WO2001023855A2 - Drucksensoreinrichtung - Google Patents

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WO2001023855A2
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    • G01L9/0072—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance
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    • G01L9/0055—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in ohmic resistance of piezoresistive elements bonded on a diaphragm

Definitions

  • the invention relates to a pressure sensor device which is particularly suitable for detecting high pressures.
  • a pressure sensor device is preferably used for detecting the fuel pressure in a fuel supply of a diesel internal combustion engine, where pressures up to over 2000 bar are to be recorded.
  • a known pressure sensor device (US 4,227,419) has a circular membrane which is in contact with the working medium on one side.
  • a substrate is arranged at a distance from the membrane and, together with spacers, encloses a medium.
  • the substrate and the membrane are provided with electrically conductive surfaces.
  • a measuring signal is generated by a sensor element depending on the capacitance which is formed by electrically conductive surfaces and the medium.
  • the membrane is made of quartz or aluminum oxide.
  • US Pat. No. 4,227,419 contains no indication of how to design the pressure sensor device so that it is also suitable for detecting very high pressures.
  • Another pressure sensor device is known from DE 39 19 411 AI. It has a hat-shaped ceramic body which comprises a membrane which is acted upon on one side with the working medium of the pressure sensor device and whose brim-shaped area forms a clamping point. Furthermore, the pressure sensor device comprises a sensor element which is designed and arranged in such a way that its measurement signal depends at least indirectly on a deformation of the membrane.
  • the ceramic body comprises a channel to the membrane, in which a connecting thread is formed, with which the ceramic body can be connected to a measuring point.
  • this has the disadvantage that the channel to the membrane must be dimensioned large enough to accommodate a counter thread. At very high pressures, the ceramic body can no longer be dimensioned sufficiently stable.
  • the object of the invention is to provide a simple and accurate pressure sensor device which reliably detects even high pressures.
  • the object is achieved according to the invention by the features of claim 1.
  • the invention is characterized in that the ceramic body can be dimensioned independently of a counter thread of a support body and can therefore also be dimensioned for extremely high pressures.
  • Advantageous embodiments of the invention are characterized in the subclaims. Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the schematic drawings. Show it:
  • Figure 1 shows a first embodiment of the invention
  • Figure 2 shows a second embodiment of the invention
  • Figure 3 shows a third embodiment of the inventive
  • the pressure sensor device (FIG. 1) comprises a first housing part 1 with an internal thread 2 and a hexagon 3.
  • the first housing part is preferably cylindrical in shape and is hollow on the inside, a step-shaped taper 4 being provided. This tapering can also be conical, for example.
  • the first housing part 1 is preferably made of steel.
  • the pressure sensor device comprises a second housing part 5, which receives plug contacts 6, 7, 8 and has electrical leads to the sensor element (and accommodates a sensor element 18).
  • the second housing part is preferably made of plastic.
  • the first and the second housing part 1, 5 are tightly connected to one another.
  • a sealing ring 9 is preferably provided between the first housing part 1 and the second housing part 2 for improved sealing.
  • a hat-shaped ceramic body 10 is introduced into the recess in the hollow area of the first housing part 1.
  • the hat-shaped ceramic body 10 has a membrane 11 which is acted upon on one side with the working medium 12 of the pressure sensor device.
  • the membrane 11 is designed such that it is dependent on that in the working medium 12 prevailing pressure deformed.
  • the membrane 11 is suitably thick.
  • the ceramic body 10 also has a brim-shaped area 13 which bears against the step-shaped taper 4 of the first housing part. Furthermore, a sealing element 15 m is introduced into the recess of the first housing part 1.
  • the sealing element is preferably an annular disk formed from soft iron.
  • the pressure sensor device can be mounted on a support body 17 which has a corresponding external thread for this purpose.
  • the working medium which is, for example, fuel
  • the support body is designed, for example, as a fuel supply rail (fuel rail, common rail). In such fuel supply strips, there may be a pressure of up to or more than 2000 bar.
