DE4435754C2 - Mehrfach-Drucksensor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Mehrfach- Drucksensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiger Mehrfach-Drucksensor ist beispielsweise aus DE 27 46 105 A1 bekannt, in der ein Drucksensor mit mehreren Funktionen beschrieben ist. Im einzelnen enthält ein einziges Gehäuse zwei Sensoren, die jeweils druckempfindliche Elemente aufweisen und Signale erzeugen, die z. B. den Absolutdruck in einem Ansaugrohr einer Brennkraftmaschine und den Absolutdruck in der umgebenden Atmosphäre anzeigen. Eine zugehörige, Verstärker aufweisende elektronische Schaltung subtrahiert den Ansaugrohrdruck vom Atmosphärendruck und erzeugt ein Druckdifferenzsignal zwischen dem Ansaugrohrdruck und dem Atmosphärendruck. Diese drei Drucksignale werden einem elektronischen Kraftstoffeinspritzsystem zur Berechnung des Kraftstoffbedarfs der Brennkraftmaschine bei verschiedenen Betriebsbedingungen zugeführt. Dabei können die Drucksensoren mit einem der Verstärker eine integrierte Schaltung bilden.

Auch in DE 38 39 468 C2 ist ein Mehrfach-Drucksensor beschrieben. Dieser enthält eine Halterung zum Halten eines Sensorsubstrats, einen auf einem membranartigen, vom Differenzdruck beaufschlagbaren Teil des Sensorsubstrats ausgebildeten Differenzdrucksensor und einen auf einem anderen Teil des Sensorsubstrats ausgebildeten statischen Drucksensor, der einen statischen Druck eines Fluids erfaßt. In dem Sensorsubstrat ist zum Verringern des Übersprechens zwischen dem Differenzdrucksensor und dem statischen Drucksensor eine Vertiefung vorgesehen.

In US-A-4 528 855 ist ein Mehrfach-Drucksensor offenbart, mit dem sich statische/Differenz-Druckwerte in unterschiedlichen Bereichen erfassen lassen. Die hierfür erforderlichen drucksensitiven Elemente sind als piezoresistive Element in Form einer Brückenschaltung verbunden. Ein dünnes Diaphragma dient zum Erfassen des Differenzdrucks und ein dickeres ringförmiges Diaphragma dient zum Messen des statischen Drucks. Zum Erfassen eines möglichst großen Druckbereichs sind mehrere drucksensitive Element mit unterschiedlichen Durchmessern mit einer Multiplexer-Schaltung auf einem Halbleitersubstrat zusammengefaßt.

Ein weiteres Beispiel eines bekannten Mehrfach-Drucksensors ist in der japanischen ungeprüften Patentveröffentlichung 199 653-1991 offenbart. Dieser Mehrfach-Drucksensor ist in Fig. 7 gezeigt.

In Fig. 7 bezeichnet das Bezugszeichen 1 eine Ansaugleitung, das Bezugszeichen 2 bezeichnet einen Einspritzer zum Einspritzen von Kraftstoff, das Bezugszeichen 3 bezeichnet ein Drosselventil, welches gemäß einem Grad arbeitet, zu dem ein Fahrer ein Beschleunigungspedal niederdrückt, das Bezugszeichen 4 bezeichnet einen Drucksensor, das Bezugszeichen 5 bezeichnet einen Computer, das Bezugszeichen 6 bezeichnet einen Dreitor-Magnetventil, welches den Druck in der Ansaugleitung 1 oder einen atmosphärischen Druck zum Drucksensor 4 richtet, und zwar durch Durchführen eines Schaltbetriebs in Übereinstimmung mit einem Befehl von dem Computer 5. Das Bezugszeichen 7 bezeichnet einen Motor.

Fig. 8(a) und 8(b) zeigen in schematischer Darstellung wesentlicher Teile im Drucksensor 4, und Fig. 9 zeigt eine elektrische Äquivalenzschaltung in dem Drucksensor. In diesen Figuren bezeichnet Bezugszeichen 8 ein drucksensitives Element des Drucksensors 4, wobei Widerstände 10 vorgesehen sind in einer Wheatstone-Brücken- Anordnung auf einem Diaphragma 9, welches aus einem dünnen Siliziumhalbleiter hergestellt ist. In dem drucksensitiven Element 8 wird das Diaphragma deformiert durch ein Druckmedium, welches eingeführt wird durch einen Nippel 11 zum Ändern des Widerstandswerts des Widerstands 10, und ein Ausgabesignal, welches proportional zu einem Druck des Druckmediums ist, wird von einem Ausgangsanschluß in den Computer eingespeist. Das Bezugszeichen 12 bezeichnet eine hybride integrierte Schaltung, wobei Dickfilmwiderstände (nicht gezeigt) auf beispielsweise einem Aluminiumoxydsubstrat 13 durch Drucken gebildet sind. Die integrierte Schaltung 12 umfaßt Chipkondensatoren 14 sowie andere Vorrichtungen, die beispielsweise einen integrierten Schaltungschip 16 enthalten, der z. B. Operationsverstärker 15 zum Verstärken eines Signals von dem drucksensitiven Element 8 und zum Durchführen einer Temperaturkompensation enthält. Die Bezugszeichen 17 und 18 bezeichnen Temperaturkompensations-Einstellschaltungen.

