WO2001024321A1 - Elektrische durchführung, insbesondere für eine einspritzdüse, und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents

Elektrische durchführung, insbesondere für eine einspritzdüse, und verfahren zu ihrer herstellung Download PDF

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WO2001024321A1
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electrical
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Gerhard KRÖTZ
Ulrich Schmid
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Eads Deutschland Gmbh
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    • H01R13/73—Means for mounting coupling parts to apparatus or structures, e.g. to a wall
    • H01R13/74—Means for mounting coupling parts in openings of a panel

Definitions

  • the present invention relates to an electrical feedthrough according to the preamble of claim 1 and a method for producing an electrical feedthrough according to the preamble of claim 10.
  • Electrical feedthroughs are important in various areas of technology, for example to ensure an electrical connection between gas-filled or pressurized rooms and the outside. It is also often necessary to provide closed, evacuated rooms with an electrical feedthrough which is arranged in the wall of the room in question in order to establish an electrical connection between the evacuated room and the outside space.
  • the electrical feedthroughs must be hermetically sealed.
  • DE 28 44 787 A shows an electrical connection device in which a plurality of inserts, one above the other, are arranged in a housing, through which contacts extend.
  • DE-PS 1 1 10726 shows an explosion-proof electrical switching device with a connection space which is filled with casting resin.
  • a connection cable 7 leads on one side into the connection space, where it branches into several connection lines which lead out on the other side.
  • DE-AS 1 161969 discloses an arrangement for sealing electrical conductors with a pan-shaped insulating part which has an opening in its bottom wall into which a Z-shaped bent conductor is inserted.
  • FIG. 6 Another known electrical feedthrough is shown in FIG. 6.
  • the bushing has a steel housing 100 in which an insulator 200 is arranged.
  • Several wires or wire pins 300 extend through the insulator 200.
  • the insulator 200 and the wire pins 300 are hermetically sealed, so that no exchange of substances from one side of the isolator 200 to the other side.
  • Such electrical feedthroughs are glazed in, for example, to ensure the required hermetic tightness.
  • the known electrical feedthroughs have various disadvantages. On the one hand, they can only be miniaturized to a limited extent, since the wire pins embedded in the insulator require a relatively large amount of space. On the other hand, they are complex to manufacture, which results in high costs during manufacture.
  • Another major disadvantage of such electrical feedthroughs is their limited temperature and pressure stability. At high pressures in the range of 1000 bar and more, there is a risk of destruction, especially with small sizes. At high temperatures in the range of over 100 ° C, the hermetic seal is usually no longer guaranteed and there is also a risk of the component being destroyed.
  • the electrical feedthrough according to the invention is particularly suitable for an injection nozzle and comprises a separating element for separating two rooms and one Conductor element which is arranged in the separating element in order to establish an electrically conductive connection between the two spaces, the separating element being made from a plurality of layers, in each of which a section of the conduit element runs, the sections being arranged offset with respect to one another parallel to the layer planes, and wherein the sections are connected to one another via lateral conductor tracks which run between the adjoining layers.
  • the pressure does not rest on a single line element within the separating element, but is distributed over the multitude of layers.
  • the electrical feedthrough can withstand a pressure of 1000 bar and more with a thickness of less than one millimeter.
  • the separating element is preferably made of ceramic. This results in a particularly high temperature and pressure stability.
  • one or more through holes are preferably arranged, which e.g. are provided with an electrically conductive material to form vias.
  • the plated-through holes or the sections of the line element can be made of a metal paste which is introduced into the through holes.
  • the separating element can e.g. made of ceramic and e.g. be made in green tape technology.
  • the individual layers or ceramic layers can have a thickness of 10 to 250 ⁇ m, preferably 95 to 210 ⁇ m and particularly preferably approximately 130 ⁇ m.
  • the electrical feedthrough can be arranged in the housing of an injection nozzle for an internal combustion engine.
  • the electrical feedthrough connects a measuring element, which is arranged in the interior of an injection nozzle for measuring the fuel flow and / or another fuel parameter, to the exterior.
  • Pressure or temperature can also be used as fuel parameters, for example Consideration.
  • the implementation can preferably also lead into the combustion chamber of an internal combustion engine in order to enable pressure measurement there. A passage into a vacuum chamber is also possible.
  • the method according to the invention for producing an electrical feedthrough comprises the steps: providing at least one layer of electrically insulating material; Introducing one or more through holes into the layer in such a way that the holes are offset from one another after the joining of several layers; Introducing electrically conductive material into the through holes to form vias; Applying conductor tracks to at least one layer; and joining the layers.
  • the method enables an electrical feedthrough to be produced in a cost-effective manner, which can withstand increased pressures with a small design.
  • the layers are preferably made of ceramic using green tape technology and e.g. sintered into a monolithic block after assembly. This results in a particularly high strength and temperature stability.
  • a metal paste is preferably introduced into the through holes of the layer or the individual layers.
  • the layers are manufactured, for example, in a batch process, a large-area layer being separated into several small layers after the holes have been made. These measures result in a quick and inexpensive manufacture with a particularly small construction.
