DE4419138B4

DE4419138B4 - Hochtemperaturdrucksensor

Info

Publication number: DE4419138B4
Application number: DE4419138A
Authority: DE
Inventors: Seiichirou Ootake; Kazuyoshi Nagase; Shinji Toyohashi Ozaki; Makoto Handa Hatanaka
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1993-06-01
Filing date: 1994-05-30
Publication date: 2007-04-05
Anticipated expiration: 2014-05-31
Also published as: US5488868A; DE4419138A1; JPH0719981A; FR2706036A1; FR2706036B1

Abstract

Hochtemperaturdrucksensor, mit:
einem Gehäuse (1) mit einer von einer zylindrischen Wand (22) umgebenen Bohrung (13);
einem in der Bohrung vorgesehenen Durchbiegungs-Fühlerelement (6);
einem eine Öffnung der Bohrung verschließenden Membranabschnitt (20), der eine Druckeinwirkungsfläche (A) aufweist, auf die ein zu erfassender Druck einwirkt, wobei der Membranabschnitt in einer axialen Richtung der zylindrischen Wand auf den Druck, der auf die Druckeinwirkungsfläche einwirkt, hin biegbar ist; und
einem zwischen dem Membranabschnitt und dem Durchbiegungs-Fühlerelement angeordneten Druckübertragungsteil (7, 8) zum Übertragen der Durchbiegung des Membranabschnitts, die durch den Druck verursacht wird, zum Durchbiegungs-Fühlerelement;
wobei der Membranabschnitt aus einem einzigen Element besteht, das einen äußeren Umfangsabschnitt (2b), der an der zylindrischen Wand befestigt ist, einen geschlossenen zentralen Bodenabschnitt (2c) und einen konischen Abschnitt (2d) enthält, der den äußeren Umfangsabschnitt und den zentralen Bodenabschnitt verbindet,
wobei der zentrale Bodenabschnitt (2c) bezüglich des äußeren Umfangsabschnitts (2b) zurückversetzt ist,
der zentrale...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Hochtemperaturdrucksensor, der vorzugsweise zum Erfassen des Drucks des Verbrennungsgases in einem Zylinder einer Brennkraftmaschine verwendet wird.
In 10(A) ist ein Beispiel eines herkömmlichen Hochtemperaturdrucksensors dargestellt. Dieser herkömmliche Drucksensor umfaßt ein Gehäuse 1a mit einer von einer zylindrischen Wand 10a umgebenen Bohrung 10b, ein in der Bohrung 10b vorgesehenes Durchbiegungs-Fühlerelement 6a, eine Membran 2a, deren Umfangsende zum Verschließen der Öffnung der Bohrung 10b an der zylindrischen Wand 10a befestigt ist und die in einer axialen Richtung der zylindrischen Wand 10a biegbar ist, wenn der Druck eines eine hohe Temperatur aufweisenden Fluids auf ihre Oberfläche (nämlich die Druckfühlungsfläche) A einwirkt, sowie Druckübertragungsteile 7a und 8a, welche die Durchbiegung der Druckfühlungsfläche A auf das Durchbiegungs-Fühlerelement 6a übertragen. Ein derartiger Hochtemperaturdrucksensor ist beispielsweise in der ungeprüften japanischen Patentanmeldung mit der Nummer Hei 4-290937/1992 offenbart.
Die vordere bzw. äußere Oberfläche A der Membran 2a ist beispielsweise einem Verbrennungsgas ausgesetzt, während ihre hintere bzw. innere Oberfläche B der im Gehäuse 1a vorgesehenen Bohrung 10b gegenüberliegt. Aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen den Oberflächen A und B, die dann auftritt, wenn die Membran 2a Wärmeenergie aus dem Verbrennungsgas aufnimmt, tritt in der Oberfläche A eine größere Wärmeausdehnung als in der Oberfläche B auf. Die Membran 2a wölbt sich daher gemäß der Darstellung in 10(B) nach außen (nämlich zu einem Verbrennungsraum hin).
Die entsprechende Durchbiegung wird über die Übertragungsteile 7a und 8a auf das Durchbiegungs-Fühlerelement 6a übertragen, was zu entsprechenden Fehlern im Ausgangssignal führt. Die Meßgenauigkeit wird folglich verschlechtert.
Da die Temperaturdifferenz in Abhängigkeit vom jeweiligen Betriebszustand des Motors in weiten Bereichen schwankt, ist es sehr schwierig, die auf die Temperaturdifferenz zwischen den Oberflächen A und B zurückzuführende Durchbiegung der Druckfühlungsfläche auszuschalten.