Das drucksensitive Element 8 mit einem Diaphragma 9, die hybride integrierte Schaltung 12 und weitere Elemente sind in dem Drucksensor 4 auf diese Art und Weise vorgesehen.

Im folgenden wird der Betrieb der in Fig. 7 gezeigten Vorrichtung erklärt.

Außenluft wird durch ein nicht dargestelltes Luftfilter angesaugt und die Luft wird in den Motor 7 durch die Ansaugleitung 1 und einen Ansaugverteiler eingeführt. Die Einspritzvorrichtung 2 injiziert Kraftstoff in den Ansaugverteiler, und eine Kompression und Verbrennung werden in dem Motor 7 ausgeführt, um eine Leistungsquelle für die Brennkraftmaschine zu erhalten. Die Kraftstoffmenge, die von der Einspritzvorrichtung 2 injiziert wird, wird in dem Computer 5 berechnet, und zwar abhängig von der Luftmenge, die über die Ansaugleitung 1 angesaugt wird, sowie abhängig von weiterer Betriebsinformation. Der Computer 5 verarbeitet verschiedene Betriebsparameter, die in ihn eingegeben werden. Bei den Betriebsparametern sind der Druck in der Ansaugleitung 1 und der Atmosphärendruck jeweils mit einbezogen. Der Druck in der Ansaugleitung 1 und der Atmosphärendruck werden durch den gleichen Drucksensor 4 gemessen. Da beide Drücke nicht zur gleichen Zeit gemessen werden können, ist ein Dreitor-Magnetventil 6 in einer Röhre angeordnet, durch die ein zu messendes Gas zu dem Drucksensor 4 geleitet wird. Durch Schalten des Ventils 6 können beide Drücke gemessen werden. In der in der japanischen ungeprüften Patentveröffentlichung offenbarten Vorrichtung wird, wenn das Drosselventil 3 bei einer Verlangsamung vollständig geschlossen ist, das Dreitor- Magnetventil 6 umgeschaltet zum Einführen von Atmosphärendruck in dem Drucksensor 4. Auf diese Art und Weise werden der Druck in der Ansaugleitung und ein Atmosphärendruck durch den einzigen Drucksensor 4 gemessen.

Wenn ein Druck P auf das Diaphragma 9 des drucksensitiven Elements 8 über den Nippel 11 einwirkt und das Diaphragma deformiert, treten Änderungen in den Werten des Widerstands bei den 4 Widerständen 10 auf, welche auf dem Diaphragma 9 in der Wheatstone-Brücken-Anordnung vorgesehen sind. Ein Signal, das durch die Änderung der Widerstandswerte festgelegt wird, wird durch die Operationsverstärker 15 verstärkt, in den Temperaturkompensationsschaltungen 17 und 18 kompensiert und bei dem Computer 5 als eine Analogausgabe eingegeben, welche genau proportional zum Druck P ist.

Ein weiteres Beispiel der herkömmlichen Vorrichtungen ist das System, das in der japanischen ungeprüften Patentveröffentlichung 4-205 832/1986 offenbart ist und bei dem ein Druck in einer Ansaugleitung durch einen Drucksensor bei spezifischen Betriebsbedingungen ohne ein Dreitor-Magnetventil erfaßt wird. Für den gemessenen Druck erfolgt eine Kompensationsrechnung zum Ermitteln eines annähernden atmosphärischen Drucks.

Ein weiteres Beispiel ist ein System, welches einen Atmosphärendruck mißt, und zwar durch einen Drucksensor zum Messen eines Drucks in einer Ansaugleitung vor Ingangsetzen der Kurbelwelle des Motors unmittelbar nachdem ein Zündschalter eingeschaltet wird.

Weiterhin gibt es ein Beispiel, bei dem ein Drucksensor für einen Ansaugdruck und ein Atmosphärendrucksensor einzeln vorgesehen sind.

Die konventionellen Druckmeßsysteme, die oben genannt wurden, weisen folgende Probleme auf.

Insbesondere ist bei der in Fig. 7 gezeigten Vorrichtung mit nur einem einzigen Drucksensor das Dreitor-Magnetventil 6 erforderlich, um selektiv den Druck in der Ansaugleitung und den Druck der umgebenden Luft in den einzigen Drucksensor zu führen. Somit wird das Druckmeßsystem einschließlich Leitungen groß, was gegen die angestrebte Platzersparnis spricht und hohe Gestehungskosten mit sich bringt.

Das in der japanischen ungeprüften Patentveröffentlichung Nummer 4-205 832/1986 veröffentlichte System kann eine Atmosphärendruckinformation nicht dann messen, wenn die Information erforderlich ist. Es kann auch keine genaue Atmosphärendruckinformation erhalten, da der erhaltene Atmosphärendruck ein Näherungswert ist. Diese Anordnung schafft ein Problem insofern, als daß es unmöglich ist, eine Feinsteuerung auszufahren.

