DE4103706A1 - Druckgeber zur druckerfassung im brennraum von brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem aus der DE-OS 31 25 640.6 bekannten Druckgeber, bei dem die piezoresistiven Meßelemente, wie zum Bei­ spiel Dickschichtwiderstände aus Cermet, Contactiv-Plastic oder Metall auf einem Träger aufgebracht sind. Das Widerstandselement und der Träger sind möglichst nahe am Druckraum angeordnet, um den herr­ schenden Druck bestimmen zu können. Ferner wird das Meßsignal mit Hilfe von elektrischen Leitungen zu einer außerhalb des Gehäuses des Druckgebers angeordneten elektronischen Auswerteschaltung geführt. Dadurch müssen die piezoresistiven Elemente und die elektronischen Bauteile mit Hilfe von abgeschirmten Leitungen aufwendig miteinander verbunden werden. Da das piezoresistive Meßelement direkt dem Druck ausgesetzt ist, ist es auch den im Brennraum herrschenden hohen Tem­ peraturen ausgesetzt. Die Flammen breiten sich dort mit einer Tempe­ ratur von ca. 2000°C aus, wodurch sich Verspannungen im Gehäuse er­ geben können. Dadurch wird das Drucksignal durch die hohen Tempera­ turen verfälscht.

Ferner ist aus der EP-OS 8 51 11 895.0 ein Drucksensor bekannt, bei dem der Dickschichtwiderstand am Boden eines Trägers angeordnet ist. Dieser Drucksensor ist aber nur für die Bestimmung des Drucks in Verteilerpumpen vorgesehen. Die im Brennraum herrschenden hohen Tem­ peraturen würden auch bei dieser Ausführung das Meßsignal verfäl­ schen.

