EP0493541A1 - Druckgeber zur druckerfassung im brennraum von brennkraftmaschinen - Google Patents

Druckgeber zur druckerfassung im brennraum von brennkraftmaschinen

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Publication number
EP0493541A1
EP0493541A1 EP91910828A EP91910828A EP0493541A1 EP 0493541 A1 EP0493541 A1 EP 0493541A1 EP 91910828 A EP91910828 A EP 91910828A EP 91910828 A EP91910828 A EP 91910828A EP 0493541 A1 EP0493541 A1 EP 0493541A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pressure sensor
sensor according
electronic components
counter bearing
pressure
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP91910828A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Günther STECHER
Werner Herden
Wolfgang Schmidt
Manfred Moser
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP0493541A1 publication Critical patent/EP0493541A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L23/00—Devices or apparatus for measuring or indicating or recording rapid changes, such as oscillations, in the pressure of steam, gas, or liquid; Indicators for determining work or energy of steam, internal-combustion, or other fluid-pressure engines from the condition of the working fluid
    • G01L23/08—Devices or apparatus for measuring or indicating or recording rapid changes, such as oscillations, in the pressure of steam, gas, or liquid; Indicators for determining work or energy of steam, internal-combustion, or other fluid-pressure engines from the condition of the working fluid operated electrically
    • G01L23/18—Devices or apparatus for measuring or indicating or recording rapid changes, such as oscillations, in the pressure of steam, gas, or liquid; Indicators for determining work or energy of steam, internal-combustion, or other fluid-pressure engines from the condition of the working fluid operated electrically by resistance strain gauges
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/02—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in ohmic resistance, e.g. of potentiometers, electric circuits therefor, e.g. bridges, amplifiers or signal conditioning
    • G01L9/06—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in ohmic resistance, e.g. of potentiometers, electric circuits therefor, e.g. bridges, amplifiers or signal conditioning of piezo-resistive devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0051—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance
    • G01L9/0052—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of piezoresistive elements

Definitions

  • Pressure sensor for pressure detection in the combustion chamber of internal combustion engines
  • the invention is based on a pressure sensor according to the preamble of claim 1.
  • a pressure transmitter known from US Pat. No. 4,620,438, the electronic components are arranged on a ceramic plate which is fastened in the longitudinal direction of the pressure sensor after the counter bearing in the housing.
  • the piezo elements are on the other side of the counter bearing. As a result, the piezo elements and the electronic components have to be connected to one another in a complex manner with the aid of insulated wire pieces.
  • the size of the pressure sensor is further extended.
  • the pressure sensor according to the invention with the characterizing features of claim 1 has the advantage that the sensor is particularly space-saving.
  • the circuit can be minimized by means of plated-through holes through the carrier. Through the cutouts there is enough space in the counterbearing for the arrangement of the electronic components and, in the assembled state, a slight adjustment, in particular by laser trimming, can also be carried out. This prevents the signals from being falsified when the electronic components are adjusted in the preassembled state, due to the assembly drift caused by the assembly.
  • the cables can be routed to the connections of the electronic components in a particularly simple manner.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a pressure sensor
  • FIG. 2 shows a section in the direction II-II according to FIG. 1
  • FIGS. 3 and 4 each "a modification of a detail. Description of the embodiment
  • 1, 10 denotes the housing of a pressure sensor 11 for determining the pressure in the combustion chamber of an internal combustion engine. It has a central, continuous, stepped bore 12.
  • the opening 13 of the housing 10 facing the combustion chamber is closed off by a membrane 14.
  • the membrane 14 is designed as a so-called cap membrane, the edge of the membrane 14 being bent over and being pushed over the end of the shaft 15 of the housing 10.
  • the membrane 14 is firmly seated on the housing 10, but in order to ensure the mobility of the membrane 14, it does not lie directly against the inside 16 of the shaft 15.
  • the bending area of the membrane 14 can thus move freely.
  • the membrane 14 is welded to the shaft 15 in the region of the edge.