Das System, das einen Atmosphärendruck vor Ingangsetzen der Kurbelwelle mißt, weist ein Problem dahingehend auf, daß der Atmosphärendruck nicht immer unabhängig vom Betriebsmodus vor einer Kurbelbewegung und nach dem Einschalten des Zündschalters gemessen werden kann, da bei einigen Betriebsmodi ein Rücksetzen einer IC-Schaltung erforderlich ist.

Bei der Anordnung, bei der der Drucksensor für den Druck in der Ansaugleitung und für den Atmosphärendruck einzeln ausgebildet ist, besteht ein Problem dahingehend, daß die Kosten notwendigerweise ansteigen.

Demnach besteht die Aufgabe der Erfindung in der Schaffung eines möglichst kleinen und leichten Mehrfach-Drucksensors, mit dem sich ein Fluiddruck und ein Atmosphärendruck unabhängig voneinander in Echtzeit genau erfassen lassen.

Diese Aufgabe wird von einem Mehrfach-Drucksensor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorzugsweise enthält die Verstärkerschaltung eine Funktion zum Kompensieren einer Nicht-Gleichförmigkeit in der Charakteristik des drucksensitiven Elements aufgrund von Temperaturschwankungen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand von Zeichnungen erläutert. In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mehrfach-Drucksensors in der Ansicht von vorne;

Fig. 2 eine Bodenansicht des Mehrfach-Drucksensors gemäß Fig. 1;

Fig. 3 den Mehrfach-Drucksensor gemäß Fig. 1 teils in der Ansicht von vorne, teils bei aufgeschnittenem Gehäuse;

Fig. 4(a) den Mehrfach-Drucksensor in der Ansicht von der Seite;

Fig. 4(b) die hybride integrierte Schaltung des Mehrfach- Drucksensors in der Ansicht;

Fig. 4(c) die hybride integrierte Schaltung gemäß Fig. 4(b) im Querschnitt;

Fig. 4(d) Teile des Atmosphärendrucksensors mit einem Diaphragma in vergrößerter Darstellung;

Fig. 5 die elektrische Schaltung des Mehrfach- Drucksensors;

Fig. 6 ein System zur Darstellung, wie der Drucksensor in Verbindung mit einem Kraftstofftank anwendbar ist;

Fig. 7 einen herkömmlichen Drucksensor in schematischer Darstellung;

Fig. 8(a) ein im herkömmlichen Drucksensor enthaltenes drucksensitives Element in der Ansicht von der Seite;

Fig. 8(b) eine im herkömmlichen Drucksensor vorgesehene hybride integrierte Schaltung in perspektivischer Darstellung und

Fig. 9 die elektrische Schaltung eines herkömmlichen Drucksensors.

In diesen Figuren bezeichnet das Bezugszeichen 20a ein Gehäuse, welches den Drucksensor 20 umgibt. Das Gehäuse 20a enthält einen Sensor zum Erfassen eines bestimmten Drucks, wie z. B. eines Drucks in einer Ansaugleitung, und einen Sensor zum Erfassen eines Atmosphärendrucks.

Das Bezugszeichen 21 bezeichnet einen Nippel zum Einführen des Drucks in die Ansaugleitung oder dergleichen. Das Bezugszeichen 22 bezeichnet einen Verbinder, welcher benutzt wird zum Verbinden eines Computers, wie erwähnt mit Bezug auf die herkömmliche Vorrichtung. Das Bezugszeichen 23 bezeichnet Anschlüsse als Eingänge in den Verbinder.

Das Bezugszeichen 24 bezeichnet eine Einführöffnung für externe Luft, über welche externe Luft an den Atmosphärendrucksensor in dem Gehäuse 20a zugeführt wird.

Fig. 3 zeigt eine teilweise Querschnittsansicht des Inneren des Drucksensors 20. Das Bezugszeichen 25 bezeichnet ein drucksensitives Element, welches beispielsweise einen Druck in der Ansaugleitung erfaßt. Das Bezugszeichen 26 bezeichnet einen Atmosphärendrucksensor.

Ein Nippel des Drucksensors 20 ist mit einem Ansaugsystem eines Motors über eine Leitung und eine Zuführungsöffnung 24 für externe Luft mit der Atmosphäre verbunden.

Fig. 4(a) bis (d) sind Ansichten, welche wesentliche Abschnitte des in Fig. 3 dargestellten Drucksensors 20 zeigen. Fig. 4(a) zeigt das drucksensitive Element 25, welches einen Sensor für einen Ansaugdruck bildet, als ein Beispiel eines ersten Drucksensors einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das drucksensitive Element 25 hat eine Struktur derart, daß ein Druckmedium an ein Diaphragma als inneres drucksensitives Element über den Nippel 21 in der durch einen Pfeil P bezeichneten Richtung übertragen wird.

