JPH05507358A - 内燃機関の燃焼室内の圧力を検出するための圧力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 内燃機関の燃焼室内の圧力を検出するための圧力センサ 背景技術 本発明はドイツ連邦共和国特許公開公報ｊ［３１２５６４０，６号に基づき公知 の圧力センサから出発する。

この公知の圧力センサにおいては、ピエゾ抵抗形の測定素子１例えばサーメット 、導電性プラスチックまたは金属からなる厚膜抵抗が支持体に被着されている。

抵抗素子と支持体とは、圧力室内の圧力を測定することができるように圧力室の 出来るだけ近くに配置されている。さらに測定信号は、電気的な導線を用いて圧 力センサのケーシングの外部に配置された電子評価回路に案内されている。した がってピエゾ抵抗形の素子と電子的な構成部材とはシールドされた導線を用いて 互いに接続されなければならず、これには手間がかがる。ピエゾ抵抗形の測定素 子は圧力に直接さらされるので、圧力室内の高温にもさらされることになる。こ の圧力室には約２０００℃の温度で火炎が広がる。これによって、ケーシングに は歪みが生じてしまうことがある。したがって圧力信号は高温により誤められて しまう。

さらに米国特許第４６４５９６５号明細書に開示された圧力センサにおいては、 測定センサが圧電性材料から成っている。圧電性の素子としては例えば圧電セラ ミック素子が使用されている。この圧電セラミック素子は、線材をコンタクト板 に溶接することにより接触接続することができる。しかしこれには手間がかかる 。ピエゾ抵抗形の素子とは異なり、圧電性の素子では圧力作用時に測定信号が形 成される際に電荷ひいては電圧が形成される。この電圧が取出され、評価される のである。これとは異なり、ピエゾ抵抗形の素子では、電圧が印加され、ピエゾ 抵抗形の素子における電気抵抗が圧力作用によって変化させられる。

発明の利点 請求項１に記載の特徴を有する本発明の圧力センサには次のような利点がある。

すなわち単結晶のシリコンチップにピエゾ抵抗形の測定素子と電子処理装置とを 極めてスペース節約型のコンパクトな構造で配置することができる。センサの感 度は、組立てが完了した状態で外部から調節することができる。本発明の圧力セ ンサにおいては従来の技術背景とは異なりレーザ調整はもはや不要である。

従属形式請求項に記載の手段により、請求項１に記載のセンサの有利な手段が得 られる。

図面 以下に本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。

第１図は圧力センサの断面図であり、第２図は回路図であり、第３ａ図および第 ３ｂ図は、ｌ変化実施例を断面図と平面図とで示しており、第４図は別の変化実 施例の断面図である。

実施例の説明 第１図には内燃機関の燃焼室内の圧力を測定するための圧力センサ１１のケーシ ングが符号１０で示されている。このケーシングは中央に、−貫して延びかつ段 付けされた孔１２を有している。ケーシング１０の、燃焼室に面した開口部１３ はダイヤフラム１４によって閉鎖されている。ダイヤフラム１４はいわゆるキャ ップ形ダイヤフラムとして構成されている。ダイヤフラムの縁部は折り曲げられ ており、ケーシング１０の軸部１５の端部に被せられていて、そこで溶接固定さ れている。これによりダイヤフラム１４はケーシング１０にしっかりと装着され ているが、ダイヤフラム１４の可動性を保証するために、軸部１５の端面１６に は直接接触していない。したがってダイヤフラム１４の曲がった部分は自由に運 動することができる。しかしダイヤフラムは、例えばスナップ結合のようなほか の形式によってケーシング１０の軸部１５に固定することもできる。ダイヤフラ ム１４は、超合金、すなわち、例えばほぼＮｉ５０％とＣｒ２Ｏ％とＦｅ５０％ との合金から構成されていると特に有利である。ダイヤフラム１４の中央部には プランジャ１８の一方の端部が当接しており、プランジャ１８の他方の端部は、 単結晶のシリコン（Ｓｔ）チップ２０のピエゾ抵抗形の測定素子１９に当接して いる。ピエゾ抵抗形の測定素子とは、圧力作用を受けてその抵抗値を変化させる ような素子を意味する。測定素子１９は拡散と、半導体技術に基づき公知の他の 方法とにより製造されたピエゾ抵抗形の抵抗２１から成っている。この抵抗２１ にはプランジャ１８の力が直角方向で導入される。前記の抵抗の製造方法ではシ リコンプレートの異種原子とのドーピングが行なわれる。実際にはこの場合例え ばホウ素またはリンが使用される。さらに測定素子１９は、すぐ近くに配置され た第２の抵抗２２を有している（第２図）、シかしこの抵抗２２には圧力は作用 しない。