  • the membrane 14 made of a superalloy, that is an alloy of e.g. B.
  • a plunger 18 bears with one end, which bears against a transducer 19 with its other end.
  • the stamp 18 can consist of glass ceramic in order to ensure good heat insulation between the combustion chamber and the receiver 19.
  • z. B. a piezoresistive element can be used.
  • thick-film resistors 22 are printed on the carrier 21 of the hybrid.
  • cermet or plastic resistors can be used.
  • Al 0 O is particularly suitable as a substrate for the carrier 21.
  • z. B. also a piezoceramic element, e.g. B.
  • a quartz disk which is arranged between two electrical contact disks can be used.
  • the contact surfaces between the contact disks and the piezoceramic element and the stamp are then glued.
  • B. a high temperature resistant conductive adhesive can be used.
  • the contact disk can be glued onto a ceramic carrier made of A1-0 of the hybrid.
  • On the other side of the carrier 21 can also electronic components 23, such as. B. transistors, resistors, etc. be arranged in an evaluation circuit.
  • the electronic components 23 such as. B. transistors, resistors, etc.
  • the carrier 21 lies in the area of the transducer 19 with its underside against a counter bearing 25 pressed into the bore 12.
  • the counter bearing 25 has through bores 26 in the area of the electrical components.
  • the termination lines 27 of the electronic components 23 can be guided through these bores 26.
  • the line 27 is fastened in a grommet 29 of the cover 30 closing the bore 12.
  • the measured values are fed via line 27 to an evaluation circuit and control device of the internal combustion engine (not shown).
  • the housing is at least in. Area of the electronic components 23 poured out with a casting compound 31.
  • the counter bearing 25 has an extension 35 with which it rests on the underside of the carrier 21 in the area of the sensor 19.
  • a support of the support 21 on the counter bearing 25 in this area is necessary in order to prevent the support 21 from bending in the area of the receiver 19. Otherwise this would lead to incorrect measurements.
  • the bores 26 represent segment-like recesses, so that a star-like configuration of the counter bearing 25 is created.
  • the electronic components of the hybrid 22 are then combined into a number of subassemblies, which are each arranged in the region of the bores 26 on the underside of the carrier 21.
  • the electronic components 23 of the hybrid 22 can be grouped together in the area of a bore 26 to form an integrated circuit (IC), and in the other area of the bore there are the trimming resistors and in the area of a further bore the connections 27.
  • the counter bearing rests only with the extension 35 on the underside of the carrier 21, it is possible in the embodiment according to FIG. 3 to additionally support the carrier 21 on the edge 37 of the counter bearing 25.
  • a sealing ring 38 is arranged on the edge 37, on which the carrier 21 rests. This enables a low-stress mounting of the hybrid 22 on the counter bearing 25.
  • the sealing ring 38 instead of the sealing ring 38, however, as shown in FIG.
  • the edge 37a of the counterbearing 25a can rest on the underside of the carrier 21.
  • the additional lateral support of the carrier 21 on the edge 37a or the sealing ring 38 ensures that the pressure sensor is safe from breakage when it falls from a prescribed minimum height. Furthermore, the pressure sensor is thereby secured against shock loads.
  • the function of a pressure sensor is generally known and is therefore not explained in detail here.
  • the force acting on the transducer 19 via the membrane 14 and the plunger 18 produces a change in resistance in the case of a piezoresistive element, while in the case of a piezoceramic element or a quartz element it causes a surface charge caused by a change in polarization.