Fig. 4(b) zeigt den Abschnitt 27 für die hybride integrierte Schaltung, wobei der Atmosphärendrucksensor 26 darin enthalten ist. Der Abschnitt 27 für die hybride integrierte Schaltung besteht beispielsweise aus einem Aluminiumoxydsubstrat 28 mit Dickfilmwiderständen und einer Verdrahtung, die nicht gezeigt ist, einer Anzahl von Anschlüssen 29 auf der Seite des Aluminiumoxydsubstrats 28 und einer Kappe 30 zum Abdecken eines zusammengesetzten integrierten Schaltungschips, wie später erwähnt.

Die Kappe 30 hat eine Zuführungsöffnung 31 für externe Luft, die in der Oberseite zum Einführen externer Luft in das Innere gebildet ist.

Fig. 4(c) zeigt eine Querschnittsansicht des in Fig. 4(b) gezeigten Abschnitts für die hybride integrierte Schaltung. Der zusammengesetzte integrierte Schaltungschip 33, der ein besonderes Merkmal der vorliegenden Erfindung bildet, ist auf dem Aluminiumoxydsubstrat 28 über einem Sitz 32 plaziert ist. Der Sitz 32 ist aus Glas oder dergleichen hergestellt und verhindert, daß ein thermischer Einfluß von dem Aluminiumoxydsubstrat 28 auf den zusammengesetzten Schaltungschip 33 übertragen wird.

Der zusammengesetzte integrierte Schaltungschip 33 enthält das Diaphragma 34, welches ein drucksensitives Element zum Erfassen eines Atmosphärendrucks ist. Der zusammengesetzte integrierte Schaltungschip 33 enthält eine elektronische Schaltung, welche beispielsweise Brückenwiderstände aufweist, die einen Atmosphärendruck erfassen, der durch das Diaphragma 34 aufgenommen wird und die Widerstandswerte unausgeglichen macht, abhängig von der Größe des Atmosphärendrucks. Ferner enthält der Chip 33 einen Operationsverstärker (im weiteren als OP-Verstärker bezeichnet), welcher eine Spannung verstärkt zum Anzeigen eines Ausgabesignals ansprechend dem Ungleichgewicht der Widerstandswerte in der Brückenschaltung eine Temperaturkompensation durchführt, sowie einen OP-Verstärker, der eine Spannung verstärkt, die erzeugt wird durch einen Druck zum Anzeigen eines Betriebszustands (einen durch den ersten Drucksensor erfaßten Druck), und welcher eine Temperaturkompensation ausführt.

Der zusammengesetzte integrierte Schaltungschip 33 ist mit dem Sitz 32 beispielsweise mittels anodischen Bondens verbunden, wobei zum Bonden eine hohe Spannung und eine hohe Temperatur angelegt werden. Dabei sind der zusammengesetzte integrierte Schaltungschip 33 aus Silizium als leitfähigem Material, und der Sitz 32 aus Glas als isolierendem Material hergestellt.

Der Sitz 32 und das Aluminiumsubstrat 28 werden beispielsweise durch ein Haftmittel verbunden.

Der zusammengesetzte integrierte Schaltungschip 33 und das Diaphragma 34 werden so angeordnet, wie es in vergrößerter Darstellung in Fig. 4(d) gezeigt ist. Zwischen dem zusammengesetzten integrierten Schaltungschip 33 und dem Sitz 32 ist ein Hohlraum 35 gebildet. Im Inneren des Hohlraums 35 besteht ein Vakuum, was bedeutet, daß ein Druck, der an das Diaphragma 34 angelegt wird, als ein Absolutdruck angezeigt wird.

Der zusammengesetzte integrierte Schaltungschip 33 besitzt Widerstände 36, die in einer Wheatstone-Brücke angeordnet und beispielsweise durch Diffusion gebildet sind.

In Fig. 4(c) bezeichnet das Bezugszeichen 37 einen von mehreren Drähten, die elektrisch den zusammengesetzten integrierten Schaltungschip 33 mit dem Aluminiumsubstrat 28 verbinden. Das Bezugszeichen 38 bezeichnet ein Gel, welches den Chip 33 schützt. Diese Elemente sind durch die Kappe 30 abgedeckt.

In Fig. 5 ist eine elektrische Schaltung gezeigt, wie z. B. der Abschnitt 27 für die hybride integrierte Schaltung.

Ein weiteres Diaphragma 9, welches als drucksensitives Element das drucksensitive Element 25 für den ersten Drucksensor bildet, besitzt darauf angeordnete Widerstände 10, die in in Form einer Wheatstone-Brücke angeordnet sind. Die Widerstände sind mit Anschlüssen 39a bis 39d des Abschnitts 27 der hybriden integrierten Schaltung verbunden. Den Anschlüssen 39a und 39d wird Leistung zugeführt von dem Computer außerhalb der Schaltung, und eine Spannung von 5 V wird normalerweise an beide Anschlüsse angelegt. Mit anderen Worten liegt der Anschluß 39a an einer Spannung von 5 V und der Anschluß 39d liegt an Masse, also an 0 V.