In 11 ist die bei dem in 10 gezeigten Hochtemperaturdrucksensor auftretende Beziehung zwischen der jeweiligen Motordrehzahl und der maximalen Oberflächentemperatur der Membran 2a gezeigt, wobei eine der beiden Kennlinien einem großen und die andere einem kleinen Motorlastzustand entspricht. In 12 ist die Beziehung zwischen dem Kurbelwellenwinkel und der Oberflächentemperatur der Membran 2a bei einer vorbestimmten Motordrehzahl sowohl für den hohen als auch für den niedrigen Motorlastzustand dargestellt. Aus den 11 und 12 ist zu erkennen, daß die Temperatur der Oberfläche A der Membran 2a in Abhängigkeit von den Motordrehzahlen, den Motorbelastungen und den Kurbelwellenwinkeln in weiten Bereichen schwankt.
In 13 ist die Änderung eines tatsächlichen Sensorausgangssignals (durchgezogene Linie) und die Änderung eines tatsächlichen Zylinderdrucks (gestrichelte Linie) während eines vollständigen Verbrennungszyklus dargestellt. Wie aus 13 hervorgeht, ist das Sensorausgangssignal aufgrund des negativen Einflusses der auf die Temperaturdifferenz zwischen den Oberflächen A und B zurückzuführenden Durchbiegung der Membran 2a kleiner als der tatsächliche Zylinderdruck. Dies ist darauf zurückzuführen, daß der Druck des Verbrennungsgases allgemein als Kompressions- bzw. Druckkraft auf das Durchbiegungs-Fühlerelement 6a ein wirkt, während die thermische Durchbiegung der Membran 2a diese Druckkraft in unerwünschter Weise verringert.
Die Temperatur der Oberfläche A ändert sich in starkem Maße in Abhängigkeit von einer jeweiligen Temperaturänderung des Verbrennungsraums, die ihrerseits von der Motordrehzahl, der Motorbelastung und dem Kurbelwellenwinkel abhängt. Die Temperaturdifferenz zwischen den Oberflächen A und B ändert sich somit ebenfalls in starkem Maße in Abhängigkeit von der Motordrehzahl, der Motorbelastung und dem Kurbelwellenwinkel.
Die Temperatur der Oberfläche A ändert sich ebenfalls in Abhängigkeit von der Menge des auf der Oberfläche A angesammelten Rußes.

Die Druckschrift DE 4106102 A1 beschreibt einen Druckgeber zur Druckerfassung im Brennraum von Kraftmaschinen, bei dem die Kraft über eine Membran und einen Stempel auf ein piezoresistives Messelement eingeleitet wird. Das Messelement ist Teil eines monokristallinen Siliziumchips. Die Membran ist als sogenannte Kappenmembran ausgebildet, wobei der Rand der Membran umgebogen und über das Ende des Schafts des Gehäuses geschoben ist und dort festgeschweißt ist. Die Membran liegt, um eine Beweglichkeit der Membran zu gewährleisten, nicht direkt an der Stirnseite des Schafts an. Der Stempel liegt mit seinem einen Ende am mittleren Bereich der Membran an.

Die Druckschrift US 4 711 129 beschreibt einen Drucksensor, bei dem ein Messelement im Inneren eines Gehäuses angeordnet ist und eine Plattenmembran mit einem zentralen Bereich, einem ringförmigen Bereich um den zentralen Bereich und einem Umfangsbereich um den Ringbereich vorgesehen ist, wobei die Plattenmembran das Gehäuse gegen ein Mittel abdichtet, dessen Bruch gemessen werden soll. Die Plattenmembran ist mit dem Messelement an dessen Umfang verbunden und deckt das Messelement nach außen hin in Richtung des zu messenden Druckes nicht ab, sondern der zentrale Bereich der Membran bildet einen Ring um das Messelement. Der ringförmige Bereich der Plattenmembran besitzt im unbelasteten Zustand eine konische Gestalt, die sich in das Innere des Gehäuses erstreckt.