  • This measurement signal caused by the change in resistance or by the surface charge is supplied to the electronic components 23 of the hybrid 22. Only simple bond connections between the contact disks and the components or between the components with one another are necessary. Due to a relatively long stamp 18, the electronic components 33 are relatively far and thus protected from the effects of temperature from the combustion chamber.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
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Description

Druckgeber zur Druckerfassung im Brennraum von Brennkraftmaschinen
Stand der Technik
Die Erfindμrig geht aus von einem Drucksensor nach der Gattung des Anspruchs 1. Bei einem derartigen, aus der US-PS 4620438 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.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Drucksensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß der Sensor beson¬ ders platzsparend baut. Durch die Verwendung eines Hybrids, bei dem auf dem Träger auf der einen Seite die Druckaufnehmerelemente und auf der anderen Seite die elektronischen Bauteile angeordnet sind, ist nur ein geringer Platzbedarf notwendig. Bei Verwendung einer Drucktechnik kann mit Hilfe von Durchkontaktierungen durch den Trä¬ ger hindurch die Schaltung minimiert werden. Durch die Aussparungen im Gegenlager ist genügend Platz für die Anordnung der elektroni¬ schen Bauteile und ferner kann im montierten Zustand ein leichter Abgleich insbesondere durch Lasertrimmen vorgenommen werden. Dadurch wird verhindert, daß bei im vormontierten Zustand abgeglichenen elektronischen Bauteilen eine durch die Montage bedingte Offsetdrift die Signale verfälscht werden. In besonders einfacher Weise können die Kabel zu den Anschlüssen der elektronischen Bauteile geführt werden. Die Haltbarkeit der Kontaktierungen wird dadurch auch ver¬ bessert. Durch die Auflage des Hybrids am Gegenlager mit Hilfe eines Dichtrings ist eine spannungsarme Lagerung möglich. Ferner ist es möglich, in der Praxis erprobte Standardbondtechniken zur Verbindung der elektronischen Bauteile und der Aufnehmerelemente zu verwenden. Der gesamte Hybrid, einschließlich der elektronischen Bauteile und der Aufnehmer kann auch bereits vor dem Einbau in das Sensorgehäuse überprüft werden. Dadurch ist eine einfache Montage des Drucksensors möglich. Der Sensor ist somit kostengünstig herstellbar. Aufgrund der räumlichen Anordnung herrscht bei den elektronischen Bauteilen und den Aufnehmern nahezu die gleiche Temperatur. Aufwendige Maßnah¬ men zur Temperaturkompensation können dadurch entfallen.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor¬ teilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen Drucksensors möglich.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiεl der Erfindung ist in der Zeichnung darge¬ stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 einen Längsschnitt durch einen Drucksensor, die Fi¬ gur 2 einen Schnitt in Richtung II-II nach Figur 1 , die Figuren 3 und 4 jeweils" eine Abwandlung einer Einzelheit. Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Der Figur 1 ist mit 10 das Gehäuse eines Drucksensors 11 zur Be¬ stimmung des Drucks im Brennraum einer Brennkraftmaschine bezeich¬ net. Es weist eine mittige, durchgehende, abgesetzte Bohrung 12 auf. Die dem Brennraum zugewandte Öffnung 13 des Gehäuses 10 wird von ei¬ ner Membran 14 abgeschlossen. Die Membran 14 ist als sogenannte Kappenmembran ausgebildet, wobei der Rand der Membran 14 umgebogen ist und über das Ende des Schafts 15 des Gehäuses 10 geschoben ist. Die Membran 14 sitzt dadurch fest am Gehäuse 10, liegt aber, um die Beweglichkeit der Membran 14 zu gewährleisten, nicht direkt an der Innenseite 16 des Schafts 15 an. Der Biegebereich der Membran 14 kann sich tiadurch frei bewegen. Die Membran 14 ist im Bereich des Randes am Schaft 15 angeschweißt. Besonders vorteilhaft ist die Mem¬ bran 14 aus einer Superlegierung, das heißt aus einer Legierung von z. B. ca. 50 % Ni, 20 % Cr, 20 % Fe ausgebildet. Am mittleren Bereich der