JP2020535434A - セラミック基板上の圧力センサ - Google Patents

Abstract

相対圧力又は絶対圧力測定のための圧力センサが提供される。圧力センサは、擾乱媒体を排除するために、付加的な加熱素子（Ｈ，Ａ−Ｇ）を備えて構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、凍結した又は高粘性の媒体中で使用するための圧力センサに関する。

困難な又は極端な条件にある媒体中での圧力センサを用いた圧力測定においては、凝縮物、凍結した又は高粘性の媒体が、使用される圧力センサの測定信号を歪ませる可能性がある。そのような媒体は、とりわけ、特に原動機付き車両での使用の際に生じ得るような、高温の、粘性の、低粘性で低温の、水性の又は油性の相、低温で高粘性の油、凍結した水又は燃料であり得る。歪んだ測定の結果は、以下のようなものであり得る：不十分な排ガス浄化、エンジン損傷、あるいは一般的に、監視されるべきプロセスの他の要素の損傷内燃機関の排ガスを清浄に保つことに対する要求が増大しているため、例えば、冷間エンジン始動の直後に種々の媒体中で正確な圧力測定を実行することが必要とされている。

本発明の課題は、上述した問題を回避すると共に、例えば冷間エンジン始動の直後に既に、エンジンに関連する媒体中で正確な圧力測定を行うことができ、且つ、圧力センサの耐用年数を延ばすことができる圧力センサを提供することである。

当該課題は、請求項１による圧力センサによって解決される。従属請求項は、有利な実施例を提示する。

解決のために、相対圧又は絶対圧を測定することが可能な圧力センサが提案される。この圧力センサは、ハウジング壁を含むハウジングを備える。ハウジング壁は、絶対圧の測定のためには密閉されていてもよく、あるいは、相対圧の測定のためには、例えば大気圧条件を基準圧力として使用するために開口を含んでいてもよい。ハウジング内には、セラミック基板及びその上に配置されたセンサ素子が配置されている。

センサ素子は、その内部で圧力に起因するメンブレンの撓みが決定される部材である。これは、例えば、圧電効果を利用することによる直接的な圧力決定として、又は、例えば抵抗素子を用いてメンブレンの伸びを測定することによる間接的な圧力決定として、様々な技術的な変形例において実施することができる。

センサ素子の方向を定めるため、以下においては、センサ素子のうちメンブレンが位置する側はセンサ素子の上面と呼ばれ、反対側はセンサ素子の下面と呼ばれる。下面には、センサ素子内に媒体通路が位置しており、当該媒体通路によって、圧力を導く媒体は、下面からメンブレンにアクセス可能となる。センサ素子は、ＭＥＭＳ部材として形成され得る。

センサ素子は、その下面においてセラミック基板の上に装着されており、当該セラミック基板は、キャリヤとして機能すると共に、センサ素子のための電気的接続部を含む。この電気的接続部は、圧力センサからの測定信号を導く機能を果たし、この測定信号は外部で処理され、当該信号に圧力が割り当てられる。

相対圧の測定のために、センサ素子の下部においてセラミック基板に通路があり、当該通路を通じて、測定されるべき媒体がセンサ素子の媒体通路へと導かれる。センサ素子の上面は、例えば大気圧である比較圧力に晒されている。当該比較圧力は、そのような相対圧測定において、ハウジング壁の開口を通じて圧力センサ内に達する。代替的な実施形態においては、絶対圧を測定することができる。その場合、セラミック基板には通路は存在せず、センサ素子の下面はシールされている。付加的に、ゲル境界が、セラミック基板の上でセンサ素子を取り囲んで装着され得る。当該ゲル境界は、センサ素子の上面を覆い、したがってこれを湿気から保護するゲルによって充填されている。測定されるべき圧力は、ゲルを介してセンサ素子のメンブレンに伝達される。ゲル境界及び充填物を有するセンサを、相対圧測定において使用することも可能である。