Angesichts dieser beim Stand der Technik auftretenden Probleme liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, einen Hochtemperaturdrucksensor zu schaffen, der sehr genau ist und mittels dem ein auf eine thermische Durchbiegung der Membran des Sensors zurückzuführender Messfehler verringert werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 anhand einer Querschnittsansicht ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hochtemperaturdrucksensors;
2(A) bis 2(H) anhand von Schnittansichten jeweilige Verfahrensschritte bei der Herstellung eines Halbleiter-Durchbiegungs-Fühlerelements;
3 in einer vergrößerten Querschnittsansicht einen wesentlichen Teil des Membranabschnitts bei diesem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
4 eine Draufsicht auf den in 3 gezeigten Teil;
5 anhand einer vergrößerten Querschnittsansicht einen wesentlichen Teil des Membranabschnitts bei diesem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
6 anhand einer Querschnittsansicht ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hochtemperaturdrucksensors;
7 anhand einer Querschnittsansicht ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hochtemperaturdrucksensors;
8 anhand einer Querschnittsansicht ein viertes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hochtemperaturdrucksensors;
9 anhand einer Querschnittsansicht ein fünftes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hochtemperaturdrucksensors;
10(A) anhand einer Querschnittsansicht einen herkömmlichen Hochtemperaturdrucksensor;
10(B) anhand einer Teilquerschnittsansicht einen Ausschnitt des in 10(A) gezeigten Hochtemperaturdrucksensors;
11 in einer graphischen Darstellung die Beziehung zwischen der Motordrehzahl und der Membran-Oberflächentemperatur bei dem in 10(A) gezeigten Sensor;
12 in einer graphischen Darstellung die Beziehung zwischen dem Kurbelwellenwinkel und der Membran-Oberflächentemperatur bei dem in 10(A) gezeigten Sensor; und
13 in einer graphischen Darstellung die Beziehung zwischen dem Kurbelwellenwinkel und dem Sensorausgangssignal bei dem in 10(A) gezeigten Sensor.
In 1 ist in einer Querschnittsansicht ein erfindungsgemäßer Hochtemperaturdrucksensor gezeigt, der am Motorblock einer Brennkraftmaschine montiert ist.
Dieser Hochtemperaturdrucksensor weist ein Gehäuse 1 auf, das aus einem rostfreien Zylinder mit offenen Enden besteht, der eine äußere Schraubfläche aufweist, die in ein in einem Zylinderkopf 100 des Motorblocks vorgesehenes Gewindeloch 100a eingeschraubt ist. Das Gehäuse 1 weist ein Basisende 11 mit einem einen größeren Durchmesser aufweisenden Abschnitt auf. Wenn das Gehäuse 1 fest in das Gewindeloch 100a eingeschraubt wird, wird dieses Basisende 11 über eine Dichtung 110 gegen eine äußere Fläche 100b des Zylinderkopfs 100 gepreßt, wodurch zwischen dem Gehäuse 1 und dem Zylinderkopf 100 eine Gasdichtheit geschaffen wird.
Das Gehäuse 1 weist ein offenes Ende auf, das einem Verbrennungsraum C gegenüberliegt bzw. zu diesem hingewandt ist. Eine Edelstahltasse bzw. -kappe 2 mit einem Boden 20 und einer zylindrischen Wand 22 mit dünner Wandstärke ist über dieses offene Ende eingefügt und mit Hilfe von Schweißnähten W mit dem Gehäuse 1 am Umfangsende des Bodens 20 verschweißt. Der Innenraum des Gehäuses 1, d.h. also eine Bohrung 13, ist daher gegenüber dem Verbrennungsraum C abgedichtet. Der Boden 20 weist einen zurückspringenden bzw. Ausnehmungsabschnitt 21 auf und ist in einer scheibenförmigen Gestalt ausgebildet. Die Oberfläche des Bodens 20 liegt dem Verbrennungsraum C gegenüber und ist in einer axialen Richtung der zylindrischen Wand 22 biegbar bzw. verformbar, wenn der Druck des eine hohe Temperatur aufweisenden Fluids aus dem Verbrennungsraum C auf sie einwirkt. Der Boden 20 hat daher die Funktion eines Membranabschnitts, der bei der Erfindung als Druckeinwirkungsfläche dient.
Der Vertiefungs- bzw. Ausnehmungsabschnitt 21 ist im Zentrum des Membranabschnitts 20 angeordnet. Insbesondere ist der Ausnehmungsabschnitt 21 grob in einen zentralen Bodenabschnitt und einen äußeren Umfangsabschnitt unterteilt. Der zentrale Bodenabschnitt entspricht dem Ausnehmungsab schnitt 21, der von der Verbrennungskammer C in axialer Richtung zurückspringt.
Ein Stopfen bzw. Halter 4 in Form einer metallischen Rundstange ist durch eine Öffnung der Kappe 2 eingefügt und an der Innenfläche der zylindrischen Wand 22 angeschweißt. Der Halter 4 weist eine Vielzahl von Durchgangslöchern auf, die sich in axialer Richtung der zylindrischen Wand 22 erstrecken. Ein metallischer Elektrodenstift (harter Stift) ist unter hermetischer Abdichtung in jedes Durchgangsloch eingefügt. Der Halter 4 und die Kappe 2 definieren daher gemeinsam einen hermetischen bzw. luftdicht abgeschlossenen Raum S, d.h. die Bohrung 13.