Membran 14 liegt ein Stempel 18 mit seinem einen Ende an, der mit seinem anderen Ende an einem Aufnehmer 19 anliegt. Der Stempel 18 kann aus Glaskeramik bestehen, um eine gute Wärmeiso¬ lierung zwischen dem Brennraum und dem Aufnehmer 19 zu gewähr¬ leisten. Als Aufnehmer kann, wie in der Figur 1 dargestellt, z. B. ein piezoresistives Element verwendet werden. Hierzu sind auf dem Träger 21 des Hybrids 22 Dickschichtwiderstände aufgedruckt. Es kön¬ nen z.B. Cermet oder Piastic-Widerstände verwendet werden. Als Ma¬ terial für den Träger 21 eignet sich dann besonders Al„0_ als Substrat. Als Aufnehmer kann aber z. B. auch ein piezokeramisches Element, z. B. eine Quarzscheibe, das zwischen zwei elektrischen Kontaktscheiben angeordnet ist, verwendet werden. Die Kontaktflä¬ chen zwischen den Kontaktseheiben und dem piezokeramischen Element und dem Stempel sind dann geklebt, wobei z. B. ein hochtemperatur- fester Leitkleber verwendet werden kann. Auch hier kann die Kontakt¬ scheibe auf einem keramischen Träger aus A1„0, des Hybrids auf¬ geklebt sein. Auf der anderen Seite des Trägers 21 können auch elek¬ tronische Bauteile 23, wie z. B. Transistoren, Widerstände, etc. einer Auswerteschaltung angeordnet sein. Die elektronischen Bauteile
23 sind untereinander mit Dickschichtleiterbahnen oder Bonddrähten
24 verbunden. Durch Bohrungen im Träger wird mit Hilfe von Durchkon- taktierungen die Verbindung zum Aufnehmer 19 hergestellt. Der Träger 21 liegt im Bereich des Aufnehmers 19 mit seiner Unterseite an einem in die Bohrung 12 eingepreßten Gegenlager 25 an. Das Gegenlager 25 weist im Bereich der elektrischen Bauteile durchgehende Bohrungen 26 auf. Durch diese Bohrungen 26 können die Abschlußleitungen 27 der elektronischen Bauteile 23 geführt werden. Die Leitung 27 ist in einer Tülle 29 des die Bohrung 12 abschließenden Deckels 30 befe¬ stigt. Über die Leitung 27 werden die Meßwerte zu einer nicht darge¬ stellten Auswerteschaltung und Steuereinrichtung der Brennkraftma¬ schine geführt. Um den Aufnehmer 19 und die elektronischen Bauteile 23 vor Umwelteinflüssen zu schützen, ist das Gehäuse mindestens im . Bereich der elektronischen Bauteile 23 mit einer Vergußmasse 31 aus¬ gegossen.
In der Figur 1 weist das Gegenlager 25 einen Fortsatz 35 auf, mit dem es an der Unterseite des Trägers 21 im Bereich des Aufnehmers 19 anliegt. Eine Auflage des Trägers 21 auf dem Gegenlager 25 in diesem Bereich ist notwendig, um ein Durchbiegen des Trägers 21 im Bereich des Aufnehmers 19 zu verhindern. Dies würde sonst zu Fehlmessungen führen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn, wie in Figur 2 darge¬ stellt, die Bohrungen 26 segmentartige Ausnehmungen darstellen, so daß eine sternartige Ausbildung des Gegenlagers 25 entsteht. Die elektronischen Bauteile des Hybrids 22 sind dann in mehrere Baugrup¬ pen zusammengefaßt, die jeweils im Bereich der Bohrungen 26 auf der Unterseite des Trägers 21 angeordnet sind. So können die elektroni¬ schen Bauteile 23 des Hybrids 22 im Bereich einer Bohrung 26 zu ei¬ nem integrierten Schaltkreis (IC) zusammengruppiert sein, und in dem anderen Bereich der Bohrung befinden sich die Abgleichwiderstände und im Bereich einer weiteren Bohrung die Anschlüsse 27. Während beim Ausführungsbeispiel nach der Figur 2 das Gegenlager nur mit dem Fortsatz 35 auf der Unterseite des Trägers 21 aufliegt, ist es bei der Ausführung nach der Figur 3 möglich, den Träger 21 zu¬ sätzlich noch auf dem Rand 37 des Gegenlagers 25 zu lagern. Hierzu ist auf dem Rand 37 ein Dichtring 38 angeordnet, auf dem der Träger 21 aufliegt. Dadurch ist eine spannungsarme Lagerung des Hybrids 22 auf dem Gegenlager 25 möglich. Statt des Dichtrings 38 kann aber auch, wie in Figur 4 dargestellt, der Rand 37a des Gegenlagers 25a an der Unterseite des Trägers 21 anliegen. Durch die zusätzliche seitliche Auflage des Trägers 21 auf dem Rand 37a bzw. des Dicht¬ rings 38 wird eine Bruchsicherheit des Drucksensors bei einem Herab¬ fallen aus einer vorgeschriebenen Mindesthöhe gewährleistet. Ferner ist der Drucksensor dadurch gegenüber Stoßbelastungen gesichert.