この抵抗２２は抵抗２１と同様に前記の方法で製造されている。抵抗２２は抵ｉ ２１を補完していわゆる半波整流ブリッジ回路を形成している。場合によっては 、別の２つの抵抗を加えて都合３つの抵抗を設けてもよい。これらの抵抗には圧 力が作用せず、これによリボイートストン形の全波整流ブリッジ回路が得られる 。さらにシリコンチップには安定化回路２３が形成されていて、これにより測定 素子１９には安定化されかつ外乱を取り除かれた電圧または電流が供給される。

さらに抵抗２１．２２の測定ブリッジには直流電圧または交流電圧の増幅回路２ ４が作用する。これにより測定信号をミリボルト領域からボルト領域に増幅する 特表千５−５０７３５８　（３） ことができる、しかしその代わりに一般に公知の、増幅作用を有する制御回路が シリコンチップに設けられていてもよい、測定素子１９の測定ブリッジの近傍に は温度依存型の抵抗２５または半導体素子が配置されており、これによってブリ ッジ抵抗の温度依存性ならびに使用されるピエゾ抵抗形の素子のピエゾ抵抗係数 が補償される。さらにシリコンチップには、抵抗２７と、例えば並列に接続され た抵抗５１と、これに直列接続されたツェナーダイオード２８とからなる回路網 ならびに機能のバランスのためのロジック素子２９が設けられている。このため にはロジック素子２９から付加的な接続部３１がチップから外部へ向かって案内 されている。１Ｂ要に応じて極めて高い電圧と電流とを印加することによりツェ ナーダイオード２８をブレークダウンさせひいては抵抗５１を回路網に並列に接 続させることができるほどの高い電圧と電流とが前記接続部に加えられるように なっている。これにより、例えば測定素子１９への規定の圧力の印加時に、セン サのゼロ点と感度とが外部から電気的にバランス可能となる。場合によってはこ のようにして温度特性が温度依存型の抵抗２５を介して影響されるようになって いてもよい。従来より公知の圧力センサにおいてはこのような形式の機能のバラ ンスは、厚膜ハイブリッド上の抵抗のレーザバランシングによってのみ可能であ る。

しかじ厚膜回路は比較的大きな所要スペースを有しており、これによりセンサの 外寸法を決定してしまう。

第３図に示した測定素子の実施態様では、シリコン結晶２０ａからエツチング加 工されかつダイヤフラムとして働く薄い部分に４つの抵抗３５が形成されている 。これらの４つの抵抗３５はホイートストン形のブリッジ回路内に接続されてお り、この場合力はダイヤフラム３４の中央に導入され、これにより抵抗３５は縦 方向または横方向で引張応力または圧縮応力を受ける５この場合チップは第２図 に示したように構成されている。第３図に示した配置形式は第１図に示した構成 にも同様に使用可能である。この場合プランジャ１８は抵抗の１つに載置される ことなくホイートストン形のブリッジ回路の中央に作用し、第１図に示した通り シリコンチップ２０はエツチング加工されたダイヤフラムを有していない。

プランジャ１８はガラスセラミックスからなっていてもよく、これによりダイヤ フラムすなわち圧力を測定しようとする圧力室と測定素子１９との間の良好な断 熱が保証される。プランジャ１８の、チップ２０に面した端部は円錐状に構成さ れていてもよい、これによりこの端部は測定素子１９の敏感な抵抗とほぼ等しい 直径を有することができるか、あるいはダイヤフラム３４もしくはホイートスト ン形のブリッジ回路の中央に載置することができる。これによってプランジャ１ ８を孔１２内で案内するにもかかわらず、圧力伝達部分ではプランジャを測定素 子１９の大きさにｖＪ限することが可能になる。プランジャ１８から測定素子１ ９への、力のできるだけ正確に規定された導入を保証するために、プランジャ１ ８は少なくともその端部領域１７が比較的軟らかい材料から製造されている。こ れによりプランジャ端部の表面粗さが測定素子１９の測定抵抗２１に測定誤差と して生じてしまうことを阻止できる。この場合、プランジャ端部の端面と測定素 子１９の表面との間に形状接続が得られる。ここではチップ２０に中間素子３６ が配置されていてもよい。