Der Halter 4 weist eine dem hermetisch abgedichteten Raum S zugewandte Endfläche auf. Ein Halbleiter-Durchbiegungs-Fühlerelement 6 wie beispielsweise ein piezoelektrisches Keramikelement ist auf die Endfläche des Halters 4 aufgeklebt. Das Halbleiter-Durchbiegungs-Fühlerelement 6 stellt das erfindungsgemäße Durchbiegungs-Fühlerelement dar.
Eine keramische Rundstange 7 und ein pilzförmiges Metallteil 8 sind in Reihe miteinander verbunden und zwischen dem Membranabschnitt 20 und dem Halbleiter-Durchbiegungs-Fühlerelement 6 angeordnet. Das pilzförmige Teil 8 weist an seinem Boden eine flache Endfläche auf, die an die Oberfläche eines stabförmigen Wafers (der später näher beschrieben wird) des Halbleiter-Durchbiegungs-Fühlerelements 6 angeklebt ist. Das pilzförmige Teil 8 weist an seinem Kopf eine halbkugelförmige Fläche auf, die an eine Endfläche (nämlich eine in 1 gezeigte untere Endfläche) der Rundstange 7 angeklebt ist. Die andere Endfläche der Rundstange 7 ist an die hintere Fläche, d.h. eine konvexe Oberfläche, des Ausnehmungsabschnitts 21 angeklebt.
Da die halbkugelförmige Fläche des pilzförmigen Teils 8 an ihrem obersten Punkt, der das radiale Zentrum des pilzförmigen Teils 8 darstellt, mit der Rundstange 7 in Kontakt gebracht ist, kann eine aus dem Membranabschnitt 20 über die Rundstange 7 wirkende Kraft an einer Achse des pilzförmigen Teils 8 aufgenommen werden. Die Rundstange 7 und das pilzförmige Teil 8 haben bei der Erfindung die Funktion eines Druckübertragungsteils, das zwischen dem Membranabschnitt 20 und dem Halbleiter-Durchbiegungs-Fühlerelement 6 angeordnet ist, um die Durchbiegung der Druckeinwirkungsfläche A des Membranabschnitts 20 auf das Halbleiter-Durchbiegungs-Fühlerelement 6 zu übertragen. Der Membranabschnitt 20, die Rundstange 7, das pilzförmige Teil 8 und das Halbleiter-Durchbiegungs-Fühlerelement 6 werden durch eine vorbestimmte Kompressions- bzw. Druckkraft zusammengehalten, die sich aus der Durchbiegung des Membranabschnitts 20 ergibt, wodurch ihre gegenseitige Verbindungskraft erhöht wird. Da die Rundstange 7 aus Keramikmaterial wie beispielsweise Aluminiumoxid hergestellt ist, kann die Menge der zum Halbleiter-Durchbiegungs-Fühlerelement 6 übertragenen Wärme deutlich verringert werden. Das den größeren Durchmesser aufweisende Basisende 11 des Gehäuses 1 weist einen Innenraum auf, der einen Behälter 9 beherbergt, der eine (nicht gezeigte) Verstärkungsschaltvorrichtung enthält, mittels der ein Ausgangssignal des Halbleiter-Durchbiegungs-Fühlerelements 6 verstärkt wird.
Ein Ende jedes metallischen Elektrodenstifts 5 ist mit einer entsprechenden Ausgangselektrode des Halbleiter-Durchbiegungs-Fühlerelements 6 drahtbondiert bzw. kontaktiert. Das andere Ende des metallischen Elektrodenstifts 5 ist in den Behälter 9 geführt und an einer entsprechenden Elektrode der Verstärkungsschaltvorrichtung angelötet.
Das Halbleiter-Durchbiegungs-Fühlerelement 6 wird nachfolgend in näheren Einzelheiten erläutert.
In den 2(A) bis 2(H) sind jeweilige Verfahrensschritte zur Herstellung eines derartigen Halbleiter-Durchbiegungs-Fühlerelements 6 dargestellt. Gemäß der Darstellung in 2(A) hat ein eine Kristallachse bzw. -Orientierung von <110> aufweisender Siliziumwafer (d.h. ein Lehren- bzw. Meßwafer) 60 mit n^--Leitfähigkeit eine Oberfläche mit einem Bereich 61, der als Piezowiderstand dient, welcher durch ein Maskenmuster 62 definiert ist.
Der Bereich 61 wird einer Ioneninjektion bzw. Ionenimplantation unterzogen, um eine Diffusion und eine Aktivierung hervorzurufen, womit ein Durchbiegungs-Fühlerabschnitt 6a gebildet wird, der eine Wheatstonebrücke aus Piezowiderstandsmaterial ist; siehe hierzu die Darstellung in 2(B). Ein aus Siliziumoxidfilm hergestellter Schutzfilm 63 wird daraufhin gemäß der Darstellung in 2(C) auf der oberen Oberfläche des Wafers 60 mittels eines thermischen Oxidationsverfahrens ausgebildet.