更に、加熱素子が、圧力センサの構成要素である。それは、正確な測定を可能とする作動温度を圧力センサ内で達成するという目的で、圧力センサ内の様々な位置に装着され得る。圧力センサを加熱することによって、生じ得る固体の及び液体の凝縮物は、溶かされ、場合によっては、気化され、場合によっては存在する高粘度の媒体と共に、圧力センサから排出され、場合によっては、ベークアウトされる。加熱素子によって、センサ素子を損傷又は破壊し得る氷の結晶の形成を防止することも可能である。

加熱素子は、例えば、圧力センサを凍結温度よりもかなり高い温度まで加熱するために形成されている。例えば、２０℃〜５０℃、特に１６０℃までの温度への加熱が企図されている。

加熱素子のための様々な可能な位置は、全て圧力センサの内部にある。以下において、例示的な位置が、非網羅的なリストに列挙されている：
加熱素子は、
−セラミック基板の上又は内部（位置Ａ及びＢ）に配置されることができ、ここでは、好ましくは、電気的接続部の近傍に装着されている。セラミック基板は、層状セラミックとして形成されていてもよい。加熱素子は、例えば、セラミック基板の内部又は表面上の層の上に印刷されていてもよい。
−ハウジング内、例えばハウジング壁の内側（位置Ｃ）であって、加熱素子は、接着、クランプ又は半田付けによって、ハウジングの構成要素と直接的に接触する。
−ハウジング壁の内部（位置Ｄ）
−実施形態において存在する場合には、ゲル境界の上（位置Ｇ）加熱素子は、ゲル境界に一体化されていてもよい。

加熱素子の様々な実施形態は、導電性プラスチック、例えば蛇行形状の抵抗、又は、正の温度係数を有する抵抗を含むことができる。抵抗のあり得る蛇行形状の利点は、抵抗がより長く、したがってより高い値を有し、その結果、より高い熱出力が得られることである。正の温度係数を有する抵抗の使用により、加熱素子の熱出力の外的制御はもはや必要ではない。

別の実施形態において、加熱素子は、センサのハウジング内に一体化されていると共に、マイクロ波を生成及び放射することができるように形成されており、当該マイクロ波によって、圧力センサ全体、その個々の構成要素又は測定されるべき媒体が、選択的に加熱される。それにより、加熱は所望の場所で、例えば媒体中で直接的に行われ、消費される加熱出力は、より最適に使用され得る。そのような加熱素子は、センサの異なる部位に配置することもできる。

加熱素子の電流供給は、様々な方法で行われ得る。その際、例えば、圧力センサの電力供給を通じた電力供給、又は、付加的でセンサ素子から独立した電力供給の変形例の可能性が存在する。エネルギー供給の分離は、測定信号が加熱素子への電流供給によって損なわれないという利点を有する。

上述した加熱素子に加えて、圧力センサは、説明された構造及び位置のうちの１つを有する別の加熱素子を含んでもよい。これは、記載された位置のうちの１つであって、第１の加熱素子の位置とは異なる位置に、装着され得る。複数の加熱素子を使用することにより、圧力センサは、より均一に、したがってより効率的に加熱され得る。

上述した圧力センサは、例えば、原動機付き車両において使用するために、特に原動機付き車両の排ガス領域、例えばディーゼル粒子センサ又は尿素センサの領域において使用するために形成されている。

本発明の別の態様によれば、上述した圧力センサを作動させるための方法が提示される。この方法によれば、圧力センサの起動の際、加熱素子は、設定された作動温度に達するまで、圧力センサを加熱するためにスイッチオンされる。設定された作動温度において、最初の圧力測定が行われる。加熱素子は、エネルギー消費の低減のために、例えば、圧力センサの作動中、加熱のために可能な限り少なくスイッチオンされる。例えば、加熱素子は、作動温度に達した際にスイッチオフされる、圧力センサの凍結は、その後、エンジンの熱によって防止される。代替的に、走行中の凍結を防止するために、加熱素子を継続的に作動させることも可能である。

以下において、本発明及びその構成要素が、選択された実施例及びそれに付随する概略的な図面に基づいて、詳細に説明される。

セラミック基板上に配置された絶対圧測定用センサ素子を有する圧力センサを、加熱素子を配置するための様々な位置と共に、断面図で示している。 相対圧測定用のセラミック基板上の圧力センサの代替的な実施形態を、加熱素子の様々な位置及びその可能な相対配置と共に、断面図で示している。 センサ素子の概略的な断面図を示している。