  • the pressure sensor device further comprises the sensor element
  • the sensor element 18 which is attached to the membrane 11 of the ceramic body 10 by means of a connecting layer 19, which is designed, for example, as soldering, gluing or alloy.
  • the sensor element 18 is designed as a strain measuring element and thus detects the deformation of the membrane, which depends on the pressure in the working medium 12.
  • the sensor element 18 is preferably made of silicon and additionally comprises signal evaluation electronics which transmit the measuring signal with the output signal of the Formed pressure sensor device that can be tapped at one or more of the plug contacts 6, 7, 8.
  • the evaluation electronics can also include, for example, temperature measurement or compensation. If the sensor element 28 is made of silicon, this has the advantage that the evaluation electronics can be integrated and thus the pressure sensor device can be made compact.
  • the pressure sensor device is fastened to the support body 17 by means of the internal thread 2 and the cooperating external thread of the support body 17.
  • the hexagon is provided on the first housing part 1 in order to screw the pressure sensor device onto the external thread of the support body 17 by means of a suitable tool.
  • the first housing part 1 is screwed onto the support body 17 such that the brim-shaped area 13 of the ceramic body 10 and the sealing element 15 are clamped between the support body 17 and the step-shaped taper 4 of the first housing part.
  • the first housing part is screwed onto the support body 17 or with a predetermined torque to such an extent that the ceramic body 10 is hermetically connected to the support body 17 by the sealing action of the sealing element 15.
  • the hat-shaped design of the ceramic body 10 has the advantage that a mechanical tension prevailing in the brim-shaped region 13 is not transmitted to the membrane 11. This ensures that no deformation of the membrane 11 occurs due to the fastening of the pressure sensor device to the support body 17. This ensures that the deformation characteristic of the membrane 11 only depends on the pressure in the working medium 12.
  • the ceramic body is preferably made of aluminum oxide, silicon nitrite, zirconium oxide, aluminum nitride, graphite or silicon carbide. Such ceramic materials are suitable for very high resilience with compressive stresses.
  • FIG. 2 shows a second embodiment of the pressure sensor device according to the invention, in which, in contrast to the first embodiment according to FIG. 1, 1 e external thread 20 is provided on the first housing part, with which the pressure sensor device is screwed in with a corresponding internal thread of the support body 17.
  • the first housing part can also be provided with further recesses into which corresponding screws can be introduced, with which the pressure sensor device can then be fastened to the support body 17.
  • the pressure sensor device can also be fastened to the support device by means known to those skilled in the art.
  • a body 23 is provided, which is preferably designed as a disk and which is spaced from the membrane 11 by spacers 21.
  • the body 23, the spacers 21 and the membrane 11 enclose the medium 26.
  • the medium 26 can be, for example, air, nitrogen, vacuum or argon.
  • a metallization 24 is applied to the membrane 11 on the side of the membrane 11 facing the medium 26.
  • a further metallization 25 is applied to the body 23 on the side facing the medium 26.
  • the capacitance formed by the medium 26, the metallization 24 and the further metallization 25 is detected by suitable contacting of the sensor element 18. The capacity changes with the deformation of the membrane 11 and is thus a measure of the pressure that prevails in the working medium 12. Due to the electrically insulating
  • the body 23 is also made of ceramic. This ensures that both the body 23 and the hat-shaped ceramic body 10 have the same thermal expansion coefficient and thus no thermal stresses occur between the ceramic-shaped hat body 10 and the body 23.
  • known manufacturing methods of the hybrid electronics are used for the hermetically sealed connection of the hat-shaped ceramic body 10 and the body 23. If an evaluation unit is also integrated in the sensor element 18, complex shielding of electrical leads from the metallization 25 can be dispensed with.