In der US-PS 46 45 965 ist ein Drucksensor beschrieben, dessen Meß­ element aus piezoelektrischem Material besteht. Dieses piezoelektri­ sche Element ist in einem Gehäuse angeordnet, das zum Brennraum hin eine Öffnung aufweist. Diese Öffnung ist mit einer Membran abge­ schlossen, wobei das piezoelektrische Element über einen Stempel mit dieser Membran und somit mit dem im Verbrennungsraum herrschenden Druck in Wirkverbindung steht. Das piezoelektrische Element liegt an einer im Gehäuse ausgebildeten Schulter an. Durch die Verwendung des piezoelektrischen Elements ergeben sich auch konstruktive Unter­ schiede gegenüber dem Anmeldungsgegenstand. Im allgemeinen ist es erforderlich, daß das Meßelement potentialfrei arbeitet. Dadurch ist es notwendig, daß zusätzlich zu den beiden bereits notwendigen Kon­ taktscheiben für das piezoelektrische Element eine weitere Isolier­ scheibe zwischen der Kontaktscheibe und dem Gegenlager eingebaut ist. Die Kontaktierung der piezoelektrischen Keramikscheiben ist nur durch aufwendige Verschweißung von Drähten mit Kontaktscheiben bzw. mit Hilfe einer Aussparung im Stempel möglich. Da das piezokerami­ sche Element als diskretes Bauteil eingesetzt werden muß, baut es auch relativ teuer. Ferner sind mehrere aufwendige und das Meßsignal verfälschende Klebestellen erforderlich. Bereits im Normalfall bei einer piezoelektrischen Scheibe und zwei Kontaktscheiben ergeben sich dadurch vier Klebestellen; bei einem potentialfreien Sensor würde man auf fünf Klebestellen kommen. Aufgrund des zugrundelie­ genden Meßprinzips muß der Stempel unbedingt senkrecht auf das piezoelektrische Element aufgeklebt werden. Piezokeramische Elemente weisen einen nachteiligen, relativ hohen Temperaturgang der Meßemp­ findlichkeit auf, der zwischen 15% und 70% im Anwendungstempera­ turbereich liegen kann. Die Alterung über der Lebensdauer beträgt typisch von 2% bis 10%. Die Hysterese der Piezokeramik von 5% bis 25% ist sehr hoch und schränkt daher die Genauigkeit der Brennraum­ druckmessung deutlich ein. Insbesondere aber der mehrschichtige Auf­ bau der piezoelektrischen Anordnung macht einen relativ aufwendigen und komplizierten Einbau in das Gehäuse des Drucksensors notwendig. Bei piezoelektrischen Elementen wird im Unterschied zu piezoresisti­ ven Elementen bei Druckeinwirkung zur Meßsignalerzeugung eine Ladung und somit eine Spannung erzeugt. Diese Spannung wird abgegriffen und ausgewertet. Im Unterschied hierzu wird bei piezoresistiven Elemen­ ten eine Spannung angelegt, und der elektrische Widerstand im piezo­ resistiven Element wird durch den einwirkenden Druck verändert.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Drucksensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß piezoresistive Meßelemente prinzipiell potentialfrei sind, wenn sie auf einer iso­ lierenden Unterlage realisiert sind. Dadurch sind keine zusätzlichen konstruktiven Maßnahmen mehr notwendig. Ferner besteht ein piezore­ sistives Meßelement nur aus einer Schicht. Wird als piezoresistives Element ein Dickschichtwiderstand verwendet, so kann dieser in be­ sonders einfachen und somit äußerst preisgünstigen Standardtechniken aufgedruckt werden. Hierbei ist ein Drucken auf die kontaktierenden Leiterbahnen möglich, wobei an die Leiterbahnen die Anschlußleitun­ gen angelötet werden können. Im Unterschied zum piezoelektrischen Effekt sind beim piezoresistiven Element keine Klebestellen notwen­ dig. Um ein Verrutschen bei der Montage zu verhindern, kann even­ tuell zwischen dem Substrat und dem Gegenlager eine Klebeschicht vorhanden sein. Ohne großen konstruktiven Aufwand kann eine homogene Krafteinleitung auf das piezoresistive Element erreicht werden. Durch einfaches Anprägen einer weichen Stempelspitze an den Dick­ schichtwiderstand ist eine gleichmäßige Kraftverteilung über die ge­ samte belastete Fläche des Dickschichtwiderstands möglich. Es ist keine zusätzliche aufwendige Justage erforderlich. Piezoresistive Elemente, insbesondere Cermet-Dickschichtwiderstände haben einen geringen Temperaturgang der Meßempfindlichkeit, der nur zwischen 5% und 10% über den gesamten Anwendungstemperaturbereich gesehen be­ trägt. Die Alterung über der Lebensdauer der piezoresistiven Elemen­ te ist sehr gering und liegt unter 2%. Ferner weisen die piezoresi­ stiven Elemente nahezu keine Hysterese auf; sie liegt unter 1%. Bei der Verwendung von piezoresistiven Elementen können die am Ende des Stempels auftretenden Rauhigkeiten in einfacher Weise ausgeglichen werden. Durch die Verwendung eines relativ weichen Materials für den Stempel, aber insbesondere durch die Verwendung eines weichen Mate­ rials für das dem piezoresistiven Element zugewandte Ende des Stem­ pels ist eine gleichmäßige Krafteinleitung über den gesamten Berüh­ rungsbereich möglich.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor­ teilhafte Weiterbildungen des im Hauptanspruch angegebenen Sensors möglich.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung darge­ stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen Druckgeber und Fig. 2 eine Einzelheit.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