  • the joined layers with the plated-through holes are preferably arranged in the housing of an injection nozzle, for example in order to provide an electrical connection to a measuring element in the interior of the injection nozzle. This makes it possible to measure the fuel flow in the injection nozzle.
  • the measurement signal can be fed back, for example, to control the injection nozzle in order to obtain the optimal injection quantity.
  • FIG. 1 shows a partial cross section through an electrical feedthrough according to a preferred embodiment of the invention
  • Figure 2 shows an electrical bushing with a measuring element according to another preferred embodiment of the invention in an exploded view
  • Figure 3 shows a perspective sectional view of the electrical feedthrough of Figure 2;
  • FIG. 4 shows an injection nozzle for an internal combustion engine, which shows an electrical feedthrough according to the invention on a front section of its housing;
  • FIG. 5 shows a longitudinal section through the front area of the injection nozzle shown in FIG. 4;
  • Figure 6 shows a known electrical feedthrough.
  • the electrical bushing shown in section in FIG. 1 has a separating element 10 made of insulating material, which is constructed or manufactured from a plurality of layers 11, 12, 13.
  • the layers 11, 12, 13 are ceramic layers which are aligned parallel to one another and are firmly connected to one another at the layer boundaries.
  • a section 21, 22, 23 of a line element 20 which provides an electrical connection between the top 10a and the bottom 10b of the
  • the sections 21, 22, 23 of the line element 20 are arranged offset to one another and connected to one another by lateral conductor tracks 31, 32.
  • the line sections 21, 22, 23 are formed by metals or metallizations, which are formed in through holes in the ceramic layers 11, 12, 13. In the preferred embodiment shown here, the through holes or via holes are filled with a metal paste. However, it is also possible for the holes to be metallized only on their edge or on their inner wall in order to form the electrically conductive connection between the upper and lower sides 10a, 10b of the separating element 10.
  • the holes that form the line sections 21, 22, 23 with the metallization run perpendicular to the planes of the layers 11, 12, 13.
  • the mutual offset from one section to the next is lateral, i.e. it runs parallel to the layer planes.
  • Each section 21, 22, 23 extends through a layer 11, 12, 13, so that the offset occurs at the layer boundaries.
  • Each section 21, 22, 23 forms a plated-through hole in the respective layer 11, 12, 13.
  • the conductor tracks 31, 32 are metal layers or tracks, which are on the respective conductor tracks 31, 32.
  • the top and / or bottom of the layer in question are evaporated or printed.
  • the conductor tracks 31, 32 are designed to be very compact or small and generally have a thickness of 10 to 20 ⁇ m. However, they can also be made much thinner, for example with a thickness of 1 ⁇ m or less.
  • the line elements 20 formed from the individual sections 21, 22, 23 or vias and conductor tracks 31, 32 run zigzag through the separating element 10.
  • the number of layers is not limited to two or three.
  • the layers 11, 12, 13 are firmly connected or baked together and form a monolithic part.
  • the ceramic layers 11, 12, 13 of the separating element 10 shown in FIG. 1 have a thickness of approximately 130 ⁇ m. Due to the mutual offset of the filled holes, the pressure does not bear on the holes or metal fillings, but is distributed over a large area over the individual layers.
  • the size of the electrical bushing in the lateral direction in the embodiment shown here is only approximately 2 mm. Despite this small size, the component withstands high pressures.
  • FIG. 2 shows an electrical bushing according to the invention with a connected sensor or measuring element 50 in an exploded view.
  • the individual ceramic layers 11, 12, 13 are firmly baked or connected to one another and are located in a cylindrical cavity 61, which is formed in a housing or frame 60, which is also cylindrical.
  • Each conductor track 31 connects a line section 22, which extends through the middle layer 12, to a line section 21 arranged offset therefrom, which extends through the first layer 11 (see FIG. 3).
  • the line sections 22 are each connected to a further lateral conductor track 32, which is located on the adjacent layer 13.
  • the lateral conductor tracks 32 are arranged in FIG. 2 on the back of the layer 13 or on the side facing away from the viewer.
  • the course of the two line elements 20 with their associated line sections 21, 22, 23 and lateral line sections or conductor tracks 31, 32 is shown in FIG. 3.
  • the circles in the elements 31 indicate the position of the punch through the ceramic disk 11.
  • the line section 32 on the ceramic disk 12 is designed in the same way.
  • the measuring element 50 which is formed by a conductor track or a wire or metal wire, which is arranged on the separating element 10, is located on the outside of the separating element 10 or the outer layer 13. With the measuring element 50, a flow measurement can be carried out in a flowing medium by measuring the electrical resistance of the conductor track. As is known, this resistance is temperature-dependent and thus changes as a function of the flow or flow velocity of the flowing medium.
  • FIG. 4 shows an injection nozzle 80 for an internal combustion engine, which has an electrical feedthrough 9 according to the invention.
  • the electrical feedthrough 9 is constructed as described above and extends through an area of the wall of the housing 81 of the injection nozzle 80 into its interior.