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Abstract

Eine Drucksensoreinrichtung hat einen hutförmigen Keramikkörper (10), der eine Membran (11) umfasst, die einseitig mit dem Arbeitsmedium (12) der Drucksensoreinrichtung beaufschlagt wird, und dessen krempenförmiger Bereich (13) zwischen einem ersten Gehäuseteil (1) und einem Dichtelement (15) angeordnet ist. Der Keramikkörper (10), das Dichtelement (15) und das erste Gehäuseteil (1) wirken so zusammen, dass der krempenförmige Bereich (13) des Keramikkörpers (10) und das Dichtelement (15) zwischen das erste Gehäuseteil (1) und einem Trägerkörper (17) einspannbar sind, in dem sich das Arbeitsmedium (12) befindet. Ferner umfasst die Drucksensoreinrichtung ein Sensorelement (18), das derart ausgebildet und angeordnet ist, dass sein Messsignal zumindest mittelbar abhängt von einer Verformung der Membran (11). Das erste Gehäuseteil (1) hat ein Innen- oder Aussengewinde (2, 20), das in ein entsprechendes Gegengewinde des Trägerkörpers (17) einschraubbar ist.

Description

Beschreibung
Drucksensoreinrichtung
Die Erfindung betrifft eine Drucksensoreinrichtung, die insbesondere geeignet ist zum Erfassen von hohen Drucken. Eine derartige Drucksensoreinrichtung kommt bevorzugt zum Einsatz zum Erfassen des Kraftstoffdrucks in einer Kraftstoffversorgung einer Diesel-Brennkraftraaschine, wo Drucke bis über 2000 bar zu erfassen sind.
Eine bekannte Drucksensoreinrichtung (US 4,227,419) hat eine kreisförmige Membran, die einseitig mit dem Arbeitsmedium in Kontakt ist. Ein Substrat ist beabstandet zu der Membran an- geordnet und umschließt zusammen mit Abstandshaltern ein Medium. Das Substrat und die Membran sind mit elektrisch leit- fahigen Oberflachen versehen. Ein Meßsignal wird von einem Sensorelement abhangig von der Kapazität erzeugt, die durch elektrisch leitfahige Oberflachen und das Medium gebildet wird. Die Membran ist aus Quarz oder Aluminium-Oxid ausgebildet. Die US 4,227,419 enthalt jedoch keinen Hinweis, wie die Drucksensoreinrichtung auszubilden ist, damit sie auch zum Erfassen von sehr hohen Drucken geeignet ist.
Eine weitere Drucksensoreinrichtung ist aus der US 5,329,819 bekannt, die geeignet ist zum Erfassen von sehr hohen Drucken. Im Unterschied zu der aus der US 4,227,419 bekannten Drucksensoreinrichtung ist die kreisförmige Membran mittels einer Epoxy-Verbindung mit einer dicken Metallmembran verbun- den, die einseitig mit dem Arbeitsmedium in Kontakt ist. Die Drucksensoreinrichtung hat den Nachteil, daß sie aufwendig ist und bei großen Temperaturschwankungen starke thermische Spannungen zwischen der Membran und der Metallmembran auftreten können.
Eine weitere Drucksensoreinrichtung ist aus der US 5,349,865 bekannt, die geeignet ist zum Erfassen von sehr hohen Dru- cken. Im Unterschied zu der aus der US 5,329,819 bekannten Drucksensoreinrichtung ist die Kapazität durch die Metallmembran, das mit Elektroden versehene Substrat und das sich dazwischen befindliche Medium gebildet. Dies hat den Nach- teil, daß das Spannungspotential der Metallmembran durch das Potential anderer elektrisch leitender Bauteile beeinflußbar ist, an denen die Drucksensoreinrichtung befestigbar ist. Dies kann zu Meßfehlern führen.