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 Gehauses 10 wird von einer Membran 14 abgeschlossen. Die Membran 14 ist als sogenannte Kappenmembran ausgebildet, wobei der Rand der Membran 14 umgebogen und über das Ende des Schafts 15 des Gehäuses 10 geschoben ist und dort festgeschweißt ist. Die Membran 14 sitzt dadurch fest am Gehäu­ se 10, liegt aber, um eine Beweglichkeit der Membran 14 zu gewähr­ leisten, 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. Be­ sonders vorteilhaft ist die Membran 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 piezoresistiven Meßelement 19 anliegt. Unter piezoresistiven Meßelementen sind Elemente zu verstehen, die ihren Widerstandswert unter Druckeinwirkung ändern. Hierzu können zum Beispiel Dick­ schichtwiderstände verwendet werden. Als Materialien können hierzu Cermet, Contactiv-Plastic oder Metall etc. Verwendung finden. Das Meßelement 19 ist auf den Träger 20 eines Hybrids 21 aufgedruckt oder aufgeklebt. Unter einem Hybrid ist normalerweise ein Träger aus einem Al₂O₃-Substrat mit aufgedruckten Schaltungsteilen, wie zum Beispiel Widerständen und Leiterbahnen etc. mit Halbleitern wie ICs (integrated circuit), die auf den Träger aufgesetzt sind und mit den Schaltungsteilen zum Beispiel durch Bonddrähte verbunden sind, zu verstehen. Der Stempel 18 selbst kann aus Glaskeramik bestehen, um somit eine gute Wärmeisolierung zwischen der Membran, das heißt zwi­ schen dem Druckraum dessen Druck bestimmt werden soll und dem piezo­ resistiven Meßelement zu gewährleisten. Das dem Hybrid 21 zugewandte Ende des Stempels 18 kann konisch ausgebildet sein, so daß sein Ende etwa den Durchmesser des Meßelements 19 aufweist. Dadurch ist es möglich, den Stempel 18 in der Bohrung 12 zu führen, hingegen aber den Bereich der Druckübertragung auf die Größe des Meßelements 19 zu begrenzen. Der Träger 20 des Hybrids liegt ferner an einem in die Bohrung 12 eingepreßten Gegenlagers 23 an.

Die konische Ausbildung des Endes des Stempels 18 kann notwendig sein, um die sich überdeckenden Flächen des piezoresistiven Meßele­ ments 19 und des Endes des Stempels 18 ungefähr aufeinander abzu­ stimmen. Würde man hingegen den gesamten Stempel in seinem Durch­ messer verringern, so könnte der Stempel eventuell bei der Druck­ übertragung abbrechen. Um eine möglichst definierte Krafteinleitung vom Stempel auf das piezoresistive Meßelement 19 zu gewährleisten, ist der Stempel 18 wenigstens im Endbereich 20 aus einem relativ weichen Werkstoff hergestellt. Dadurch ist es möglich, daß sich Oberflächenrauhigkeiten des Stempelendes nicht als Meßfehler im pie­ zoresistiven Meßelement 19 auswirken können, indem so ein Formschluß zwischen der Stirnfläche des Stempelendes und der Oberfläche des piezoresistiven Meßelements erreicht wird. Ferner wäre es auch denk­ bar, den gesamten Stempel 18 aus einem weichen Material herzustel­ len. Dadurch würde man aber wiederum die Steifigkeit des Stempels 18 negativ beeinflussen. Bei der Auswahl des Materials für den Stempel 18 ist auch zu berücksichtigen, daß der Stempel eine möglichst ge­ ringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen soll, so daß die Meßsignale nicht durch Temperaturschwankungen oder durch eine Beeinflussung durch die Temperatur selbst verfälscht werden. Eine gute geringe Wärmeleitfä­ higkeit weist zum Beispiel Glaskeramik auf. Als Material für den Be­ reich 20 des Stempels 18 kann zum Beispiel relativ weiches Metall, zum Beispiel Al, Messing, Cu, Kunststoff etc. verwendet werden. Das Material für den Bereich 20 braucht nicht auf die geringe Wärmeleit­ fähigkeit abgestimmt sein.