In dem Abschnitt 27 der hybriden integrierten Schaltung sind drei OP-Verstärker 40 vorgesehen, welche eine Spannung verstärken, die ein Ausgangssignal ist, das in Abhängigkeit von einem Ungleichgewicht bei den Werten der Widerstände 10 erzeugt wird. Dabei führen die Verstärker eine Temperaturkompensation durch. Die Anschlüsse 39b und 39c sind mit einem Eingangsende der Reihe der OP-Verstärker 40 verbunden. Die OP-Verstärker 40 sind mit Temperaturkompensationswiderständen versehen zur Kompensation von temperaturabhängigen Veränderungen der Empfindlichkeit, welche durch die Struktur oder das Herstellungsverfahren des Diaphragma 9 verursacht werden. Auf diese Art und Weise haben die OP-Verstärker 40 auch eine Temperaturkompensationsfunktion.

Andererseits ist mit den OP-Verstärkern 40 und den Widerständen 10 eine Temperaturkompensations- Einstellschaltung 41 verbunden, welche dazu benutzt wird, beispielsweise eine Temperaturdrift im Versatz zu kompensieren, die durch Variation in dem Diaphragma 9 von jedem Produkt (Drucksensor) verursacht wird. Da der Versatz von einem Produkt zum anderen gemäß den Temperaturen variiert, wird eine Einstellung durch die Temperaturkompensations-Einstellschaltung 41 bei dem Produkt durchgeführt. Die Einstellung wird durchgeführt durch Trimmen eines Dickfilmwiderstandes (nicht gezeigt) in dem Abschnitt 27 der hybriden integrierten Schaltung auf dem Aluminiumoxydsubstrat 28, und zwar zum Ändern des Widerstandswerts des Widerstands. Somit besteht die Temperaturkompensations-Einstellschaltung 41 aus dem Dickfilmwiderstand.

Mit den OP-Verstärkern 40 ist an der zweiten und dritten Stufe eine Temperaturkompensations-Einstellschaltung 42 verbunden. Die Schaltung 42 dient zum Korrigieren von Variationen in der Empfindlichkeit in Abhängigkeit von der Temperatur außerhalb der OP-Verstärker, und ist ebenso aufgebaut wie die Temperaturkompensations-Einstellschaltung 41.

Mit einem Ausgang der OP-Verstärker 40 ist ein Ausgangsanschluß 43 in Reihe verbunden, durch den eine Spannung entsprechend einem Ansaugdruck oder dergleichen, wie durch das Diaphragma erfaßt, an den Computer ausgegeben wird.

Zwischen den Anschlüssen 39a und 39d und zwischen Eingabeleitungen des OP-Verstärkers 40 an der ersten Stufe sind Chipkondensatoren angeordnet, wie mit Bezug auf die herkömmliche Vorrichtung erklärt (nicht gezeigt).

Andererseits sind mit den Brückenwiderständen 36 auf dem Diaphragma 34 zum Messen eines Atmosphärendrucks drei OP- Verstärker 44 verbunden. Die OP-Verstärker 44 verstärken eine Ausgangssignalspannung entsprechend einem Ungleichgewicht in den Werten bei den Widerständen 36, wie die OP-Verstärker 40, und sie führen eine Temperaturkompensation durch. Mit den Widerständen 36 ist eine Temperaturkompensations-Einstellschaltung 45 verbunden, und mit den OP-Verstärker 44 an der zweiten und dritten Stufe ist eine Temperaturkompensations- Einstellschaltung 46 verbunden. Die Temperaturkompensations-Einstellschaltung 45 stellt einen Versatz ein, wie die Temperaturkompensations-Einstellschaltung 41, und die Temperaturkompensations-Einstellschaltung 46 stellt eine Empfindlichkeit ein, wie die Temperaturkompensations- Einstellschaltung 42. Die Struktur der Schaltungen 45 und 46 ist wie die der Schaltungen 41 und 42.

Mit den OP-Verstärkern 44 ist ein Ausgangsanschluß 47 in Reihe verbunden. An die Schaltung zum Messen eines Atmosphärendrucks ist eine Spannung über die Anschlüsse 39a und 39d angelegt, beispielsweise 5 V von dem Computer, und 0 V als Massespannung. Eine Leitung 48 verbindet elektrisch beide Sensoren. Deshalb können beide Sensoren durch eine einzige Leistungsquelle aktiviert werden.

In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung sind das Diaphragma 34, die Widerstände 36 und die OP-Verstärker 44 zum Messen eines Atmosphärendrucks, die OP-Verstärker 40 zum Messen beispielsweise eines Ansaugdrucks als dem ersten Druck und die Temperaturkompensations-Einstellschaltungen 41, 42, 45 und 46 auf demselben Abschnitt 27 für eine hybride integrierte Schaltung auf dem Aluminiumoxydsubstrat 28 angeordnet. Unter diesen Elementen sind die Elemente, die sich von den Temperaturkompensations-Einstellschaltungen 41, 42, 45 und 46 unterscheiden, auf dem gleichen Chip vorgesehen, d. h. dem zusammengesetzten integrierten Leitungschip 33. Diese Anordnung erlaubt, daß ein Teil des Sensors zum Messen eines bestimmten Drucks und ein Atmosphärendrucksensor vorgesehen sind auf einem einzigen Chip angeordnet wird, um dadurch eine Miniaturisierung zu erreichen. Der Grund, warum das weitere Diaphragma 9 und die Widerstände 10 für den Ansaugdruck oder dergleichen außerhalb des Abschnitts 27 für die hybride integrierte Schaltung angeordnet sind, ist der, daß das erste Diaphragma 34 und die anderen Schaltungen der Gefahr von Verschmutzungen oder dergleichen in einem zu messenden Objekt ausgesetzt sind.