Eine weitere Drucksensoreinrichtung ist aus der DE 39 19 411 AI bekannt. Sie hat einen hutförmigen Keramikkörper, der einen Membran umfaßt, die einseitig mit dem Arbeitsmedium der Drucksensoreinrichtung beaufschlagt wird und dessen krempen- formiger Bereich eine Einspannstelle bildet. Ferner umfaßt die Drucksensoreinrichtung ein Sensorelement, das derart ausgebildet und angeordnet ist, daß sein Meßsignal zumindest mittelbar abhängt von einer Verformung der Membran. Der Keramikkörper umfaßt einen Kanal hin zu der Membran, in dem ein Anschlußgewinde ausgebildet ist, mit dem der Keramikkorper an eine Meßstelle anschließbar ist. Dies hat jedoch den Nachteil, daß der Kanal hin zu der Membran ausreichend groß zur Aufnahme eines Gegengewindes dimensioniert werden muß. Bei sehr hohen Drucken kann dann der Keramikkorper nicht mehr ausreichend stabil dimensioniert werden.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfache und genaue Drucksensoreinrichtung zu schaffen, die zuverlässig auch hohe Drucke erfaßt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelost durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß der Keramikkorper unabhängig von einem Gegengewinde eines Tragerkörpers dimensionierbar ist und somit auch für extrem hohe Drucke dimensioniert werden kann. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet . Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung sind anhand der schematischen Zeichnungen naher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine erste Ausfuhrungsform der erfmdungsgemaßen
Drucksensoreinrichtung,
Figur 2 eine zweite Ausfuhrungsform der erfmdungsgemaßen
Drucksensoreinrichtung und
Figur 3 eine dritte Ausfuhrungsform der erfindungemaßen
Drucksensoreinrichtung.
Elemente gleicher Konstruktion und Funktion sind figurenuber- greifend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Die Drucksensoreinrichtung (Figur 1) umfaßt ein erstes Gehau- seteil 1 mit einem Innengewinde 2 und einem Sechskant 3. Das erste Gehauseteil ist vorzugsweise zylmderformig ausgebildet und ist innen hohl, wobei eine stufenförmige Verjüngung 4 vorgesehen ist. Diese Verjüngung kann beispielsweise auch ko- nusformig ausgeführt werden. Das erste Gehauseteil 1 ist vor- zugsweise aus Stahl ausgebildet.
Ferner umfaßt die Drucksensoreinrichtung ein zweites Gehauseteil 5, das Steckkontakte 6, 7, 8 aufnimmt und elektrische Zuleitungen zu dem Sensorelement aufweist, (und ein Sensor- element 18 aufnimmt.) Das zweite Gehauseteil ist bevorzugt aus Kunststoff ausgebildet. Das erste und das zweite Gehauseteil 1, 5 sind dicht miteinander verbunden. Vorzugsweise ist zwischen dem ersten Gehauseteil 1 und dem zweiten Gehauseteil 2 zur verbesserten Abdichtung ein Dichtring 9 vorgesehen.
In die m dem hohlen Bereich des ersten Gehauseteils 1 befindliche Ausnehmung ist ein hutformiger Keramikkorper 10 eingebracht. Der hutformige Keramikkorper 10 hat eine Membran 11, die einseitig mit dem Arbeitsmedium 12 der Drucksensor- emrichtung beaufschlagt wird. Die Membran 11 ist so ausgebildet, daß sie s ch, abhangig von dem im Arbeitsmedium 12 herrschenden Druck verformt. Dazu ist die Membran 11 geeignet dick ausgebildet.
Der Keramikkorper 10 hat ferner einen krempenformigen Bereich 13, der an der stufenförmigen Verjüngung 4 des ersten Gehau- seteils anliegt. Ferner ist ein Dichtelement 15 m die Ausnehmung des ersten Gehauseteils 1 eingebracht. Das Dichtelement ist vorzugsweise eine aus Weicheisen gebildete ringförmige Scheibe.
Die Drucksensoreinrichtung ist an einem Tragerkorper 17 montierbar, der zu diesem Zweck ein entsprechendes Außengewinde aufweist. In dem Tragerkorper 17 befindet sich das Arbeitsmedium, das beispielsweise Kraftstoff ist. Der Tragerkorper ist beispielsweise als Kraftstoffversorgungsleiste (Fuel-Rail, Common-Rail) ausgebildet. In derartigen Kraftstoffversorgungsleisten herrscht ggf. ein Druck bis zu oder mehr als 2000 bar.