  • a sensor is attached there with which the fuel flow within the injection nozzle 80 is measured.
  • the sensor located in the interior of the injection nozzle 80 is supplied with current via lines 82 located outside.
  • the measurement signals obtained are fed via lines 82 to a control circuit which controls the injection quantity of the fuel or the opening of the injection valve.
  • sensors in the interior of the injector 80 are also possible, which can measure various parameters, such as the pressure or temperature of the fuel.
  • the respective sensor is electrically connected to the outside for the transmission of the measurement signals and / or for the power supply via the electrical feedthrough according to the invention.
  • FIG. 5 shows a longitudinal section through the front area of the injection nozzle 80 with the electrical feedthrough 9.
  • the cylindrical housing 81 of the injection nozzle 80 has a plurality of nozzle openings 82 at its front end.
  • Inside the housing 81 there is a movable valve needle 90 which is used to inject Fuel in the combustion chamber of the engine releases the nozzle openings 82.
  • the with each injection Valve needle 90 moves upward in the direction of arrow B so that the needle tip lifts off the needle seat and fuel is pushed out of the interior 84 through the nozzle openings 82.
  • the fuel is located in the interior 84 between the housing wall 81 and the valve needle 90 of the injection nozzle 80.
  • the electrical feedthrough 9 is located in a region of the housing wall 81 and forms a pressure-tight seal, so that under the high pressure in the interior 84 of the injection nozzle 80, no fuel can flow outward through the electrical feedthrough.
  • the measuring element 50 is arranged in the interior 84 of the injection nozzle 80, as described above with reference to FIGS. 2 and 3.
  • FIG. 6 shows the prior art discussed in the introduction with a conventional electrical feedthrough in which wire pins extend through an insulator.
  • thin films made of a ceramic material are provided with through holes or via holes, into which metallic material is subsequently introduced.
  • the holes are punched out and then filled with a metal paste.
  • the position of the holes is chosen so that when the layers are later assembled there is a lateral offset between the vias thus created.
  • Now conductor tracks are formed on the layer surfaces, for example by vapor deposition of metal or by printing or screen printing of metal pastes. The positions and directions of the conductor tracks are selected such that, after the individual layers have been joined together, they connect the mutually offset vias with one another in order to form one or more line elements which extend through the entire layer structure.
  • the layers or ceramic layers are then placed on top of one another and firmly connected to one another.
  • the ceramic layers are baked together by sintering, so that a monolithic structure results. For particularly fast and inexpensive production, this is carried out in a batch process, a ceramic tile or layer having a size of approximately 25 cm 2 being processed as described above and then being separated into a plurality of layers. The individual layers are then stacked on top of one another or firmly connected to one another, so that the electrical feedthrough according to the present invention results with one or more continuous line elements which extend from one side of the feedthrough to the other side.
  • a particularly cost-effective production results from the use of green tape technology, in which the ceramic layers have elastic properties before sintering.
  • the invention creates electrical feedthroughs that are inexpensive to manufacture and have a high compressive strength with a very small size or high miniaturization.
  • the electrical feedthroughs are suitable for high temperatures and enable a simple direct connection to electronic units or sensor chips.

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Abstract

Eine druckdichte elektrische Durchführung umfasst ein Trennelement (10) aus einer Vielzahl von keramischen Schichten (11, 12, 13) durch die sich jeweils ein Abschnitt (21, 22, 23) eines Leitungselements erstreckt. Die Abschnitte (21, 22, 23) des Leitungselements (20), die sich in den aneinandergrenzenden Schichten (11, 12, 13) befinden, sind lateral zueinander versetzt angeordnet und über laterale Leiterbahnen (31, 32) miteinander verbunden. Die elektrische Durchführung ist z.B. in der Wandung einer Einspritzdüse eines Verbrennungsmotors angeordnet, um einen Sensor im Innenraum der Einspritzdüse mit dem Aussenraum elektrisch zu verbinden.

Description

Elektrische Durchführung, insbesondere für eine Einspritzdüse, und Verfahren zu ihrer Herstellung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Durchführung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Durchführung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 10.
Elektrische Durchführungen sind in verschiedenen Bereichen der Technik von Bedeutung, beispielsweise um eine elektrische Verbindung zwischen gasbefüllten oder druckbeaufschlagten Räumen und dem Außenraum zu gewährleisten. Auch ist es oftmals notwendig, abgeschlossene, evakuierte Räume mit einer elektrischen Durchführung zu versehen, die in der Wandung des betreffenden Raumes angeordnet ist um eine elektrische Verbindung zwischen dem evakuierten Raum und dem Außenraum herzustellen. Die elektrischen Durchführungen müssen dabei hermetisch dicht sein.
In der DE 28 44 787 A 1 ist beispielsweise eine elektrische Anschlußvorrichtung gezeigt, bei der in einem Gehäuse mehrere übereinanderliegende Einsätze angeordnet sind, durch die sich Kontakte erstrecken.