図１に示された断面図は、絶対圧測定用の圧力センサＤＳの概略的な構造を示している。この圧力センサは、ハウジング壁ＧＷを含むハウジングＧＨを備えている。ハウジングの内部には、セラミック基板ＫＳが装着されており、その上には、センサ素子ＳＥ、及び、ゲル境界ＧＢの内部の充填物ＧＦが配置されている。センサ素子は、圧力が一方の面からのみセンサ素子のメンブレンに作用し得るような形態で、セラミック基板上に配置されている。この面は、ゲルによって覆われたセンサ素子の上面である。充填物は、センサ素子の圧力に反応するメンブレンを湿気から保護する。ハウジング又はハウジング壁の開口によって、大気圧がハウジングの内部においても存在し、圧力をセンサ素子のメンブレンに伝達するゲルと接触することが可能となる。センサ素子の背面はセラミック基板によって閉鎖されているので、この場合は絶対圧測定が行われる。

更に、１つ又は複数の加熱素子Ｈの、特に位置Ａ〜Ｇへのあり得る配置のための種々の変形例が記入されている。加熱素子の記入された例示的な装着位置は、以下のとおりである：加熱素子は、
−セラミック基板の内部又は上（位置Ａ及びＢ）、
−ハウジングの内部、例えばハウジング壁の内側（位置Ｃ）、
−ハウジング壁の内部（位置Ｄ）、
−ゲル境界の上部（位置Ｇ）に
に配置され得る。

図２に示された断面図は、相対圧測定用の圧力センサの概略的な構造を示している。この圧力センサは、ハウジング壁ＧＷを含むハウジングＧＨを備えている。ハウジング内には、セラミック基板ＫＳ及びその上に配置されたセンサ素子ＳＥが固定されている。セラミック基板ＫＳは通路ＤＬを備える。センサ素子は、通路がセンサ素子の下に位置するように、セラミック基板上に配置されている。通路を通じて、圧力を導く媒体がセンサ素子の下面へと導かれ得る。大気圧が、基準圧力として、ハウジングの開口を通じてセンサ素子の上面に達し、それにより相対圧測定が可能となる。

更に、１つ又は複数の加熱素子Ｈの、特に位置Ａ〜Ｄへのあり得る配置のための種々の変形例が記入されている。加熱素子の記入された例示的な装着位置は、以下のとおりである：加熱素子は、
−セラミック基板の内部又は上（位置Ａ及びＢ）、
−ハウジングの内部、例えばハウジング壁の内側（位置Ｃ）、
−ハウジング壁の内部（位置Ｄ）
に配置され得る。

図３は、センサ素子ＳＥの拡大断面図を示している。ここでは、センサ素子のメンブレンＭＳを認識することができ、これは、ここではセンサ素子の上面ＯＳを形成している。上面の反対側には、センサ素子の下面ＵＳが位置しており、そこには、センサ素子のメンブレンＭＳへの媒体通路ＭＧが位置している。

図１、２及び３に示されたセンサ素子の形態は、例示的なものにすぎない。センサ素子又は圧力センサの構築のために他の形態又は材料も使用され得る。

図１、２及び３における全ての図示は、純粋に概略的であり、それぞれ図示された部材の正確な寸法比を読み取ることはできない。

Ａ セラミック基板上の加熱素子
Ｂ セラミック基板内の加熱素子
ＢＬ 換気
Ｃ ハウジングの内部の加熱素子
Ｄ ハウジング壁の内部の加熱素子
ＤＬ 通路
ＤＳ 圧力センサ
ＤＺ 圧力導入
Ｇ ゲル境界の上部の加熱素子
ＧＢ ゲル境界
ＧＦ ゲル充填物
ＧＨ ハウジング
ＧＷ ハウジング壁
Ｈ 加熱素子
ＫＳ セラミック基板
ＭＧ 媒体通路
ＭＳ センサ素子のメンブレン
ＯＳ センサ素子の上面
ＳＥ センサ素子
ＵＳ センサ素子の下面

Claims (18)