この中間素子は、正確に規定された載着面でプランジャ１８の力を極めて均一に 測定素子１９に導入するために役立つ、しかもその際、測定素子１９がプランジ ャ端部の粗く凹凸のある表面により破壊されたり付加的な横方向緊張が測定素子 に生じたりすることはない。

中間素子３６は、ホウケイ酸ガラスまたは同様にシリコンからなっていると有利 である。それというのはこれらの材料は熱膨張係数の点でシリコンチップに適合 しておりしかも表面の質が高いからである。ホウケイ酸ガラスとしてはコーニン グ−グラスワークス社（Ｆｉｒｎａ　Ｃｏｒｎｉｎｇ−Ｇｌａｓｓ　Ｗｏｒｋｓ 、米国布）の材料パイレックス（Ｐｙｒｅｘ）またはショット社（Ｆｉｒ＋ｌａ 　５ｃｈｏｔｔ、ドイツ連邦共和国、マインツ在）の材料テンパックス（丁ｅｍ ｐａｘ）を使用してもよい。中間素子３６は、エツチングにより加工されたいわ ゆる凸構造または第４図に示したようなメサ構造３２を有していてもよい、メサ 構造には平らな表面はもはや形成されておらず凸部および／または凹部が設けら れている０例えばすでに製造過程において、シリコンチップを備えたウェーハと 、メサ構造にエツチングされたパイレックスウェーハまたはシリコンウェーハと を陽極ボンディングするか、または直接にボンディングし、つまり両者を機械的 に固（結合させ、続いてソーイングすることができる。これにより中間素子３６ の極めて高い位置調整精度が得られる。

さらに、プランジャ１８全体を軟らかな材料から製造することも考えられる。し かしこうすることによりプランジャ１８の剛性にはやはり不都合な影響がもたら されることがある。プランジャ１８の材料を選択する際には次の点を考慮するの が望ましい、すなわち、プランジャはできるだけ小さな熱伝導率を有しているの がよく、これにより測定信号が温度の変動または温度自体による影響によって誤 められることかなくなるのである。小さな熱伝導率は例えばガラスセラミックス が有している。プランジャ１８の部分１７のための材料は、例えば比較的軟質の 金属、例えばＡＩ、黄銅、Ｃｕやプラスチック等が使用されてもよい。この軟ら かい領域のための材料は小さい熱伝導率に合わせる必要はない。

チップ２０は、孔１２にプレス嵌めされた受け３７に直接当接しているか、また は支持体３８を介してこの受けに結合されている。この支持体３８は、シリコン チップ２０と受け３７との間に異なる膨張係数が作用するのを回避するようにな っている。支持体の材料としてはシリコンまたはホウケイ酸ガラスが有利に適し ている。受け３７内には孔１２に対してほぼ軸平行に延びて貫通する複数の孔４ ０が構成されている。これらの孔４０内では、電気的に絶縁性のガラスコンパウ ンドによって取り囲まれた調整ビン３１ａと電気的な接続のためのビン４７とが 案内されている。ビン３１ａ、４７はボンディングワイヤ３９を介してシリコン チップ２０に接続されている。ビン４７の導線４８はマウスピース４９に集めら れている０例えば湿りのような、環境からの有害な影響に対する保護のためには 孔１２がビンと電気的な回路とが存在する領域に封止用コンパウンド５０を流し 込まれていてもよい。