Die DE-PS 1 1 10726 zeigt ein explosionsgeschütztes elektrisches Schaltgerät mit einem Anschlußraum, der mit Gießharz gefüllt ist. Ein Anschlußkabel 7 führt auf einer Seite in den Anschlußraum, wo es sich in mehrere Anschlußleitungen verzweigt, die auf der anderen Seite herausführen.
Die DE-AS 1 161969 offenbart eine Anordnung zum Abdichten von elektrischen Leitern mit einem pfannenförmigen Isolierteil, das in seiner Bodenwand eine Öffnung hat, in welche ein Z-förmig abgebogener Leiter eingesetzt ist.
Eine weitere bekannte elektrische Durchführung ist in Figur 6 gezeigt. Die Durchführung hat ein Stahlgehäuse 100, in dem ein Isolator 200 angeordnet ist. Mehrere Drähte bzw. Drahtstifte 300 erstrecken sich durch den Isolator 200. Der Isolator 200 und die Drahtstifte 300 sind hermetisch Dicht, so daß kein Austausch von Stoffen von einer Seite des Isolators 200 zur anderen Seite stattfinden kann. Derartige elektrische Durchführungen sind z.B. eingeglast um die erforderliche hermetische Dichtheit zu gewährleisten.
Die bekannten elektrischen Durchführungen haben jedoch verschiedene Nachteile. Zum einen sind sie nur eingeschränkt miniaturisierbar, da die im Isolator eingebetteten Drahtstifte relativ viel Raum erfordern. Zum anderen sind sie aufwendig in der Herstellung, wodurch sich bei der Fertigung hohe Kosten ergeben. Ein weiterer wesentlicher Nachteil derartiger elektrischer Durchführungen ist ihre eingeschränkte Temperatur- und Druckstabilität. Bei hohen Drücken im Bereich von 1000 bar und mehr besteht die Gefahr der Zerstörung, insbesondere bei geringen Baugrößen. Bei hohen Temperaturen im Bereich von über 100°C ist die hermetische Dichtheit zumeist nicht mehr gewährleistet und es besteht ebenfalls die Gefahr der Zerstörung des Bauteils.
Im Innenraum von Einspritzdüsen können z.B. Drücke von 1500 bar und mehr auftreten. Die bekannten elektrischen Durchführungen sind aufgrund der oben beschriebenen Nachteile vollkommen ungeeignet für derartige Anwendungen.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Durchführung zu schaffen, die einen geringeren Bauraum erfordert und dennoch hochdruckfest und hochtemperaturtauglich gestaltet werden kann. Weiterhin soll ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Durchführung angegeben werden, das kostengünstig durchführbar ist und mit dem hochdruckfeste und hochtemperaturtaugliche elektrische Durchführungen geschaffen werden können.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die elektrische Durchführung gemäß Patentanspruch 1 und durch das Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Durchführung gemäß Patentanspruch 10. Weitere vorteilhafte Merkmale, Aspekte und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
Die erfindungsgemäße elektrische Durchführung ist insbesondere für eine Einspritzdüse geeignet und umfaßt ein Trennelement zur Trennung zweier Räume und ein Leitungselement, das in dem Trennelement angeordnet ist, um eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den beiden Räumen herzustellen, wobei das Trennelement aus mehreren Schichten gefertigt ist, in denen jeweils ein Abschnitt des Leitungselements verläuft, wobei die Abschnitte parallel zu den Schichtebenen zueinander versetzt angeordnet sind, und wobei die Abschnitte über laterale Leiterbahnen miteinander verbunden sind, die zwischen den aneinandergrenzenden Schichten verlaufen.
Durch den gegenseitigen Versatz der einzelnen Abschnitte des Leitungselements wird eine besonders hohe Druckstabilität erreicht. Der Druck lastet nicht auf einem einzelnen Leitungselement innerhalb des Trennelements, sondern wird über die Vielzahl von Schichten verteilt. Die elektrische Durchführung kann bei einer Dicke von weniger als einem Millimeter einem Druck von 1000 bar und mehr standhalten.
Vorzugsweise ist das Trennelement aus Keramik gefertigt. Dadurch ergibt sich eine besonders hohe Temperatur- und Druckstabilität. In den einzelnen Schichten, aus denen das Trennelement aufgebaut ist, sind bevorzugt ein oder mehrere durchgehende Löcher angeordnet, die z.B. mit einem elektrisch leitenden Material versehen sind um Durchkontaktierungen zu bilden. Insbesondere können die Durchkontaktierungen bzw. die Abschnitte des Leitungselements aus einer Metallpaste gefertigt sein, die in die durchgehenden Löcher eingebracht ist. Durch diese Maßnahmen ergibt sich eine besonders rationelle und kostengünstige Fertigung.
Das Trennelement kann z.B. aus Keramik und z.B. in Green-Tape-Technologie gefertigt sein. Die einzelnen Schichten beziehungsweise Keramikschichten können eine Dicke von 10 bis 250μm aufweisen, vorzugsweise 95 bis 210μm und insbesondere bevorzugt ca. 130μm.