Daraufhin wird gemäß der Darstellung in 2(D) ein Wafer (d.h. ein Stabwafer) 64 mit einer Kristallachse von <110> vorbereitet. Anschließend werden beide Wafer 60 und 64 gemäß der Darstellung in 2(E) in einer sauberen Atmosphäre direkt miteinander verbunden bzw. verklebt.
Anschließend wird gemäß der Darstellung in 2(F) ein scheibenförmiges Maskenmuster 65 auf die obere Oberfläche des Stabwafers 64 gesetzt. Indem der Stabwafer 64 einer anisotropen Ätzung unterzogen wird, werden gemäß der Darstellung in 2(G) eine Vielzahl von Stäben 66 ausgebildet. Mittels eines Photolitographieverfahrens werden in der Nachbarschaft jedes Stabs 66 Aluminiumelektroden 67 ausgebildet. Nach einem würfelartigen Zerteilen bzw. Dicen wird schließlich ein Chip erhalten. Es sei darauf hingewiesen, daß das Halbleiter-Durchbiegungs-Fühlerelement 6 auch mit anderen bekannten Verfahren anstelle des vorstehend beschriebenen Herstellungsverfahrens hergestellt werden kann.
Nachfolgend wird die Arbeitsweise dieses Hochtemperaturdruckfühlers näher erläutert.
Wenn in dem Zylinderkopf 100 des Motors eine Explosion auftritt, wirkt die dadurch hervorgerufene Druckwelle auf den Membranabschnitt 20 ein. Die entsprechende Durchbiegung des Membranabschnitts 20 wird über die Rundstange 1 und das pilzförmige Teil 8 auf das Halbleiter-Durchbiegungs-Fühlerelement 6 übertragen. Im Ansprechen auf die jeweilige Größe der übertragenen Durchbiegung erzeugt das Fühlerelement 6 seinerseits ein Brücken-Ausgangssignal. Das Brücken-Ausgangssignal wird daraufhin der Verstärkungsschaltvorrichtung zugeführt, welche dieses Signal verstärkt und schließlich den jeweils zugeordneten Vorrichtungen zuführt.
Nunmehr wird die Funktion und Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Membranabschnitts 20 näher erläutert.
Da der kreisförmige bzw. runde Membranabschnitt 20 an seinem radialen Zentrum die Ausnehmung 21 aufweist, kann die Wärmeausdehnung des Membranabschnitts 20 hin zum Verbrennungsraum C wirksam unterdrückt werden. Dieser Mechanismus wird nunmehr unter Bezugnahme auf 3 im einzelnen erläutert. Der Membranabschnitt 20 weist eine vordere bzw. äußere Fläche (d.h. die Druckeinwirkungsfläche) A, die dem Verbrennungsraum C zugewandt ist, und eine hintere bzw. innere Fläche B auf, die der Bohrung 13 (d.h. dem hermetisch abgedichteten Raum S) zugewandt ist. Der Membranabschnitt 20 weist einen zentralen Bodenabschnitt 2c und einen äußeren Umfangsabschnitt 2b auf, deren Oberflächen flach sind und parallel zueinander verlaufen. Diese flachen Abschnitte bzw. Bereiche 2b und 2c sind über einen konischen bzw. schräg verlaufenden Abschnitt 2d miteinander verbunden. Der Ausnehmungsabschnitt 21 wird somit durch den zentralen Bodenabschnitt 2c, der als Boden des Ausnehmungsabschnitts 21 dient, und durch den konischen Abschnitt 2d gebildet, der als geneigte Wand des Ausnehmungsabschnitts 21 dient. Der am vorderen Ende des Membranabschnitts angeordnete äußere Umfangsabschnitt 2b hat eine Dicke t₁ und der zentrale Bodenabschnitt 2c hat eine Dicke t₂. Der konische Abschnitt 2d hat eine Dicke t₃, die nicht größer als die jeweilige Dicke t₁ und t₂ des äußeren Umfangsabschnitts 2b bzw. des zentralen Bodenabschnitts 2c ist. Somit gilt die Beziehung: t₃ ≤ t₁ und t₃ ≤ t₂.