Der Grund, warum die Temperaturkompensations- Einstellschaltungen 41, 42, 45 und 46 nicht auf dem zusammengesetzten integrierten Schaltung 33 vorgesehen sind, ist der, daß diese Temperaturkompensations- Einstellschaltungen so konstruiert sind, daß die Dickfilmwiderstände auf dem Aluminiumoxydsubstrat 28 getrimmt werden, zum Kompensieren einer Temperaturdrift oder dergleichen im Versatz gemäß der Charakteristik des Diaphragma in einem fertigen Produkt. Falls die Temperaturkompensations-Einstellschaltungen so konstruiert sind, daß sich Dünnfilmwiderstände trimmen lassen, können die Temperaturkompensations-Einstellschaltungen auf dem gleichen Chip vorgesehen sein, d. h. in dem zusammengesetzten integrierten Schaltungschip 33.

Im folgenden wird der Betrieb des oben beschriebenen erfindungsgemäßen Drucksensors erläutert.

Ein Druckmedium - beispielsweise in der Ansaugleitung - wird zu dem Diaphragma 9 über den Nippel 21 des Drucksensors 20 geführt, was zu einem Ungleichgewicht bei den Werten der Brückenwiderstände 10 führt, gemäß dem erfaßten Druck. Eine Spannung, die durch solch ein Ungleichgewicht verursacht wird, wird verstärkt und es erfolgt eine Temperaturkompensation durch die OP-Verstärker 40 unterworfen und ebenfalls eine Temperaturkompensation durch die Temperaturkompensations-Einstellschaltungen 41 und 42. Danach wird sie von dem ersten Anschluß 43 an den Computer weitergeleitet, wie erwähnt mit Bezug auf die herkömmliche Einrichtung.

Der Computer führt Operationen bezüglich des Ventilzeitpunkts oder der Zeitspanne für eine Einspritzvorrichtung durch, basierend auf dem Wert des Drucks in der Ansaugleitung, der Drehzahl des Motors oder dergleichen. Von der Einspritzvorrichtung wird Kraftstoff in die Ansaugleitung oder dergleichen eingespritzt in einer Menge entsprechend dem Resultat der Operationen.

Es gibt einen Fall, in dem ebenfalls auf einen Atmosphärendruck Bezug genommen wird, beispielsweise wenn der Computer Operationen bezüglich der Kraftstoffmenge durchführt. Aus diesen Gründen wird externe Luft eingeführt durch die Einführungsöffnung für externe Luft 24 des Mehrfach-Drucksensors 20. Die externe Luft erreicht das Diaphragma 34 zum Messen eines Atmosphärendrucks durch die Einführungsöffnung 31 für externe Luft in der Kappe 30 auf dem Aluminiumoxydsubstrat 28. Das Diaphragma 34 wird deformiert abhängig von dem Druck der eingeführten externen Luft, und dadurch werden die Werte im Widerstand in den Brückenwiderständen 36 unausgeglichen. Eine Spannung proportional zum Ungleichgewicht wird verstärkt und einer Temperaturkompensation durch die OP-Verstärker 44 unterzogen und sie wird ebenfalls einer Temperaturkompensation durch die Temperaturkompensations- Einstellschaltung 45 und 46 unterzogen. Dann wird sie über den Ausgangsanschluß 47 zum Computer weitergeleitet. Gemäß dem Wert des externen Luftdrucks wurden die Kraftstoffeinspritzmenge oder dergleichen korrigiert.

Eine weitere Ausführungsform und zusätzliche Modifikationen werden nun erläutert, wobei sich zeigt, daß der Mehrfach- Drucksensor gemäß der vorliegenden Erfindung auf einen Abschnitt angewendet werden kann, der vom Ansaugsystem verschieden ist.

Obwohl eine Erklärung einer Ausführungsform mit Bezug auf den Drucksensor erfolgte, welcher einen Druck in der Ansaugleitung und einen atmosphärischen Druck zur selben Zeit messen kann, kann der Drucksensor auf einen Fall angewendet werden, in dem ein Druck in einem Kraftstofftank und ein Atmosphärendruck gleichzeitig gemessen werden.

Dieser Fall ist in Fig. 6 gezeigt.