Insbesondere kann die elektrische Durchführung im Gehäuse einer Einspritzdüse für einen Verbrennungsmotor angeordnet sein. Beispielsweise verbindet die elektrische Durchführung ein Meßelement, das zur Messung des Kraftstoffflusses und/oder eines anderen Kraftstoffparameters im Innenraum einer Einspritzdüse angeordnet ist, mit dem Außenraum. Als Kraftstoffparameter kommen z.B. auch Druck oder Temperatur in Betracht. Bevorzugt kann die Durchführung auch in den Brennraum einer Brennkraftmaschine führen um dort eine Druckmessung zu ermöglichen. Auch ist eine Durchführung in eine Vakuumkammer möglich.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Durchführung umfaßt die Schritte: Bereitstellen mindestens einer Schicht aus elektrisch isolierendem Material; Einbringen von einem oder mehreren durchgehenden Löchern in die Schicht, derart, daß die Löcher nach dem Zusammenfügen mehrerer Schichten zueinander versetzt angeordnet sind; Einbringen von elektrisch leitendem Material in die durchgehenden Löcher um Durchkontaktierungen zu bilden; Aufbringen von Leiterbahnen auf mindestens eine Schicht; und Zusammenfügen der Schichten. Durch das Verfahren kann auf kostengünstige Weise eine elektrische Durchführung hergestellt werden, die bei kleiner Bauweise erhöhten Drücken standhält.
Bei dem Verfahren werden die Schichten vorzugsweise aus Keramik in Green-Tape- Technologie gefertigt und z.B. nach dem Zusammenfügen zu einem monolithischen Block gesintert. Dadurch ergibt sich eine besonders hohe Festigkeit und Temperaturstabilität.
Bevorzugt wird in die durchgehenden Löcher der Schicht bzw. der einzelnen Schichten eine Metallpaste eingebracht. Die Schichten werden beispielsweise im Batch-Prozeß gefertigt, wobei eine großflächige Schicht nach dem Einbringen der Löcher in mehrere kleine Schichten vereinzelt wird. Durch diese Maßnahmen ergibt sich eine schnelle und kostengünstige Herstellung bei besonders kleiner Bauweise.
Bevorzugt werden die zusammengefügten Schichten mit den Durchkontaktierungen im Gehäuse einer Einspritzdüse angeordnet, z.B. um eine elektrische Verbindung zu einem Meßelement im Innenraum der Einspritzdüse bereitzustellen. Dadurch wird eine Messung des Kraftstoffflusses in der Einspritzdüse möglich. Das Meßsignal kann beispielsweise zur Steuerung der Einspritzdüse rückgekoppelt werden um die optimale Einspritzmenge zu erhalten. Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren beispielhaft beschrieben, in denen
Figur 1 einen teilweisen Querschnitt durch eine elektrische Durchführung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
Figur 2 eine elektrische Durchführung mit einem Meßelement gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in Explosionsdarstellung zeigt;
Figur 3 eine perspektivische Schnittansicht der elektrischen Durchführung von Figur 2 zeigt;
Figur 4 eine Einspritzdüse für einen Verbrennungsmotor zeigt, die eine erfindungsgemäße elektrische Durchführung an einem vorderen Abschnitt ihres Gehäuses zeigt;
Figur 5 einen Längsschnitt durch den vorderen Bereich der in Figur 4 gezeigten Einspritzdüse zeigt;
Figur 6 eine bekannte elektrische Durchführung zeigt.
Die in Figur 1 im Schnitt dargestellte elektrische Durchführung hat ein Trennelement 10 aus isolierendem Material, das aus mehreren Schichten 1 1, 12, 13 aufgebaut bzw. gefertigt ist. Die Schichten 1 1, 12, 13 sind Keramikschichten, die parallel zueinander ausgerichtet sind und an den Schichtgrenzen fest miteinander verbunden sind. In jeder Schicht befindet sich ein Abschnitt 21 , 22, 23 eines Leitungselements 20, das eine elektrische Verbindung zwischen der Oberseite 10a und der Unterseite 10b des
Trennelements darstellt. Die Abschnitte 21, 22, 23 des Leitungselements 20 sind versetzt zueinander angeordnet und durch laterale Leiterbahnen 31, 32 miteinander verbunden. Auf der Oberseite 10a und der Unterseite 10b des Trennelements 10 befindet sich jeweils ein Kontaktpad bzw. Kontaktelement 30a, 30b, das aus einer metallischen Schicht besteht und als Anschluß für elektrische Elemente auf beiden Seiten des Trennelements 10 dient. Die Leitungsabschnitte 21 , 22, 23 sind durch Metalle bzw. Metallisierungen gebildet, die in durchgehenden Löchern in den Keramikschichten 1 1 , 12, 13 ausgebildet sind. In der hier gezeigten, bevorzugten Ausführungsform sind die durchgehenden Löcher bzw. Via-Löcher mit einer Metallpaste gefüllt. Es ist aber ebenso möglich, daß die Löcher jeweils nur an ihrem Rand bzw. an ihrer inneren Wandung metallisiert sind, um die elektrisch leitende Verbindung zwischen Ober- und Unterseite 10a, 10b des Trennelements 10 zu bilden.