1. 相対圧又は絶対圧を決定するための圧力センサであって、
   −その内部に配置されたハウジング壁（ＧＷ）を含むハウジング（ＧＨ）と、
   −センサ素子（ＳＥ）と、
   −前記センサ素子及びその電気的接続部のキャリヤとして機能するセラミック基板（ＫＳ）と、
   −前記ハウジング又は前記ハウジング壁（ＧＷ）の内部に配置された加熱素子（Ｈ，Ａ−Ｇ）と、を含む圧力センサ。
   を含むことを特徴とする、圧力センサ。
2. 前記加熱素子（Ｈ，Ａ−Ｇ）は、前記セラミック基板（ＫＳ）の内部の位置Ａ（Ａ）又はその上の位置Ｂ（Ｂ）に配置されている、請求項１に記載の圧力センサ。
3. 前記加熱素子（Ｈ，Ａ−Ｇ）は、前記ハウジング（ＧＨ）の内壁の位置Ｃ（Ｃ）又は前記ハウジング壁（ＧＷ）の位置Ｄ（Ｄ）に配置されている、請求項１又は２に記載の圧力センサ。
4. 前記センサ素子は、前記センサ素子の上面（ＯＳ）のみに圧力が印加され、絶対圧が測定され得るように、前記セラミック基板（ＫＳ）上に配置されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧力センサ。
5. 前記セラミック基板は通路（ＤＬ）を備え、前記センサ素子は、前記センサ素子の上面及び下面（ＵＳ）からの独立した媒体アクセスが可能であり、その結果、相対圧が測定され得るように、前記通路内に配置されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧力センサ。
6. 上面上にメンブレンを備えるセンサ素子と、
   前記セラミック基板上の、上方に開放されたゲル境界（ＧＢ）と、
   前記ゲル境界内に充填されて前記メンブレンを覆う充填物（ＧＦ）と、を備え、
   前記充填物（ＧＦ）は前記メンブレン（ＭＳ）の保護手段として機能する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の圧力センサ。
7. 前記加熱素子（Ｈ，Ａ−Ｇ）は、前記ゲルを境界付ける前記ゲル境界の上に配置されている、請求項１〜６のいずれか１項に記載の圧力センサ。
8. 前記加熱素子（Ｈ，Ａ−Ｇ）は導電性プラスチックを含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載の圧力センサ。
9. 前記加熱素子（Ｈ，Ａ−Ｇ）は、正の温度係数を有する抵抗要素を含む、請求項１〜８のいずれか１項に記載の圧力センサ。
10. 前記加熱素子（Ｈ，Ａ−Ｇ）は、前記ハウジング壁の部分（複数）に一体化されており、マイクロ波放射の生成に適合している、請求項１〜９のいずれか１項に記載の圧力センサ。
11. 前記加熱素子（Ｈ，Ａ−Ｇ）は、前記圧力センサから独立した電力供給を備える、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の圧力センサ。
12. 前記センサ素子はＭＥＭＳ部材として形成されている、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の圧力センサ。
13. 第１の加熱素子（Ｈ，Ａ−Ｇ）とは異なる場所に配置されていると共に請求項２〜８を満足する別の加熱素子（Ｈ，Ａ−Ｇ）を有する、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の圧力センサ。
14. 原動機付き車両における冷間エンジン始動の際に圧力を測定するために形成されており、前記加熱素子（Ｈ，Ａ−Ｇ）は、前記圧力センサ（ＤＳ）を、最初の圧力測定を行い得る所定の作動温度まで加熱するために形成されている、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の圧力センサ。
15. 前記加熱素子（Ｈ，Ａ−Ｇ）は、２０〜１６０℃の温度までの加熱のために形成されている、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の圧力センサ。
16. 請求項１〜１５のいずれか１項に記載の圧力センサの原動機付き車両における使用。
17. 前記圧力センサ（ＤＳ）の起動の際、前記加熱素子（Ｈ，Ａ−Ｇ）は、前記圧力センサ（ＤＳ）を加熱するために、所定の作動温度に達するまでスイッチオンされる、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の圧力センサを作動させるための方法。
18. 前記加熱素子（Ｈ，Ａ−Ｇ）は、作動温度に達した際にスイッチオフされる、請求項１７に記載の方法。

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