Die vordere Oberfläche bzw. Frontfläche A des Membranabschnitts 20 ist im Vergleich zur Oberfläche B einer relativ starken thermischen Beanspruchung ausgesetzt. Wenn der Membranabschnitt 20 erwärmt wird, nimmt die Temperaturdifferenz zwischen den Oberflächen A und B zu, was zu einer Wärmeausdehnung der Oberfläche A in Bezug zur Oberfläche B führt. Der äußere Umfangsabschnitt 2b steht daher entlang des durchgezogenen Pfeils X zum Verbrennungsraum C hin hervor. Der zentrale Bodenabschnitt 2c hat demgegenüber das Bestreben, entlang des gestrichelten Pfeils Y zum Verbrennungsraum C hin hervorzuragen, wodurch eine eine konvexe Form aufweisende Verformung hervorgerufen wird, die zum Verbrennungsraum C hinweist, wie dies durch die gestrichelte Linie in 3 angedeutet ist. Da das Hervorragen bzw. die Auswärtsbewegung des zentralen Bodenabschnitts 2c durch die Rückwärtsverschiebung bzw. Einwärtsbewegung des zentralen Bodenabschnitts 2c selbst ausgeglichen wird, ist es jedoch möglich, den Betrag der Vorwärtsbewegung des Zentrums des zentralen Bodenabschnitts 2c (d.h. am radialen Zentrum des Ausnehmungsabschnitts 21) bis auf den Wert Null zu unterdrücken. Mit anderen Worten, die in der mit Z bezeichneten Richtung verlaufende Wärmeausdehnung des konischen Abschnitts 2d aborbiert die in der mit Y bezeichneten Richtung verlaufende Wärmeausdehnung des zentralen Bodenabschnitts 2c. Dies ist darauf zurückzuführen, daß der konische Abschnitt 2d eine relativ größere Wärmeausdehnung als die flachen Abschnitte 2b und 2c bewirkt, da die Dicke t₃ des konischen Abschnitts 2d nicht größer als die jeweilige Dicke t₁ und t₂ der flachen Abschnitte 2b und 2c ist. Mit der gestrichelten Linie ist in 3 ein Wärmeausdehnungszustand des Membranabschnitts 20 angedeutet.
Das vordere Ende der Rundstange 7 wird erfindungsgemäß mit dem radialen Zentrum des Ausnehmungsabschitts 21, das gegenüber der Wärmeausdehnung am stabilsten bzw. unempfindlichsten ist, in Kontakt gebracht. Die Rundstange 7 ist daher von einer negativen Auswirkung der Temperaturdifferenz zwischen den Oberflächen A und B nahezu völlig unbeeinflußt. Das erfindungsgemäße Halbleiter-Durchbiegungs-Fühlerelement 6 kann daher eine hohe Meßgenauigkeit aufrechterhalten. Der Ausnehmungsabschnitt 21 hat gemäß der Darstellung in 4 eine kreisförmige bzw. runde Gestalt, die symmetrisch um eine zentrale Achse des Membranabschnitts 20 verläuft. Jedoch ist es möglich, den Membranabschnitt in irgendeiner anderen Form auszubilden, wie beispielsweise mit einer rechteckförmigen oder sternförmigen Gestalt, solange diese Gestalt symmetrisch zur zentralen Achse des Membranabschnitts 20 ist.
In 5 ist ein modifiziertes Druckübertragungsteil 70 gezeigt, das einen halbkugelförmigen Kopf aufweist, der die hintere Oberfläche B des Ausnehmungsabschnitts 21 an einem zentralen Punkt kontaktiert. Das Druckübertragungsteil 70 kann daher auf sichere Weise mit dem radialen Zentrum des Ausnehmungsabschnitts 21 in Kontakt gebracht werden. Eine negative Auswirkung der Temperaturdifferenz zwischen den Oberflächen A und B kann folglich noch besser unterdrückt werden. In entsprechender Weise ist es möglich, die Meßgenauigkeit des Sensors weiter zu verbessern.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 6 ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hochtemperaturdrucksensors näher erläutert.
Bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel hat ein Membranabschnitt 200 in Übereinstimmung mit dem in 10(A) gezeigten herkömmlichen Membranabschnitt 2a selbst keinen Ausnehmungsabschnitt, sondern stattdessen einen einen geringeren Durchmesser aufweisenden Schaft bzw. Stiel 201, der integral auf der Oberfläche A des Membranabschnitts 200 an dessen radialem Zentrum ausgebildet ist. An der Spitze dieses Stiels 201 ist eine scheibenförmige Wärmeisolierplatte 202 integral ausgebildet, die sich parallel zur Oberfläche A des Membranabschnitts 200 erstreckt. Die Fläche der Wärmeisolierplatte 202 ist identisch zu der des Membranabschnitts 200.
Mittels dieser Anordnung wird verhindert, daß der Membranabschnitt 200 der von dem Verbrennungsgas ausgesendeten Wärmestrahlung direkt ausgesetzt ist. Wenn sich die Temperatur des Verbrennungsgases aufgrund verschiedener Motorbetriebszustände ändert, kann als Folge davon die Temperaturänderung der Oberfläche A des Membranabschnitts 200 bis auf einen relativ kleinen Bereich unterdrückt werden. Der Betrag der Durchbiegung des Membranabschnitts 200 kann daher verringert werden und der Ausgangssignalfehler des Halbleiter-Durchbiegungs-Fühlerelements 6 kann verringert werden.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 7 ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hochtemperaturdrucksensors näher erläutert.