Die Löcher, die mit der Metallisierung die Leitungsabschnitte 21 , 22, 23 bilden, verlaufen senkrecht zu den Ebenen der Schichten 1 1 , 12, 13. Der gegenseitige Versatz von einem Abschnitt zum nächsten ist lateral d.h. er verläuft parallel zu den Schichtebenen. Jeder Abschnitt 21 , 22, 23 erstreckt sich durch eine Schicht 1 1 , 12, 13, so daß der Versatz jeweils an den Schichtgrenzen auftritt. Jeder Abschnitt 21,22, 23 bildet eine Durchkontaktierung in der jeweiligen Schicht 1 1, 12, 13.
Die Leiterbahnen 31 , 32 sind Metallschichten bzw. -bahnen, die auf der jeweiligen
Oberseite und/oder Unterseite der betreffenden Schicht aufgedampft oder aufgedruckt sind. Die Leiterbahnen 31, 32 sind sehr kompakt bzw. klein ausgestaltet und haben in der Regel eine Dicke von 10 bis 20μm. Sie können aber auch wesentlich dünner ausgestaltet sein, beispielsweise mit einer Dicke von 1μm oder weniger.
Die aus den einzelnen Abschnitten 21, 22, 23 bzw. Durchkontaktierungen und Leiterbahnen 31, 32 gebildeten Leitungselemente 20 verlaufen zickzackförmig durch das Trennelement 10. In dem in Figur 1 gezeigten Abschnitt der elektrischen Durchführung sind nur zwei Leitungselemente 20 dargestellt, die durch drei aneinandergrenzende Keramikschichten 1 1, 12, 13 verlaufen. Es können jedoch auch drei, vier oder wesentlich mehr Leitungselemente 20 in der erfindungsgemäßen elektrischen Durchführung vorgesehen sein. Ebenso ist die Anzahl der Schichten nicht auf zwei oder drei begrenzt. Besonders vorteilhaft ist z.B. die Verwendung einer Vielschicht-Keramik als Trennelement 10, die beispielsweise aus bis zu 80 einzelnen Schichten aufgebaut sein kann. Diese sind davon jeweils mit Via-Löchern versehen, in denen Metall eingebracht ist. Die Schichten 1 1 , 12, 13 sind fest miteinander verbunden bzw. verbacken und bilden ein monolithisches Teil. Die Keramikschichten 1 1, 12, 13 des in Figur 1 gezeigten Trennelements 10 haben eine Dicke von ca. 130μm. Durch den gegenseitigen Versatz der befüllten Löcher lastet der Druck nicht auf den Löchern bzw. Metallfüllungen, sondern er wird großflächig über die einzelnen Schichten verteilt.
Bei vier Leitungselementen bzw. Leitungsdurchführungen 20 beträgt die Baugröße der elektrischen Durchführung in lateraler Richtung in der hier gezeigten Ausführungsform lediglich ca. 2mm. Trotz dieser geringen Baugröße hält das Bauteil hohen Drücken stand.
In Figur 2 ist eine erfindungsgemäße elektrische Durchführung mit einem angeschlossenen Sensor- bzw. Meßelement 50 in einer Explosionsansicht gezeigt. Die einzelnen Keramikschichten 1 1 , 12, 13 sind fest miteinander verbacken bzw. verbunden und befinden sich in einem zylindrischen Hohlraum 61 , der in einem Gehäuse bzw. Rahmen 60, der ebenfalls zylindrisch gestaltet ist, ausgebildet ist. Auf der dem Betrachter zugewandten Unterseite der Keramikschicht 1 1 sind zwei Leiterbahnen 31 aufgebracht, die sich entlang der Schichtgrenze lateral erstrecken. Jede Leiterbahn 31 verbindet einen Leitungsabschnitt 22, der sich durch die mittlere Schicht 12 erstreckt, mit einem dazu versetzt angeordneten Leitungsabschnitt 21, der sich durch die erste Schicht 1 1 erstreckt (siehe Figur 3).
Die Leitungsabschnitte 22 sind, wie in Fig. 3 erkennbar, wiederum jeweils mit einer weiteren lateralen Leiterbahn 32 verbunden, die sich auf der angrenzenden Schicht 13 befindet. Die lateralen Leiterbahnen 32 sind in Fig. 2 auf der Rückseite der Schicht 13 bzw. der dem Betrachter abgewandten Seite angeordnet. Der Verlauf der beiden Leitungselemente 20 mit ihren dazugehörigen Leitungsabschnitten 21, 22, 23 und lateralen Leitungsabschnitten bzw. Leiterbahnen 31 , 32 ist in Figur 3 dargestellt. Zwischen den Leitungsabschnitten 21 und 22 bzw. 22 und 23 jedes Leitungselements 20 besteht ein lateraler Versatz, der über die jeweilige Leiterbahn 31 bzw. 32 überbrückt wird.