Die Funktion eines Druckgebers ist allgemein bekannt und hier des¬ halb nicht näher ausführlich erläutert. Die über die Membran 14 und den Stempel 18 auf den Aufnehmer 19 einwirkende Kraft erzeugt bei einem piezoresistiven Element eine Widerstandsänderung, während es bei einem piezokeramischen Element oder einem Quarzelement eine durch Polarisationsänderung hervorgerufene Oberflächenladung be¬ wirkt. Dieses durch die Widerstandsänderung bzw. durch die Oberflä¬ chenladung hervorgerufene Meßsignal wird den elektronischen Bautei- 'len 23 des Hybrids 22 zugeführt. Es sind nur einfache Bondverbindun¬ gen zwischen den Kontaktscheiben und den Bauteilen bzw. zwischen den Bauteilen untereinander notwendig. Aufgrund eines relativ langen Stempels 18 sind die elektronischen Bauteile 33 relativ weit und so¬ mit geschützt vor Temperatureinflüssen vom Brennraum entfernt.

Claims

Ansprüche
1. Druckgeber (11) zur Druckerfassung im Brennraum von Brennkraftma¬ schinen, insbesondere von Kraftfahrzeugen, in dessen Gehäuse (10) ein Aufnehmer (19), mindestens ein Stempel (18), ein Gegenlager (25), eine ςlas Gehäuse (10) abschließende und am Stempel (18) anlie¬ gende Membran (14) und eine elektrische Auswerteschaltung angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Gegenlager (25) mindestens im Bereich des Aufnehmers (19) am Träger (21) anliegt, und daß das Ge¬ genlager (25) im Bereich der elektronischen Bauteile (23) durchge¬ hende Ausnehmungen aufweist.
2. Druckgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gegenlager (25) mehrere Ausnehmungen (26) aufweist, so daß das Gegenlager eine Sternform mit einem äußeren ringförmigen Rand (37) aufweist.
3. Druckgeber nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gegenlager (25) mit Hilfe eines Fortsatzes (35) am Träger (21) des Hybrides (22) anliegt.
4. Druckgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge¬ kennzeichnet,* daß auf dem Rand (37) des Gegenlagers (25) eine Dichtung (38) aufliegt.
5. Druckgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gegenlager (25) in das Gehäuse (10) eingepreßt ist.
6. Druckgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich¬ net, daß durch die Bohrungen (26) des Gegenlagers (25) die elektri¬ schen Leitungen (27) der Auswerteschaltung geführt werden.
7. Druckgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich¬ net, daß der Träger (21) des Hybrids (22) aus Al„0, besteht.
8. Druckgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeich¬ net, daß der Stempel (18) aus Glaskeramik besteht.
9. Druckgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeich¬ net, daß das Gehäuse (10) im Bereich des Aufnehmers (19) und der elektronischen Bauteile (23) mit einer Vergußmasse (31) vergossen ist.
EP91910828A 1990-07-18 1991-06-27 Druckgeber zur druckerfassung im brennraum von brennkraftmaschinen Withdrawn EP0493541A1 (de)

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