Die Drucksensoreinrichtung umfaßt ferner das Sensorelement
18, das mittels einer Verbindungsschicht 19, die z.B als Lotung, Klebung oder Legierung ausgeführt ist, auf der Membran 11 des Keramikkorpers 10 befestigt st. Das Sensorelement 18 ist als Dehnungsmeßelement ausgebildet und erfaßt so die Ver- formung der Membran, die abhangt von dem Druck m dem Arbeitsmedium 12. Das Sensorelement 18 ist bevorzugt aus Silizium ausgebildet und umfaßt zusätzlich eine Signal- Auswerteelektronik, die das Meßsignal m em Ausgangssignal der Drucksensoreinrichtung umformt, das an einem oder mehre- ren der Steckkontakten 6, 7, 8 abgreifbar ist. Ferner kann die Auswerteelektronik auch noch beispielsweise eine Temperaturmessung oder -kompensation umfassen. Wenn das Sensorelement 28 aus Silizium ausgebildet ist, hat dies den Vorteil, daß die Auswerteelektronik integriert werden kann und somit die Drucksensoreinrichtung kompakt ausgebildet werden kann. Die Drucksensoreinrichtung ist mittels des Innengewindes 2 und dem damit zusammenwirkenden Außengewinde des Tragerkor- pers 17 an dem Tragerkorper 17 befestigt. Der Sechskant ist an dem ersten Gehauseteil 1 vorgesehen, um mittels eines ge- eigneten Werkzeuges die Drucksensoreinrichtung auf das Außengewinde des Tragerkorpers 17 zu schrauben. Dabei wird das erste Gehauseteil 1 so auf den Tragerkorper 17 aufgeschraubt, daß der krempenförmige Bereich 13 des Keramikkorpers 10 und das Dichtelement 15 eingespannt sind zwischen dem Tragerkor- per 17 und der stufenförmigen Verjüngung 4 des ersten Gehau- seteils. Dabei wird das erste Gehauseteil soweit auf den Tragerkorper 17 bzw. mit einem vorgegebenen Drehmoment aufgeschraubt, daß der Keramikkorper 10 durch die Dichtwirkung des Dichtelementes 15 hermetisch dicht mit dem Tragerkorper 17 verbunden ist.
Die hutformige Ausbildung des Keramikkorpers 10 hat den Vorteil, daß eine m dem krempenformigen Bereich 13 herrschende mechanische Spannung nicht auf die Membran 11 übertragen wird. Somit ist sichergestellt, daß durch das Befestigen der Drucksensoreinrichtung an dem Tragerkorper 17 keine Verformung der Membran 11 auftritt. Dadurch ist gewahrleistet, daß die Verformungscharakteristik der Membran 11 lediglich abhangt von dem Druck in dem Arbeitsmedium 12.
Der Keramikkorper ist vorzugsweise aus Alummiumoxid, Silizi- um-Nitrit, Zirkonoxid, Aluminiumnitrid, Graphit oder Silizi- um-Carbid ausgebildet. Derartige Keramikwerkstoffe sind für eine sehr hohe Belastbarkeit mit Druckspannungen geeignet.
Figur 2 zeigt eine zweite Ausfuhrungsform der erfmdungsgemaßen Drucksensoreinrichtung, bei der im Unterschied zu der ersten Ausfuhrungsform gemäß Figur 1 an dem ersten Gehauseteil 1 e Außengewinde 20 vorgesehen ist, mit dem die Druck- sensoremrichtung m em entsprechendes Innengewinde des Tragerkorpers 17 eingeschraubt wird. Alternativ zu dem in den Figuren 1 und 2 dargestellten Innengewinde 2 und dem Außengewinde 20 kann das erste Gehauseteil auch mit weiteren Ausnehmungen versehen sein, in die entsprechende Schrauben einbringbar sind, mit denen dann die Druck- sensoremrichtung an dem Tragerkorper 17 befestigbar ist.
Ferner kann die Drucksensoreinrichtung auch mittels weiterer dem Fachmann bekannten Mittel an der Tragereinrichtung befestigbar sein.