Bei diesem dritten Ausführungsbeispiel weist ein Membranabschnitt 210 in gleicher Weise wie der Membranabschnitt 20 des ersten Ausführungsbeispiels einen Ausnehmungsabschnitt auf. Der Membranabschnitt 210 weist weiterhin einen einen kleineren Durchmesser aufweisenden Stiel 211 auf, der vom radialen Zentrum der Oberfläche A des Membranabschnitts 210 hervorragt. An der Spitze dieses Stiels 211 ist eine scheibenförmige Wärmeisolierplatte 212 ausgebildet, die sich parallel zur Oberfläche A des Membranab schnitts 210 erstreckt. Die Fläche der Wärmeisolierplatte 212 ist identisch mit der des Membranabschnitts 210.
Mittels einer derartigen Anordnung können die vorteilhaften Wirkungen der ersten beiden Ausführungsbeispiele gemeinsam genutzt werden.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 8 ein viertes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hochtemperaturdrucksensors näher erläutert.
Bei diesem vierten Ausführungsbeispiel weist ein Membranabschnitt 220 in gleicher Weise wie der Membranabschnitt 20 des ersten Ausführungsbeispiels einen Ausnehmungsabschnitt auf. Der Membranabschnitt 220 ist von einer rostfreien Wärmeisolierkappe bzw. -Abdeckung 221 bedeckt. Das Umfangsende des Membranabschnitts 220 ist mit dem offenen zylindrischen Ende der Wärmeisolierkappe 221 gekoppelt. Eine Vielzahl von Verbrennungsgas-Einlaß/Auslaß-Öffnungen 222 sind an der dünnen zylindrischen Wand der wärmeisolierkappe 221 vorgesehen, so daß die Oberfläche A der Membran 220 dem Verbrennungsgas innerhalb des Verbrennungsraums ausgesetzt werden kann. Mittels dieser Anordnung wird verhindert, daß der Membranabschnitt 220 die vom Verbrennungsgas ausgesendete Strahlungsenergie direkt aufnimmt. Wenn sich die Temperatur des Verbrennungsgases aufgrund verschiedener Motorbetriebszustände ändert, kann folglich die Temperaturänderung der Oberfläche A des Membranabschnitts 220 bis auf einen relativ kleinen Bereich unterdrückt werden. Der Betrag der Durchbiegung des Membranabschnitts 220 wird daher verhindert und der Ausgangssignalfehler des Halbleiter-Durchbiegungs-Fühlerelements 6 kann verringert werden.
Nunmehr wird unter Bezugnahme auf 9 ein fünftes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hochtemperaturdrucksensors näher erläutert.
Bei diesem fünften Ausführungsbeispiel weist ein Membranabschnitt 230 in gleicher Weise wie der Membranabschnitt 20 des ersten Ausführungsbeispiels einen Ausnehmungsabschnitt auf. Die Oberfläche A des Membranabschnitts 230 ist durch eine Wärmeisolierschicht 231 aus Keramikmaterial (wie beispielsweise Aluminiumoxid) beschichtet. Mittels dieser Anordnung wird auf gleiche Weise wie bei den zweiten bis vierten Ausführungsbeispielen verhindert, daß der Membranabschnitt 230 die vom Verbrennungsgas ausgesendete Strahlungsenergie direkt empfängt.
Bezüglich noch weiterer Wirkungen und Vorteile der Erfindung wird ausdrücklich auf den Offenbarungsgehalt der Figuren verwiesen.
Vorstehend wurde ein Hochtemperaturdrucksensor offenbart, bei dem in einem Membranabschnitt eine Durchbiegung hervorgerufen wird, wenn auf die Druckfühlerfläche des Membranabschnitts der Druck eines eine hohe Temperatur aufweisenden Fluids einwirkt. Diese Durchbiegung wird über Druckübertragungsteile zu einem Ablenkungs-Erfassungsteil übertragen, das im Ansprechen auf den empfangenen Druck ein elektrisches Signal erzeugt. Der Membranabschnitt weist erfindungsgemäß an seinem Zentrum einen Ausnehmungsabschnitt auf. Der Ausnehmungsabschnitt verläuft symmetrisch um eine zentrale Achse des Membranabschnitts. Ein spitzes Ende des Druckübertragungsteils ist mit dem Ausnehmungsabschnitt an einem zentralen Punkt in Kontakt gebracht. Ein konischer Abschnitt der Membran weist eine Dicke auf, die nicht größer als die Dicke eines äußeren Umfangsabschnitts oder die Dicke eines zentralen Bodenabschnitts ist. Darüber hinaus kann auf der Membran eine Wärmeisolierplatte vorgesehen werden, um die Oberfläche des Membranabschnitts vor der Wärmestrahlung des eine hohe Temperatur aufweisenden Fluids zu schützen.