Bei dem in Fig. 2 dargestellten Leitungsabschnitten 31 deuten die Kreise in den Elementen 31 die Lage des Locher durch die Keramikscheibe 1 1 an. Der Leitungsabschnitt 32 an der Keramikscheibe 12 ist auf gleiche Weise ausgeführt. An der Außenseite des Trennelements 10 bzw. der äußeren Schicht 13 befindet sich das Meßelement 50, das durch eine Leiterbahn oder einen Draht bzw. Metalldraht gebildet wird, die auf dem Trennelement 10 angeordnet ist. Mit dem Meßelement 50 kann eine Flußmessung in einem strömenden Medium erfolgen, indem der elektrische Widerstand der Leiterbahn gemessen wird. Dieser Widerstand ist bekanntlich temperaturabhängig und ändert sich somit in Abhängigkeit von der Fließ- bzw. Strömungsgeschwindigkeit des strömenden Mediums.
Figur 4 zeigt eine Einspritzdüse 80 für eine Verbrennungskraftmaschine, die eine erfindungsgemäße elektrische Durchführung 9 aufweist. Die elektrische Durchführung 9 ist wie oben beschrieben aufgebaut und erstreckt sich durch einen Bereich der Wandung des Gehäuses 81 der Einspritzdüse 80 in ihren Innenraum. Dort ist ein Sensor angebracht, mit dem der Kraftstofffluß innerhalb der Einspritzdüse 80 gemessen wird. Über außen gelegene Leitungen 82 wird der im Innenraum der Einspritzdüse 80 gelegene Sensor mit Strom versorgt. Gleichzeitig werden die erhaltenen Meßsignale über die Leitungen 82 einem Regelkreis zugeführt, der die Einspritzmenge des Kraftstoffs bzw. die Öffnung des Einspritzventils steuert. Im Innenraum der Einspritzdüse 80, der vom Kraftstoff durchströmt wird, herrscht z.B. ein Druck von ca. 1500 bar, dem die elektrische Durchführung standhält.
Selbstverständlich sind auch andere Arten von Sensoren im Innenraum der Einspritzdüse 80 möglich, die verschiedene Parameter messen können, wie z.B. den Druck oder die Temperatur des Kraftstoffs. Über die erfindungsgemäße elektrische Durchführung ist der jeweilige Sensor mit dem Außenraum zur Weitergabe der Meßsignale und/oder zur Stromversorgung elektrisch verbunden.
Figur 5 zeigt einen Längsschnitt durch den vorderen Bereich der Einspritzdüse 80 mit der elektrischen Durchführung 9. Das zylindrische Gehäuse 81 der Einspritzdüse 80 hat an seinem vorderen Ende mehrere Düsenöffnungen 82. Im Inneren des Gehäuses 81 befindet sich eine bewegliche Ventilnadel 90, die zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum des Motors die Düsenöffnungen 82 frei gibt. Dazu wird bei jeder Einspritzung die Ventilnadel 90 in Richtung des Pfeils B nach oben bewegt, so daß sich die Nadelspitze vom Nadelsitz abhebt und Kraftstof aus dem Innenraum 84 durch die Düsenöffnungen 82 herausgestoßen wird. Der Kraftstoff befindet sich im Innenraum 84 zwischen der Gehäusewandung 81 und der Ventilnadel 90 der Einspritzdüse 80.
Die erfindungsgemäße elektrische Durchführung 9 befindet sich in einem Bereich der Gehäusewandung 81 und bildet einen druckdichten Verschluß, so daß unter dem hohen Druck im Innenraum 84 der Einspritzdüse 80 kein Kraftstoff durch die elektrische Durchführung nach außen strömen kann. Im Innenraum 84 der Einspritzdüse 80 ist das Meßelement 50 angeordnet, wie es oben unter Bezugnahme auf die Figuren 2 und 3 beschrieben ist.
Figur 6 zeigt den in der Einleitung diskutierten Stand der Technik mit einer herkömmlichen elektrischen Durchführung, bei der sich Drahtstifte durch einen Isolator erstrecken.
Zur Herstellung der erfindungsgemäßen elektrischen Durchführung werden dünne Filme aus einem Keramikmaterial mit durchgehenden Löchern bzw. Via-Löchern versehen, in die anschließend metallisches Material eingebracht wird. Die Löcher werden herausgestanzt und anschließend mit einer Metallpaste gefüllt. Dabei wird die Position der Löcher so gewählt, daß beim späteren Zusammensetzen der Schichten jeweils ein seitlicher Versatz zwischen den so geschaffenen Durchkontaktierungen vorhanden ist. Nun werden auf den Schichtoberflächen Leiterbahnen ausgebildet, beispielsweise durch Aufdampfen von Metall bzw. durch Drucken bzw. Siebdruck von Metallpasten. Die Positionen und Richtungen der Leiterbahnen werden so gewählt, daß sie nach dem Zusammenfügen der einzelnen Schichten die zueinander versetzten Durchkontaktierungen miteinander verbinden um so eine oder mehrere Leitungselemente auszubilden, die sich durch den gesamten Schichtaufbau erstrecken. Anschließend werdend die Schichten bzw. Keramikschichten aufeinandergelegt und fest miteinander verbunden. Durch Sintern werden die Keramikschichten miteinander verbacken, so daß sich ein monolithisches Gebilde ergibt. Für eine besonders schnelle und kostengünstige Herstellung wird diese im Batch- Verfahren durchgeführt, wobei eine Keramikkachel oder -schicht mit einer Größe von ca. 25cm2 wie oben beschrieben bearbeitet und anschließend in eine Vielzahl von Schichten vereinzelt wird. Danach werden die einzelnen Schichten aufeinander gestapelt bzw. fest miteinander verbunden, so daß sich die elektrische Durchführung gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer oder mit mehreren durchgehenden Leitungselementen ergibt, die sich von einer Seite der Durchführung zur anderen Seite erstrecken.