要　約　書 圧力センサ（１１）において、力がダイヤフラム（１４）とプランジャ（１８） とを介してピエゾ抵抗形の測定素子（２１）に導入される。この測定素子（２１ ）は単結晶のシリコンチップ（２０）の一部である。この単結晶のシリコンチッ プ（２０）は、そこでピエゾ抵抗形の測定素子（２１）が半波整流ブリッジ回路 またはホイートストン形のブリッジ回路に接続されている形式の単結晶のシリコ ンチップから成っている。さらにシリコンチップ（２０）には安定化回路（２３ ）と、検出された測定信号のための増幅回路（２４）と、測定素子（２１）のゼ ロ点および感度の温度補償のための電気的素子とが設けられている。さらに機能 調整のための素子（５１）が付加的な接続部を用いて形成されている。これによ り例えば圧力センサの感度およびゼロ点をチップの組立てが完了した状態でレー ザ調整なしに外部から調節することができる。

さらに圧力センサ（１１）は比較的小さくスペース節約型の構成を有している。

国際調査報告 ■１１”１Ａ１７“−ＰＣＴ／ＤＥ　９２１０Ｏ０２ａ国際調査報告

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. １．特に自動車の内燃機関の燃焼室内の圧力を検出するための圧力センサであっ て、該圧力センサの、片側がダイヤフラム（１４）によって閉鎖されたケーシン グ（１０）内にピエゾ抵抗形の材料からなる測定素子（２１）が配置されている 形式のものにおいて、前記ダイヤフラム（１４）と前記測定素子（２１）との間 にプランジャ（１８）が設けられており、該プランジャが、決定しようとする圧 力を前記測定素子（２１）に導入するようになっており、該測定素子（２１）が 単結晶のシリコンチップ（２０）の一部を成しており、該シリコンチップが、ピ エゾ拮抗形のブリッジ回路（１９）と、測定信号を増幅する増幅回路（２４）と 、ゼロ点および感度の温度補償のための付加的な素子とを有していることを特徴 とする、内燃機関の燃焼室内の圧力を検出するための圧力センサ。
2. ２．単結晶の前記シリコンチップ（２０）が前記ブリッジ回路（１９）に電流ま たは電圧を供給するための安定化回路（２３）を有している、請求項１記載の圧 力センサ。
3. ３．前記測定素子（２１）が半波複流ブリツジ回路の一部を成す範囲を前記シリ コンチップ（２０）が有しており、この範囲内には圧力によって負荷されない華 ２の抵抗（２２）が配置されている、請求項１または２記載の圧力センサ。
4. ４．前記測定素子（２１）がホイートストン形のブリッジ回路の一部を成す範囲 を前記シリコンチップ（２０）が有しており、この範囲内には圧力によって負荷 されない少なくとも２つの抵抗が配置されている、請求項１または２記載の圧力 センサ。
5. ５．ホイートストン形のブリッジ回路に接続された複数の測定素子（３５）が配 置された範囲を前記チップ（２０）が有している、請求項１または２記載の圧力 センサ。
6. ６．前記プランジャ（１８）がホイートストン形のブリッジ回路のほぼ中央に当 接している、請求項４または５記載の圧力センサ。
7. ７．前記範囲（３４）が前記シリコンチップ（２０）からエッチング加工された ダイヤフラムから成る、請求項３から６までのいずれか１項記載の圧力センサ。
8. ８．前記測定素子（１９）への圧力伝達のための中間素子（３６）がブリッジ回 路の中央に直接被着されている、請求項１から７までのいずれか１項記載の圧力 センサ。
9. ９．前記中間素子（３６）が第２のシリコンチップから成っている、請求項８記 載の圧力センサ。
10. １０．前記中間素子（３６）がホウケイ酸ガラスから成っている、請求項８記載 の圧力センサ。
11. １１．前記中間素子（３６）がメサエッチング部（３２）を有している、請求項 ９または１０に記載の圧力センサ。
12. １２．前記中間素子（３６）が直接ボンディング法または陽極ボンディング法に よって前記シリコンチップ（２０）と接続されている、請求項８から１１までの いずれか１項記載の圧力センサ。
13. １３．前記ポンディング法が、製造時に、前記中間素子（３６）のウェーハと、 シリコンウェーハとのボンディング過程として実施され、引き続きソーイングさ れている、請求項１２記載の圧力センサ。
14. １４．前記プランジャ（１８）の、前記チツプ（２０）に面した端部が比較的較 らかい材料から成っている、請求項１から１３までのいずれか１項記載の圧力セ ンサ。
15. １５．前記プランジャ（１８）がガラスセラミックスから成っている、請求項１ から１４までのいずれか１項記載の圧力センサ。