Claims

Hochtemperaturdrucksensor, mit: einem Gehäuse (1) mit einer von einer zylindrischen Wand (22) umgebenen Bohrung (13); einem in der Bohrung vorgesehenen Durchbiegungs-Fühlerelement (6); einem eine Öffnung der Bohrung verschließenden Membranabschnitt (20), der eine Druckeinwirkungsfläche (A) aufweist, auf die ein zu erfassender Druck einwirkt, wobei der Membranabschnitt in einer axialen Richtung der zylindrischen Wand auf den Druck, der auf die Druckeinwirkungsfläche einwirkt, hin biegbar ist; und einem zwischen dem Membranabschnitt und dem Durchbiegungs-Fühlerelement angeordneten Druckübertragungsteil (7, 8) zum Übertragen der Durchbiegung des Membranabschnitts, die durch den Druck verursacht wird, zum Durchbiegungs-Fühlerelement; wobei der Membranabschnitt aus einem einzigen Element besteht, das einen äußeren Umfangsabschnitt (2b), der an der zylindrischen Wand befestigt ist, einen geschlossenen zentralen Bodenabschnitt (2c) und einen konischen Abschnitt (2d) enthält, der den äußeren Umfangsabschnitt und den zentralen Bodenabschnitt verbindet, wobei der zentrale Bodenabschnitt (2c) bezüglich des äußeren Umfangsabschnitts (2b) zurückversetzt ist, der zentrale Bodenabschnitt eine hintere Fläche (B) aufweist, die der Druckeinwirkungsfläche gegenüberliegt und die in einer konvexen Gestalt ausgebildet ist, wobei ein zentraler Bereich des zentralen Bodenabschnitts an einer Endfläche des Druckübertragungsteils angebracht ist, ohne dass ein Umfangsbereich des zentralen Bodenabschnitts, der den zentralen Bereich umgibt, an dem Druckübertragungsteil (7) befestigt ist, so dass die Wärmeausdehnung des konischen Abschnitts (2d), die durch eine Temperaturdifferenz zwischen der Druckeinwirkungsfläche (A) und der hinteren Fläche (B) verursacht wird, eine Wärmeausdehnung des zentralen Bodenabschnitts, die von der Temperaturdifferenz verursacht wird, absorbiert, um das Fortschreiten des zentralen Bereichs des zentralen Bodenabschnitts in einer Richtung von der hinteren Fläche (B) zur Druckeinwirkungsfläche (A) zu unterdrücken, und die Dicke (t3) des konischen Abschnitts (2d) kleiner als die Dicken (t1, t2) des zentralen Bodenabschnitts (2c) und des äußeren Umfangsabschnitts (2b) ist, wodurch der konische Abschnitt (2d) eine relativ größere Wärmeausdehnung im Vergleich zu dem zentralen Bodenabschnitt (2c) und dem äußeren Umfangsabschnitt (2b) bewirkt.
Hochtemperaturdrucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale Bodenabschnitt und der äußere Umfangsabschnitt parallel zueinander verlaufende Oberflächen aufweisen.
Hochtemperaturdrucksensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale Bodenabschnitt zu einer zentralen Achse des Membranabschnitts symmetrisch ist.
Hochtemperaturdrucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckübertragungsteil (7, 8) mit dem zentralen Bodenabschnitt an einem Punkt in Kontakt gebracht ist.
Hochtemperaturdrucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch ein Wärmeisolierteil (202; 212; 221; 231) zum Abschirmen der Druckeinwirkungsfläche des Membranabschnitts.
Hochtemperaturdrucksensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeisolierteil eine scheibenförmige Platte (202; 212) ist, die sich parallel zur Druckeinwirkungsfläche erstreckt und mit dieser verbunden ist.
Hochtemperaturdrucksensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die scheibenförmige Platte (202; 212) von der Druckeinwirkungsfläche über einen an einem Zentrum der Druckeinwirkungsfläche vorgesehenen Stilabschnitt (201; 211) beabstandet ist.
Hochtemperaturdrucksensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeisolierteil eine Kappe (221) ist, die eine zylindrische Wand mit einer Vielzahl von Öffnungen (222) aufweist und mit dem Umfangsende des Membranabschnitts gekoppelt ist.
Hochtemperaturdrucksensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeisolierteil eine auf der Druckeinwirkungsfläche aufgeschichtete Wärmeisolierschicht (231) ist.