In Fig. 6 bezeichnet das Bezugszeichen 50 den Kraftstofftank, welcher Kraftstoff 51 speichert. Das Bezugszeichen 52 bezeichnet ein Rückschlagventil, welches geöffnet und geschlossen wird abhängig von einem Druck in dem Kraftstofftank 50. Das Bezugszeichen 53 bezeichnet einen Behälter, welcher normalerweise aktivierten Kohlenstoff enthält. Das Bezugszeichen 54 bezeichnet ein Entsorgungssteuerventil, welches geöffnet und geschlossen wird zum Steuern des Eintritts verdampften Gases des Kraftstoffes 51 in einer Ansaugleitung 57, die zum Motor führt.

Das Bezugszeichen 55 bezeichnet einen Mehrfach-Drucksensor, welcher den Dampfdruck des Kraftstoffs in dem Kraftstofftank 50 und einen Atmosphärendruck zur selben Zeit messen kann, und der identisch ist mit dem in der bisher beschriebenen Ausführungsform gezeigten Mehrfach- Drucksensor, und zwar hinsichtlich wesentlicher Abschnitten seiner Ausbildung und seiner inneren Schaltung, und welcher sich bezüglich eines inneren Materials, seiner Charakteristika oder dergleichen unterscheidet. Das Bezugszeichen 56 bezeichnet ein Magnetventil, welches sich öffnet und schließt, wenn das verdampfte Gas, z. B. Benzin, in dem Behälter 53 zur Atmosphäre geöffnet wird.

Der Unterschied bei den Eigenschaften und dem inneren Material des Drucksensors 55 bedeutet, daß Material und Struktur für drucksensitive Elemente so gewählt werden müssen, daß sie gegenüber Kraftstoff beständig sind, wobei ein Druckmedium ein verdampfter Kraftstoff (z. B. Benzin) ist und der verdampfte Kraftstoff in direkten Kontakt tritt mit einem Abschnitt des drucksensitiven Elements. Vorzugsweise ist der Mehrfach-Drucksensor dafür eingerichtet, einen Eichdruck zu messen. Wird ein Druck in dem Kraftstofftank gemessen und eine Druckdifferenz zwischen ihm und einem externen Luftdruck bestimmt.

Im folgenden wird der Betrieb dieser Vorrichtung erklärt.

Wenn eine Umgebungstemperatur steigt, verdampft der Kraftstoff in dem Kraftstofftank 50 und geht in verdampftes Gas über. Das verdampfte Gas des Kraftstoffs erreicht das Rückschlagventil 52, welches verhindert, daß das Gas durchfließt, wenn es geschlossen ist. Wenn der Druck in dem Kraftstofftank 50 über einen bestimmten Pegel ansteigt, wird das Rücksperrventil 52 geöffnet, so daß das verdampfte Gas in den aktivierten Kohlenstoff (nicht gezeigt) in dem Kanister 53 fließt. Das verdampfte Gas haftet dort an dem aktivierten Kohlenstoff. Wenn das Entsorgungssteuerventil 54 in Übereinstimmung mit einem Befehl von einem Computer (nicht gezeigt) während eines Betriebs des Motors (nicht gezeigt) geöffnet wird, wird der verdampfte Kraftstoff, welcher an dem aktivierten Kohlenstoff anhaftet, freigesetzt, in die Ansaugleitung 57 entladen und verbrannt. Der aktivierte Kohlenstoff wird hierdurch regeneriert.

Der Mehrfach-Drucksensor 55 und das Magnetventil 56 sind zum Prüfen vorgesehen, und zwar im Hinblick auf die Frage, ob ein Leck in der Passage für das verdampfte Gas vorliegt oder nicht. Sind beispielsweise das Entsorgungssteuerventil 54 und das Magnetventil 56 bei bestimmten Betriebsbedingungen geschlossen, so wird die Passage für das verdampfte Gas von außen unterbrochen. Zu dieser Zeit wird ein Teil des verdampften Gases in den Drucksensor 55 durch einen Nippel eingeführt. Das Vorliegen eines Lecks in der Passage kann durch Überwachen einer Änderung im Ausgangssignal des Mehrfach-Drucksensors 55 erfaßt werden. Der Mehrfach-Drucksensor 55 enthält einen Atmosphärendrucksensor. Wenn der Mehrfach-Drucksensor ebenfalls als ein Atmosphärendrucksensor (nicht gezeigt) benutzt wird, der bei der Kraftstoffsteuerung einzusetzen ist, kann der Mehrfach-Drucksensor einen Atmosphärendruck zur gleichen Zeit messen. Ein Signal zum Anzeigen des gemessenen Atmosphärendrucks kann an den Computer (nicht gezeigt) weitergeleitet werden, um für eine weitere Steuerung benützt zu werden.

Der Drucksensor gemäß der vorliegenden Erfindung kann gleichzeitig zum Messen eines Umgebungsluftdrucks und eines Hydraulikdrucks benützt werden, z. B. zum Messen des Hydraulikdrucks eines Motorenöls, eines Getriebeöls, eines Servolenkungsöls, eines Bremsöls, eines Vierrad-Lenköls, eines Aufhängungsöls und eines Traktionsöls, bei verschiedenen Arten hydraulischer Steuerung zum Steuern eines Motorensystems, eines Antriebssystems oder eines anderen Systems in einer Brennkraftmaschine.

