildet ist.

9. Druckgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeich net, daß der Stempel (18) aus Glaskeramik besteht.

10. Druckgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn zeichnet, daß das Gehäuse (10) im Bereich des Sensorblocks (19) und der elektronischen Bauteile (33) mit einer Vergußmasse vergossen ist.