Eine besonders kostengünstige Herstellung ergibt sich durch Verwendung der Green-Tape- Technologie, bei der die Keramikschichten vor dem Sintern elastische Eigenschaften besitzen.
Durch die Erfindung werden elektrische Durchführungen geschaffen, die kostengünstig herstellbar sind und eine hohe Druckfestigkeit bei sehr geringer Größe bzw. hoher Miniaturisierbarkeit aufweisen. Die elektrischen Durchführungen sind hochtemperaturtauglich und ermöglichen eine einfache Direktverbindung mit Elektronikeinheiten bzw. Sensorchips. Insbesondere wird es möglich, eine Einspritzdüse mit einem Sensor zu versehen, der den Kraftstofffluß im Innenraum der Einspritzdüse mißt und ein rückgekoppeltes Sensor-Aktor-System zur Steuerung des Kraftstoffflusses ermöglicht.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrische Durchführung, insbesondere für eine Einspritzdüse, mit einem Trennelement (10) zur Trennung zweier Räume, und einem Leitungselement (20), das in dem Trennelement (10) angeordnet ist, um eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den beiden Räumen herzustellen, wobei das Trennelement (10) aus mehreren Schichten ( 1 1, 12, 13) gefertigt ist, durch die sich jeweils ein Abschnitt (21, 22, 23) des Leitungselements (20) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte parallel zu den Schichtebenen zueinander versetzt angeordnet sind und über laterale Leiterbahnen (31, 32) miteinander verbunden sind, die zwischen den aneinandergrenzenden Schichten (1 1, 12, 13) verlaufen.
2. Elektrische Durchführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Trennelement (10) aus Keramik gefertigt ist.
3. Elektrische Durchführung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den einzelnen Schichten (1 1, 12, 13) ein oder mehrere durchgehende Löcher angeordnet sind, die mit einem elektrisch leitenden Material versehen sind um Durchkontaktierungen zu bilden.
4. Elektrische Durchführung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte (21 , 22, 23) des Leitungselements (20) aus einer Metallpaste gefertigt sind, die in durchgehende Löcher eingebracht ist.
5. Elektrische Durchführung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen (31 , 32) auf mindestens eine der Schichten ( 1 1 , 12, 13) aufgedampft oder aufgedruckt sind.
6. Elektrische Durchführung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Trennelement (10) aus Keramik in Green-Tape- Technologie gefertigt ist.
7. Elektrische Durchführung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Schichten (1 1, 12, 13) eine Dicke von 10 bis 250μm aufweisen, vorzugsweise 95 bis 210μm, insbesondere 130μm.
8. Elektrische Durchführung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie im Gehäuse (81) einer Einspritzdüse (80) angeordnet ist.
9. Elektrische Durchführung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Meßelement (50), das zur Messung des Kraftstoffflusses und/oder eines anderen Kraftstoffparameters im Innenraum (84) einer Einspritzdüse (80) angeordnet ist, mit dem Außenraum elektrisch verbindet.
10. Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Durchführung, gekennzeichnet durch die Schritte:
Bereitstellen einer oder mehrerer Schichten (1 1, 12, 13) aus elektrisch isolierendem Material;
Einbringen von einem oder mehreren durchgehenden Löchern in die jeweilige
Schicht (1 1 , 12, 13), derart, daß die Löcher nach dem Zusammenfügen mehrerer
Schichten (1 1, 12, 13) zueinander versetzt angeordnet sind;
Einbringen von elektrisch leitendem Material in die durchgehenden Löcher um Durchkontaktierungen zu bilden;
Aufbringen von Leiterbahnen (31 , 32) auf mindestens eine Schicht (1 1, 12, 13); und
Zusammenfügen der Schichten (1 1, 12, 13).
1 1. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten (1 1, 12, 13) aus Keramik in Green-Tape Technologie gefertigt werden und nach dem
Zusammenfügen zu einem monolithischen Block gesintert werden.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 1 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Metallpaste in die durchgehenden Löcher eingebracht wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten ( 1 1 , 12, 13) im Batch-Prozeß gefertigt werden, wobei eine großflächige
Schicht nach dem Einbringen der Löcher vereinzelt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammengefügten Schichten (1 1, 12, 13) mit den Durchkontaktierungen im Gehäuse (81 ) einer Einspritzdüse (80) angeordnet werden, um eine elektrische
Verbindung zu einem Meßelement (50) im Innenraum (84) der Einspritzdüse (80) bereitzustellen.
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