Neben dem piezoresistiven Meßelement 19 befinden sich auf derselben Seite des Trägers des Hybrids 22 auch die elektronischen Bauteile 25 der Auswerteschaltung, wie zum Beispiel Widerstände, Transistoren, etc. Die elektronischen Halbleiterbauteile 25 und das piezoresistive Meßelement 19 sind mit Hilfe von Bonddrähten 26 und Dickschichtlei­ terbahnen 27 verbunden. Über eine Leitung 28 wird der Ausgang der Aufbereitungsschaltung zu einer nicht dargestellten Auswerteschal­ tung und Steuereinrichtung der Brennkraftmaschine geführt. Hierzu weist das Gegenlager 23 eine etwa achsparallel zur Bohrung 12 ver­ laufende, durchgehende Bohrung 29 auf, in der die Ableitleitung 28 geführt wird. Die Leitung 28 ist in einer Tülle 30 des die Bohrung 12 abschließenden Deckels 31 befestigt. Zum Schutz vor schädlichen Umwelteinflüssen, wie zum Beispiel Feuchtigkeit, ist die Bohrung 12 im Bereich des piezoresistiven Meßelements 19 und der elektronischen Bauteile 25 und im Bereich zwischen dem Gegenlager 23 und dem Deckel 31 mit einer Vergußmasse 32 ausgegossen.

Statt einer Bohrung 29 kann auch am Gegenlager 23 ein Segment zur Durchführung der Leitung 28 ausgeschnitten sein. Das Gegenlager 23 kann aber auch in eine Bohrung 12 des Gehäuses 10 eingeschraubt sein.

In der Fig. 2 ist die erfindungsgemäße Ausbildung des piezoresisti­ ven Meßelements dargestellt. Auf dem Träger des Hybrids 22 aus Al₂O₃-Substrat sind eine erste (36) und eine zweite Leiterbahn 37 aufgedruckt. Zwischen den beiden Leiterbahnen 36, 37 ist eine er­ ste Widerstandsschicht 38 aufgedruckt, wobei die Enden der Wider­ standsbahn 38 mit den Enden der beiden Leiterbahnen 36, 37 überlap­ pen, um einen elektrischen Kontakt herzustellen. Auf diese erste Widerstandsbahn 38 sind schichtartig mehrere weitere Widerstandsbah­ nen 39 aufgedruckt. Diese weiteren Widerstandsbahnen sind dabei so angeordnet, daß eine Art Pyramide entsteht, was bedeutet, daß die Widerstände in aufsteigender Schichtenfolge jeweils kürzer ausgebil­ det sind und sich somit im Randbereich nicht überdecken oder über­ lappen. Die gesamte pyramidenförmige Anordnung der Widerstandsbahnen 38, 39 und wenigstens die Enden der Leiterbahnen sind mit einer Glasschicht 40, hergestellt aus einer Glaspaste, überdeckt, um eine elektrische Isolierung zu erreichen. Das Ende des Stempels 18 liegt mit seinem Bereich 20 so auf der Glasschicht 40 bzw. auf der letzten der Widerstandsbahnen 39 auf, daß der Stempel 18 ziemlich zentral nur auf dieser Widerstandsbahn 39 aufsetzt. Dies bedeutet, daß die Kraft ausschließlich im Bereich der obersten Widerstandsschicht ein­ geleitet wird und so Kraftnebenschlüsse vermieden werden.

Für eine besonders homogene Krafteinleitung auf das piezoresistive Element 19 soll der Stempel 18 eine weiche Spitze 20 aus z. B. Al, Messing, Cu, Kunststoff etc. aufweisen. Mit dieser weichen Spitze 20 ist der Stempel 18 auf das piezoresistive Element 19 und hier insbe­ sondere auf die Glasschicht 40 aufzudrücken. Der Druck sollte hierzu größer sein als der später zu bestimmende Druck. Hierzu kann ein Vielfaches des Maximaldrucks auf die Membran und den Stempel aufge­ bracht werden oder auch beim Einpressen des Gegenlagers 23 die vor­ gesehene Position bewußt überpreßt werden. Hierdurch entsteht eine Anprägung des weichen Stempelendes.