Der Drucksensor gemäß der vorliegenden Erfindung kann gleichzeitig zum Messen eines Umgebungsatmosphärendrucks und eines Drucks eines Kühlmittels benutzt werden, wobei das Kühlmittel in einer Klimaanlage in Kombination mit einer Brennkraftmaschine verwendet werden kann.

Der Drucksensor gemäß der vorliegenden Erfindung kann gleichzeitig benutzt werden zum Messen eines Umgebungsatmosphärendrucks und eines Kraftstoffdrucks in einer Brennkraftmaschine, wie z. B. eines Benzindrucks in einer Benzinzuführungsleitung in einem Benzinmotor, oder eines Kraftstoffeinspritzdrucks in einem Dieselmotor.

Der Drucksensor gemäß der vorliegenden Erfindung kann benutzt werden zum gleichzeitigen Messen eines Umgebungsatmosphärendrucks und eines Drucks in einem Zylinder in einer Brennkraftmaschine, wie z. B. zur Ermittlung einer Änderung des Drucks in vier Takten (Ansaugtakt → Kompressionstakt → Leistungstakt → Abgastakt) in einem Benzinmotor oder eines Drucks in einem Zylinder eines Dieselmotors.

Der Drucksensor gemäß der vorliegenden Erfindung kann ferner benutzt werden zum gleichzeitigen Messen eines Umgebungsatmosphärendrucks und eines Drucks in einer Abgasrezirkulationspassage (EGR) einer Brennkraftmaschine, z. B. zum Messen eines Drucks zwischen einem EGR-Ventil und einem Ansaugverteiler, oder eines Drucks an der Abgasleitungsseite des EGR-Ventils.

Der Drucksensor gemäß der vorliegenden Erfindung kann auch benutzt werden zum Messen eines Drucks in einer Abgasleitung einer Brennkraftmaschine und eines Umgebungsatmosphärendrucks zur selben Zeit.

Claims (8)

1. Mehrfach-Drucksensor, enthaltend:

• a) einen ersten Drucksensor (25) mit einem ersten drucksensitiven Element (9) und einer ersten Verstärkerschaltung (40) zum Verstärken des Ausgangssignals des ersten drucksensitiven Elements (9) und
• b) einem Atmosphärendrucksensor (26) mit einem zweiten drucksensitiven Element (34) und einer zweiten Verstärkerschaltung (44) zum Verstärken des Ausgangssignals des zweiten drucksensitiven Elements (34), wobei die zweite Verstärkerschaltung (44) und weitere Komponenten des Mehrfach-Drucksensors zu einem integrierten Schaltungschip (33) vereinigt sind,
  dadurch gekennzeichnet, daß
• c) auch die erste Verstärkerschaltung (40) auf dem einzigen integrierten Schaltungschip (33) vorgesehen ist,
• d) das integrierte Schaltungschip (33) aber frei von dem drucksensitiven Element (9) des ersten Drucksensors (25) ist.

2. Mehrfach-Drucksensor nach Anspruch 1, ferner gekennzeichnet durch

• e) eine mit dem ersten drucksensitiven Element (9) und der ersten Verstärkerschaltung (40) verbundene erste Einstellschaltung (41) und eine mit dem zweiten drucksensitiven Element (34) und der zweiten Verstärkerschaltung (44) verbundene zweite Einstellschaltung (45) zum Ausgleichen fertigungsbedingter Schwankungen der Offsetspannung der ersten und zweiten Verstärkerschaltung (40, 44), wobei
• f) der Atmosphärendrucksensor (26) mit dem zweiten drucksensitiven Element (34) ebenfalls auf dem einzigen integrierten Schaltungschip (33) vorgesehen sind und
• g) die integrierte Schaltung des integrierten Schaltungschips (33), die erste Einstellschaltung (41) und die zweite Einstellschaltung (45) auf einem Substrat (28) als Hybridschaltung (27) ausgebildet sind.

3. Mehrfach-Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Verstärkerschaltung (40) als mehrstufige Verstärkerschaltung ausgebildet ist und eine dritte Einstellschaltung (42) mit zwei aufeinander folgenden Verstärkerstufen zum Einstellen der Empfindlichkeit der ersten Verstärkerschaltung (40) vorgesehen ist.

4. Mehrfach-Drucksensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Einstellschaltung (42) auf dem Substrat (28) angeordnet ist.

5. Mehrfach-Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Verstärkerschaltung (44) als mehrstufige Verstärkerschaltung ausgebildet ist und eine vierte Einstellschaltung (46) mit zwei aufeinanderfolgenden Verstärkerstufen zum Einstellen der Empfindlichkeit der zweiten Verstärkerschaltung (44) vorgesehen ist.

6. Mehrfach-Drucksensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die vierte Einstellschaltung (46) auf dem Substrat (28) angeordnet ist.

7. Mehrfach-Drucksensor nach Anspruch 3 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (28) ein Aluminiumoxidsubstrat ist.

8. Mehrfach-Drucksensor nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellschaltungen (41, 42, 45, 46) als Dickfilmwiderstände auf dem Substrat (28) ausgebildet sind.