In einer dritten Ausfuhrungsform (Figur 3) der Drucksensoreinrichtung ist em Korper 23 vorgesehen, der vorzugsweise als Scheibe ausgebildet ist und der durch Abstandshalter 21 beabstandet von der Membran 11 angeordnet ist. Der Korper 23, die Abstandshalter 21 und die Membran 11 umschließen dabei em Medium 26. Das Medium 26 kann beispielsweise Luft, Stickstoff, Vakuum oder Argon sein . An der dem Medium 26 zugewandten Seite der Membran 11 ist eine Metallisierung 24 auf die Membran 11 aufgebracht. Auf den Korper 23 ist auf der dem Medium 26 zugewandten Seite eine weitere Metallisierung 25 aufgebracht. Die durch das Medium 26, die Metallisierung 24 und die weitere Metallisierung 25 gebildete Kapazität wird durch geeignete Kontaktierung des Sensorelements 18 von diesem erfaßt. Die Kapazität ändert sich mit der Verformung der Membran 11 und ist somit ein Maß für den Druck, der in dem Arbeitsmedium 12 herrscht. Durch die elektrisch isolierende
Eigenschaft des Keramikkorpers ist gewahrleistet, daß die Metallisierung 24 nicht durch das Spannungspotential an dem Tragerkorper 17 beeinflußt wird.
Vorteilhaft ist, wenn der Korper 23 ebenfalls aus Keramik ausgebildet ist. Dadurch ist gewahrleistet, daß sowohl der Korper 23 als auch der hutformige Keramikkorper 10 die gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten haben und somit keine thermischen Spannungen zwischen dem keramikformigen Hutkorper 10 und dem Korper 23 auftreten. Zur hermetisch dichten Verbindung des hutförmigen Keramikkorpers 10 und des Korpers 23 können bekannte Herstellungsverfahren der Hybrid- elektronik eingesetzt werden. Wenn in dem Sensorelement 18 auch eine Auswerteeinheit integriert ist, kann auf ein aufwendiges Abschirmen elektrischer Zuführungen von der Metallisierung 25 verzichtet werden.

Claims

Patentansprüche
1. Drucksensoreinrichtung mit einem hutförmigen Keramikkorper (10), der eine Membran (11) umfasst, die einseitig mit dem Arbeitmedium (12) der Drucksensoreinrichtung beaufschlagt wird, und dessen krempenformiger Bereich (13) zwischen einem ersten Gehauseteil (1) und einem Dichtelement (15) angeordnet ist, wobei der Keramikkorper (10), das Dichtelement (15) und das erste Gehauseteil (1) so zusammenwirken, daß der krempen- formige Bereich (13) des Keramikkorpers (10) und das Dichtelement (15) zwischen das erste Gehauseteil (1) und einen Tragerkorper (17) einspannbar sind, in dem sich das Arbeitme- dium (12) befindet, und einem Sensorelement (18), das derart ausgebildet und angeordnet ist, daß sein Meßsignal zumindest mittelbar abhangt von einer Verformung der Membran (11), wobei das erste Gehauseteil (1) em Innen- oder Außengewinde (2, 20) aufweist, daß in ein entsprechendes Gegengewinde des Tragerkorpers (17) einschraubbar ist.
2. Drucksensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement (18) auf der dem Arbeitsmedium abgewandten Seite der Membran (11) angeordnet ist und als Dehnungsmesselement ausgebildet ist.
3. Drucksensoreinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement (18) aus Silizium besteht.
4. Drucksensoreinrichtung nach Anspruch , dadurch gekennzeichnet, daß em Korper (23) und Abstandshalter (21) vorge- sehen sind, die zusammen mit der Membran (11) em Medium (26) umschliessen, daß die Membran (11) zumindest m einem Teilbereich mit einer Metallisierung (24) versehen ist und der Korper (23) zumindest in einem Teilbereich mit einer Metallisierung (25) versehen ist und daß das Sensorelement (18) em Meßsignal erzeugt das abhangt von der durch das Medium (26) und die Metallisierungen (24,25) gebildeten Kapazität.
5. Drucksensoreinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (23) aus Keramik besteht.
6. Drucksensoreinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch ge- kennzeichnet, daß der oder die Abstandshalter (21) aus Keraik bestehen.
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