Es ist aber auch möglich, statt einem einzigen piezoresistiven Meß­ element mit einer pyramidenförmigen Ausbildung zusätzlich noch ein weiteres piezoresistives Meßelement auf dem Hybrid 22 anzuordnen oder gar 4 Meßelemente. Hierbei sind diese Widerstandselemente in einer Wheatstone′schen Halb- oder Vollbrückenschaltung miteinander verschaltet. Eines der beiden oder 2 von vier piezoresistiven Meß­ elemente wird dann vom Stempel 18 mit Druck beaufschlagt, während das andere piezoresistive Meßelement oder beide andere Meßelemente möglichst nahe im Bereich des ersten oder den beiden ersten piezore­ sistiven Meßelementen angeordnet sind, aber nicht mit Druck beauf­ schlagt sind. Dadurch ist es möglich, eine Temperaturkompensation durchzuführen, ohne zusätzliche elektronische Bauteile für eine Kom­ pensation von Temperaturschwankungen in der Auswerteschaltung vor­ sehen zu müssen.

Die verschiedenen Widerstandsbahnen 38, 39 können in oder quer zur Richtung des die Widerstandsbahnen durchfließenden Stroms gedrückt werden.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung des piezoresistiven Bauelements 19 sind besonders gute Meßwerte möglich. Ferner ist durch die Anord­ nung der Bauteile 25 auf einem Hybrid 22 eine besonders einfache Montage des Drucksensors 11 möglich. Außerhalb des Gehäuses 10 kann, das piezoresistive Element 19, die elektronischen Bauteile 25 und das Gegenlager 23 mit den Ableitungen 28 als eine Baueinheit vor­ montiert werden. Bereits außerhalb des Gehäuses 10 des Drucksensors 11 können somit die Bauteile 25 und das piezoresistive Meßelement 19 auf seine Funktionsfähigkeit hin überprüft werden. Bei der Endmon­ tage braucht somit nur noch die vormontierte, bereits überprüfte Einheit von einer Öffnung der Bohrung 12 her in das mit dem Stempel versehene Gehäuse 10 eingeschoben werden, bis der Stempel an der Membran 14 anliegt. Da das Gegenlager 23 in das Gehäuse 10 einge­ preßt ist, ist die Einheit im Gehäuse 10 leicht zentriert und fi­ xiert.

Claims (4)

1. Druckgeber (11) zur Druckerfassung im Brennraum von Brennkraft­ maschinen, insbesondere von Kraftfahrzeugen, in dessen Gehäuse (10) zwischen einer Topfmembran (14) und einem Sensorelement (19) ein den zu bestimmenden Druck auf das Sensorelement (19) einleitender Stem­ pel (18) angeordnet ist, wobei mindestens eine Gehäuseöffnung (13) von der Topfmembran (14) gegenüber dem zu bestimmenden Druck abge­ schlossen ist und die Topfmembran (14) im Bereich der Seitenwände am Schaft (15) des Gehäuses (10) angeschweißt ist und im Boden so fle­ xibel ausgebildet ist, daß der zu bestimmende Druck auf den Stempel (18) übertragbar ist, wobei das Sensorelement ein piezoresistives Meßelement (19) ist und sich auf einem auf dem Gegenlager (22) für den Stempel (18) befindlichen, aus keramischen Material bestehenden Träger (20) eines Hybrids (21) befindet, und wobei vom Meßelement (19) ein dem Druck entsprechendes elektrisches Signal erzeugt wird.

2. Druckgeber nach Ansrpuch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Topf­ membran (14) und das piezoresistive Meßelement (19) beim Aufsetzen der Topfmembran (14) auf die Gehäuseöffnung (13) mechanisch exakt auf das piezoresistive Meßelement (19) justiert ist.

3. Druckgeber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Meß­ element (19) ein Dickschichtwiderstand ist.

4. Druckgeber nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Dick­ schichtwiderstand aus dem Material Cermet besteht.